CN204594824U - 流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备，该测试设备包括：加热炉、充气装置、燃料盛放装置、称重装置和数据采集装置；加热炉，用于采用预设温度对大颗粒燃料进行加热；充气装置，用于向加热炉内通入气体，控制加热炉内的通风量和氧浓度，使得大颗粒燃料在加热炉内的燃烧速率与在实际流化床锅炉中的燃烧速率相同；燃料盛放装置，用于盛放大颗粒燃料，并放置于加热炉内；称重装置，与燃料盛放装置相连，用于实时称量大颗粒燃料的重量；数据采集装置，用于实时采集称量得到的重量值，并存储重量值与采集时间的对应关系，大颗粒燃料的燃尽时间为相同的重量值所对应的不同采集时间中数值最小的时间。实验系统简单，操作简捷。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料燃烧技术领域，尤其涉及一种流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备。
背景技术
流化床锅炉是近二十多年发展起来的一项清洁煤燃烧技术，包括：沸腾燃烧(鼓泡床)锅炉和循环流化床锅炉，其中循环流化床锅炉是利用循环流化床(CirculatingFluidized Bed)反应器原理，燃烧煤和其他劣质燃料的锅炉，广泛应用于工业供蒸汽和火力发电领域，在环境保护和污染物综合治理方面具有突出优势。图1是现有的循环流化床锅炉的结构示意图，如图1所示，循环流化床锅炉包括：炉膛11、分离器12、返料器13、尾部烟道14、除尘器15和引风机16。
由于流化床锅炉炉膛中贮存有大量的床料，在炉膛内形成了较大的通风阻力(称为床压)，因此降低流化床锅炉的床压可以有效节省风机能耗。循环流化床锅炉的床压由两部分组成：一部分是细颗粒床料形成的有效床压，它主要由炉膛高度和炉内传热条件决定；另一部分是粗颗粒床料形成的无效床压，它主要由大颗粒煤的燃尽时间和锅炉排渣量决定。锅炉运行中降低床压主要是指，在满足大颗粒煤燃尽时间的条件下尽量降低炉膛内的无效床压。流化床锅炉燃用煤质较宽泛，不同煤质的燃尽时间差异较大，因此需要根据大颗粒煤的燃尽时间数据来调整床压，实现运行优化。
目前，一般采取流化床实验台进行实验，以计算大颗粒煤的燃尽时间。流化床实验台指的是，在固定容器中加入一定量的固体颗粒，并从容器底部通入气体或液体，使固体颗粒流化起来的小型实验装置。床料是循环流化床锅炉炉膛内的燃料燃烧后形成的灰颗粒，其中含有一定量的未燃尽碳，颗粒直径在0至10mm范围。
下面将介绍两种现有的计算大颗粒燃料的燃尽时间的方法，以大颗粒煤为例。
1、流化床实验台有效直径为29mm，高300mm，床料为0.315mm至0.63mm(平均粒径为0.473mm)的石英砂。试验时，首先将流化床调整到稳定的初始温度Tb0，稳定几分钟后,将一定量的煤样品投放到流化床中去，在设定的流化风速下，记录床温变化，得到T-t曲线(T表示温度，t表示时间)。由T-t曲线作出dT/dt和d2T/dt2曲线,按Vont Hoff准则和Taffand&Le Floch准则求得着火温度和时间。由此，在已知的温度下，就可以求得大颗粒煤的燃尽时间。
但是，在实际应用中，燃料是连续加入流化床中以保持床温相对稳定；上述实验中采用一次加入燃料，测试床温发生变化，在燃烧条件上与实际情况存在差异，实验所得的大颗粒煤燃尽时间也会偏离实际。
2、流化床实验台有效直径为10cm(如图2中D所示)，高45cm，床料为平均粒径200m的石英砂，截面平均气体流速约6.4cm/s，床层静止高度为12cm。图2是现有的流化床试验装置的结构示意图，如图2所示，该流化床试验装置包括：保温层21(Insulation)、电热丝22(Heater Wire)、金属纱篮23(Gauze Basket)、热电偶24(Thermocouple)和转子流量计25(Rotameter)。其中，A表示进入空气，B表示进入氮气。
试验时，预先将流化床加热到设定温度(例如，1023K或1173K)，称量某一粒度范围内(例如，1.65至2mm，或2.83至3.28mm)的煤颗粒样品，用金属纱篮盛装后放入床内，经过设定的加热时间后通入氮气停止反应，样品冷却至常温后，将金属纱篮取出称量其中的残余样品。多次称量后作出样品失重量与燃烧时间的关系曲线，并据此确定煤颗粒的燃尽时间。
但是，上述方法每次称量残余样品的重量前，需要先在氮气中冷却，操作复杂而且无法在线获得样品失重的实时变化情况。
实用新型内容
本实用新型提供了一种流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备，以至少解决现有的计算大颗粒燃料的燃尽时间的方法操作复杂且结果不够准确的问题。
本实用新型实施例提供了一种流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备，包括：加热炉、充气装置、燃料盛放装置、称重装置和数据采集装置；所述加热炉，用于采用预设温度对大颗粒燃料进行加热，其中，所述大颗粒燃料的直径大于0.1毫米；所述充气装置，与所述加热炉相连，用于向所述加热炉内通入气体，控制所述加热炉内的通风量和氧浓度，使得所述大颗粒燃料在所述加热炉内的燃烧速率与在实际流化床锅炉中的燃烧速率相同；所述燃料盛放装置，用于盛放所述大颗粒燃料，并放置于所述加热炉内；所述称重装置，与所述燃料盛放装置相连，用于实时称量所述大颗粒燃料在加热过程中的重量；所述数据采集装置，与所述称重装置相连，用于实时采集所述称重装置称量得到的重量值，并存储采集的重量值与采集时间的对应关系，其中，所述大颗粒燃料的燃尽时间为相同的重量值所对应的不同采集时间中数值最小的时间。
在一个实施例中，所述充气装置包括：充气主体和第一气体管道；所述第一气体管道的一端连接至所述充气主体的出口，所述第一气体管道的另一端连接至所述加热炉；所述充气主体用于通过所述第一气体管道向所述加热炉输出预设气体。
在一个实施例中，所述充气主体为充气泵或气瓶。
在一个实施例中，所述充气装置包括：第一气瓶、第二气瓶和第二气体管道；所述第二气体管道的一端分别连接至所述第一气瓶的出口和所述第二气瓶的出口，所述第二气体管道的另一端连接至所述加热炉；所述第一气瓶中存储有第一气体，所述第一气瓶的出口处安装有第一流量控制装置，所述第一流量控制装置用于控制所述第一气瓶输出的气体流量；所述第二气瓶中存储有第二气体，所述第二气瓶的出口处安装有第二流量控制装置，所述第二流量控制装置用于控制所述第二气瓶输出的气体流量，其中，所述第二气体与所述第一气体不同。
在一个实施例中，所述加热炉具体用于：加热至所述预设温度并保持恒温，采用所述预设温度对所述大颗粒燃料进行加热，其中，所述预设温度是所述实际流化床锅炉中的运行床温。
在一个实施例中，所述设备还包括：摄像装置，位于所述加热炉的上方，用于记录所述大颗粒燃料燃烧的影像。
在一个实施例中，所述加热炉为管式加热炉或马弗炉。
通过本实用新型的流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备，采用加热炉代替流化床实验台作为燃烧反应器，保证加热炉中的燃烧速率与实际流化床锅炉中燃烧速率相同，燃烧温度稳定，更接近实际锅炉的燃烧状况，从而得到的燃尽时间更为准确；实验系统简单，实验操作更简捷，实现了样品燃料重量数据的实时采集。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：
图1是现有的循环流化床锅炉的结构示意图；
图2是现有的流化床试验装置的结构示意图；
图3是本实用新型实施例的流化床内大颗粒燃料燃尽时间测试设备的结构示意图一；
图4是本实用新型实施例的流化床内大颗粒燃料燃尽时间测试设备的结构示意图二；
图5是本实用新型实施例的流化床内大颗粒燃料燃尽时间测试设备的结构示意图三；
图6是燃烧过程中燃料的重量变化曲线示意图；
图7是本实用新型实施例的流化床内大颗粒燃料燃尽时间测试设备的结构示意图四。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
在本文中，需要理解的是，所涉及的术语中：
燃尽时间指的是燃料在一定条件下燃烧完全所需的最短时间。
大颗粒煤指的是粒径在0.1mm以上的煤颗粒。
截面平均流速(或称为表观气速)指的是一定面积的横截面上气体流动的平均速度，即截面上的通风量除以截面积的值。
本实用新型实施例提供了一种流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备，图3是本实用新型实施例的流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备的结构示意图，如图3所示，该设备包括：加热炉31、充气装置32、燃料盛放装置33、称重装置34和数据采集装置35。下面对该结构进行具体说明。
加热炉31，用于采用预设温度对大颗粒燃料进行加热，其中，大颗粒燃料的直径大于0.1毫米。大颗粒燃料可以是煤、生物质、石油焦、煤矸石或垃圾等燃料颗粒。加热炉31可以是管式加热炉、马弗炉或其他截面形状的加热炉等。
充气装置32，与加热炉31相连，用于向加热炉31内通入气体，控制加热炉31内的通风量和氧浓度，使得大颗粒燃料在加热炉31内的燃烧速率与在实际流化床锅炉中的燃烧速率相同。
燃料盛放装置33，用于盛放大颗粒燃料，并放置于加热炉31内。
称重装置34，与燃料盛放装置33相连，用于实时称量大颗粒燃料在加热过程中的重量。
数据采集装置35，与称重装置34相连，用于实时采集称重装置34称量得到的重量值，并存储采集的重量值与采集时间的对应关系，其中，大颗粒燃料的燃尽时间为相同的重量值所对应的不同采集时间中数值最小的时间。
通过上述测试设备，采用加热炉代替流化床实验台作为燃烧反应器，保证加热炉中的燃烧速率与实际流化床锅炉中燃烧速率相同，燃烧温度稳定，更接近实际锅炉的燃烧状况，从而得到的燃尽时间更为准确；实验系统简单，实验操作更简捷，实现了样品燃料重量数据的实时采集。
在一个实施例中，加热炉31具体用于：预先加热至预设温度并保持恒温，采用该预设温度对大颗粒燃料进行加热，其中，该预设温度是实际流化床锅炉中的运行床温，一般为900℃。可以使用温度检测装置检测加热炉的温度是否已经达到预设温度。
称重装置34与燃料盛放装置33相连，可以将燃料盛放装置33理解为托盘，与一般的称的原理相同，称量托盘内物体的重量时，不计托盘重量。数据采集装置35可以是计算机。
充气装置32向加热炉31内通入气体，使得大颗粒燃料在加热炉31内的燃烧速率与在实际流化床锅炉中的燃烧速率相同。
下面以煤为例说明燃烧速率(或称为燃烧反应速率)的主要决定因素。
燃烧理论研究表明，大颗粒煤的燃烧反应速率受煤种、燃烧状况和初始粒径等因素的影响。煤颗粒的燃烧速率Ks的计算如式(1)所示：
式(1)中，k表示化学反应速率常数，由煤质和燃烧温度决定；αd表示氧气的传质系数，由床内的流动状况决定；C∞表示密相区氧浓度，与煤颗粒表面的气体氛围有关。测试大颗粒煤的燃尽时间，应使实验条件下的颗粒燃烧速率与实炉条件下的燃烧速率相同。
循环流化床锅炉密相区燃烧处于一个很特殊的欠氧状态，虽然密相区中氧气体积分数达到13％，然而床内的CO(一氧化碳)体积分数仍维持在近2％，表明密相区的燃烧处于局部欠氧状态。研究人员通过测定密相区中的氧化还原情况，发现密相区内氧化气氛和还原气氛更替的频率特别快。由于气固两相流的行为，密相区存在气泡相和乳化相，二者之间的传质阻力对燃烧的影响尤为突出，焦炭颗粒的燃烧局部处于扩散控制区。由此，燃烧速率Ks的计算如式(2)所示：
Ks≈αdC∞ (2)
式(2)中，氧气的传质系数αd由雷诺数Re决定，当Re>100时，当Re≤100时，αd近似为常数。表观气速与雷诺数Re成正比。根据表观气速的定义，加热炉31内通风的截面积固定，表观气速的大小由炉内通风量决定。因此，燃烧速率的主要决定因素可以理解为加热炉31内的通风量和氧浓度。
基于燃烧速率的上述两项主要决定因素，在向加热炉31内通入气体的过程中，可以采用以下几种方式控制大颗粒燃料的燃烧速率：
(1)氧浓度固定，控制通风量。例如，向加热炉31内通入空气，即氧浓度固定为21％，此时只需调节空气的流量；又如，预先计算在某一固定通风量下保持与实炉条件下相同的燃烧速率所需的氧浓度，根据氧浓度选择合适的气体，如氧气、氮气等，输出该固定通风量对应的气体流量。
(2)同时控制通风量和氧浓度。例如，可以向加热炉31内通入任意比例的混合气体(如氮气与氧气混合、氦气与氧气混合等)，调节通入的气体流量与氧浓度，使得燃烧速率与实炉条件下一致。
实炉条件下，密相区表观气速取4m/s；C∞为密相区氧浓度，在密相区交变气氛下取6.5％。根据燃烧速率Ks不变的原理，即可确定供入加热炉31的空气的体积流量。表1示出了实验中采用的操作参数与实炉条件下的设计参数。
表1实验条件与实炉参数对比
| 项目 | 单位 | 实验值 | 实炉值 |
| 煤质 | - | 入炉煤 | 入炉煤 |
| 燃烧温度 | ℃ | 900 | 900 |
| 煤粒直径 | mm | 9-20 | ≤15 |
| 氧浓度 | ％ | 21 | 6.5 |
| 气速 | m﹒s-1 | 0.38 | 4.0 |
需要说明的是，可以采用加热温度、氧浓度与通风量的组合保证加热炉内的燃烧速率与实炉燃烧速率相同，例如，温度850℃、氧浓度19.5％、气速0.44m/s或温度900℃、氧浓度26％、气速0.25m/s等。
对应于上述控制大颗粒燃料燃烧速率的方式，下面结合图4和图5对充气装置32的结构进行说明。
在一个实施例中，如图4所示，充气装置32包括：充气主体321和第一气体管道322。第一气体管道322的一端连接至充气主体321的出口，第一气体管道322的另一端连接至加热炉31；充气主体321用于通过第一气体管道322向加热炉31输出预设气体。
上述充气主体321可以是充气泵或气瓶。其中，充气泵输出的是空气，即氧浓度固定为21％，此时，充气泵控制的是空气的流量(即加热炉内的通风量)。气瓶输出某种气体，对于该气体，其氧浓度是固定的，可以通过气瓶出口处设置的流量控制装置控制该气体的流量。如果预先计算得到了某一固定通风量下保持与实炉条件下相同的燃烧速率所需的氧浓度，则根据计算的氧浓度确定合适的气体，如氧气、氮气等，利用气瓶出口处设置的流量控制装置控制输出该固定通风量对应的气体流量。
在一个实施例中，如图5所示，充气装置32包括：第一气瓶323、第二气瓶324和第二气体管道325。
第二气体管道325的一端分别连接至第一气瓶323的出口和第二气瓶324的出口，第二气体管道325的另一端连接至加热炉31。
第一气瓶323中存储有第一气体，第一气瓶323的出口处安装有第一流量控制装置326，第一流量控制装置326用于控制第一气瓶323输出的气体流量。
第二气瓶324中存储有第二气体，第二气瓶324的出口处安装有第二流量控制装置327，第二流量控制装置327用于控制第二气瓶324输出的气体流量，其中，第二气体与第一气体不同。
本实施例中，可以利用气瓶调节通入气体的氧浓度和通风量的不同组合来保证燃烧速率与实炉条件下的燃烧速率相同。也可以是三个气瓶或更多气瓶。例如，第一气体为氮气，流量为3L/min，第二气体为氧气，流量为2L/min，氮气与氧气的比例为3：2，可以根据该比例计算加热炉内的氧浓度。
数据采集装置35存储采集的重量值与采集时间的对应关系，大颗粒燃料的燃尽时间为相同的重量值所对应的不同采集时间中数值最小的时间。例如，五个相同的重量值为0.3g，其对应的采集时间分别为1650s、1651s、1652s、1653s、1654s，那么，燃尽时间为1650s。
数据采集装置35存储采集的重量值与采集时间的对应关系，可以通过表格存储，也可以绘制曲线图。
图6是燃烧过程中燃料的重量变化曲线示意图，如图6所示，纵坐标表示燃料重量，横坐标表示时间，从该曲线中读取燃料首次达到其最终重量(重量保持不变，即不再燃烧)的时间即为该燃料的燃尽时间(如图6中的A点)。通过曲线图判断燃尽时间，简单方便，且比较直观。
在一个实施例中，如图7所示，上述设备还可以包括：摄像装置36，位于加热炉31的上方，用于记录大颗粒燃料燃烧的全过程影像。实现了样品燃料燃烧全过程的可视化。该影像可以配合区分燃烧的各个阶段，如煤粒加热、挥发分析和燃烧、焦炭燃烧等。
经过试验，本实用新型的方案可以测试20mm以下粒径的样品颗粒燃尽时间。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种流化床内大颗粒燃料燃尽时间的测试设备，其特征在于，包括：加热炉、充气装置、燃料盛放装置、称重装置和数据采集装置；
所述加热炉，用于采用预设温度对大颗粒燃料进行加热，其中，所述大颗粒燃料的直径大于0.1毫米；
所述充气装置，与所述加热炉相连，用于向所述加热炉内通入气体，控制所述加热炉内的通风量和氧浓度，使得所述大颗粒燃料在所述加热炉内的燃烧速率与在实际流化床锅炉中的燃烧速率相同；
所述燃料盛放装置，用于盛放所述大颗粒燃料，并放置于所述加热炉内；
所述称重装置，与所述燃料盛放装置相连，用于实时称量所述大颗粒燃料在加热过程中的重量；
所述数据采集装置，与所述称重装置相连，用于实时采集所述称重装置称量得到的重量值，并存储采集的重量值与采集时间的对应关系，其中，所述大颗粒燃料的燃尽时间为相同的重量值所对应的不同采集时间中数值最小的时间。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述充气装置包括：充气主体和第一气体管道；
所述第一气体管道的一端连接至所述充气主体的出口，所述第一气体管道的另一端连接至所述加热炉；
所述充气主体用于通过所述第一气体管道向所述加热炉输出预设气体。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述充气主体为充气泵或气瓶。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述充气装置包括：第一气瓶、第二气瓶和第二气体管道；
所述第二气体管道的一端分别连接至所述第一气瓶的出口和所述第二气瓶的出口，所述第二气体管道的另一端连接至所述加热炉；
所述第一气瓶中存储有第一气体，所述第一气瓶的出口处安装有第一流量控制装置，所述第一流量控制装置用于控制所述第一气瓶输出的气体流量；
所述第二气瓶中存储有第二气体，所述第二气瓶的出口处安装有第二流量控制装置，所述第二流量控制装置用于控制所述第二气瓶输出的气体流量，其中，所述第二气体与所述第一气体不同。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热炉具体用于：加热至所述预设温度并保持恒温，采用所述预设温度对所述大颗粒燃料进行加热，其中，所述预设温度是所述实际流化床锅炉中的运行床温。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
摄像装置，位于所述加热炉的上方，用于记录所述大颗粒燃料燃烧的影像。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述加热炉为管式加热炉或马弗炉。
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