CN205643334U - 一种基于热重的煤自燃特性测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于热重的煤自燃特性测定装置，有效解决程序升温下煤样的氧化升温特性曲线、质量改变量以及产/耗气特征的同步测量问题，高压钢瓶经气体预混装置和预热铜管连，预热铜管置于煤样罐支架内，煤样罐支架伸出箱体置于天平上，顶部内有降温铜管，煤样罐支架中有煤样罐，预热、降温铜管与煤样罐进气和出气口连，降温铜管接在气相色谱仪上，箱体外有加热层，加热层内有电热丝，加热层外有保温层，电热丝和程序升温控制器连，煤样罐内有温度传感器，温度传感器和煤样温度数据采集卡连，程序升温控制器、煤样温度数据采集卡、天平、气相色谱仪与计算机连，本实用新型自动化程度高，测试结果可靠。

Description

一种基于热重的煤自燃特性测定装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于热重的煤自燃特性测定装置。

背景技术

煤炭是我国重要能源之一，20世纪90年代至今在我国能源结构中保持在70%以上。但是煤炭的自燃不但造成我国煤炭资源的损失，同时也严重威胁煤炭资源的安全开采。因而，有必要研究了解煤的自燃特性，构建煤自燃过程中各项参数之间的关系服务于我国煤炭资源的保护与开采。目前实验室用于研究煤的自燃特性的主要设备有：绝热氧化装置、程序升温装置、傅里叶红外光谱仪及热分析仪等设备。其中程序升温设备和热分析仪特点如下：程序升温设备研究煤自燃特性是将煤样置于程序升温炉中，程序升温炉进行程序升温加快煤样的氧化升温，获得程序升温过程中煤样氧化升温特性曲线，并且可以与气相色谱仪联用获得煤氧化升温过程中的气体组分及体积分数；热分析设备研究煤自燃特性是利用程序温度控制下使煤样进行氧化，从而获得煤样质量改变量与温度之间的关系，同时可获得煤样在氧化过程中的吸/放热量。

但是程序升温设备无法获得煤在氧化升温过程中煤样的质量改变量这一煤自燃特性的重要参数；而热分析设备并非针对煤氧化特性而开发的设备，在煤氧化研究方面所注重的仅是煤样在升温过程中的质量改变量，同时，目前已有的热分析设备为了兼顾对热量的分析，注重灵敏性，造成所分析样品质量小，由于测试所用的煤样质量小，单位质量煤样在氧化升温过程中的产气量小，无法对煤氧化过程中所生成气体组分及体积分数进行定量分析。而目前所使用的热-红联运技术（热分析仪与红外光谱联用）仅能对气体的官能团进行分析。程序升温设备在测试煤氧化升温特性时是使气流通过流经破碎煤样堆积形成的空隙而热分析仪则是煤样处于氧化气氛中，而使气体流经破碎煤体堆积形成的空隙则更符合煤矿工作面回采过后采空区的遗煤的氧化的过程。若使用程序升温和热分析仪对煤样分别进行分析，一是造成，费时费力，劳动强度大，二是，大质量煤样（程序升温）和小质量煤样（热分析仪）并不能构成对比，无法获得煤样在升温过程中质量改变与气体产生/消耗之间的关系。煤在氧化过程升温过程中所产生气体正是由于煤发生氧化热解产生的，煤的质量必然会发生改变，因而构建煤氧化过程中质量变化与煤产气特征的关系对与煤氧化特性的研究至关重要。因此，如何将热分析注重质量改变测试这一特点与程序升温设备进行结合，从而同时获得煤样在氧化升温过程中升温特性曲线、质量改变量以及不同温度下煤样的产/耗气特征，是当前迫切要解决的问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本实用新型之目的就是提供一种基于热重的煤自燃特性测定装置，可有效解决程序升温下煤样的氧化升温特性曲线、质量改变量以及产/耗气特征的同步测量问题。

本实用新型解决的技术方案是，氧气高压钢瓶经第一气路管路与气体预混装置相连，氮气高压钢瓶经第二气路管路分别与第一气路管路、气体预混装置连通，气体预混装置经第一气体管路与进气管相连，进气管和预热铜管相连，预热铜管置于煤样罐支架下部内，预热铜管下方的煤样罐支架底部向下伸出程序升温箱的箱体，置于天平的托盘上，煤样罐支架的顶部向上伸出程序升温箱的箱体，煤样罐支架的顶部内有置于程序升温箱的箱体顶部上方的降温铜管，预热铜管上方的煤样罐支架中装有煤样罐，预热铜管与煤样罐下部的进气口相连，煤样罐上部的出气口与降温铜管相连，降温铜管经出气管连接第二气体管路，第二气体管路接在气相色谱仪上，由气相色谱仪对所出气体进行分析，程序升温箱是由箱体、加热层、保温层、程序升温控制器、煤样温度数据采集卡和天平组合在一起构成的封闭结构，箱体外周包裹有加热层，加热层内有电热丝，加热层外部包裹有保温层，电热丝和箱体外部的程序升温控制器连接，程序升温控制器控制加热层中的电热丝的功率实现箱体的升温，煤样罐内装有温度传感器，温度传感器的自由端伸出煤样罐支架和煤样温度数据采集卡相连接，煤样温度数据采集卡通过温度传感器采集煤样温度，程序升温控制器、煤样温度数据采集卡、天平、气相色谱仪均与计算机相连接。

本实用新型实现了不同氧浓度气氛下煤的氧化升温，在煤氧化升温过程中氧气浓度的改变；可实现煤样质量在煤氧化升温过程中温度和质量变化的测量；可实现煤在氧化升温过程中气体生成特征的测定，本实用新型自动化程度高，测试结果可靠，实现了煤氧化升温的同时可对煤质量改变量进行实时测量。

附图说明

图1为本实用新型的结构主视图。

图2为本实用新型煤样罐的承载架的结构图。

图3为本实用新型气体预混装置的结构剖视图。

图4为本实用新型图3的A-A向截面图（放大）。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

由图1-图4给出，本实用新型的结构是，氧气高压钢瓶1经第一气路管路a与气体预混装置9相连，氮气高压钢瓶5经第二气路管路b分别与第一气路管路a、气体预混装置9连通，气体预混装置经第一气体管路c与进气管10相连，进气管和预热铜管11相连，预热铜管11置于煤样罐支架下部内，预热铜管下方的煤样罐支架底部向下伸出程序升温箱的箱体，置于天平18的托盘上，煤样罐支架的顶部向上伸出程序升温箱的箱体，煤样罐支架的顶部内有置于程序升温箱的箱体顶部上方的降温铜管13，预热铜管上方的煤样罐支架中装有煤样罐12，预热铜管11与煤样罐12下部的进气口相连，煤样罐12上部的出气口与降温铜管13相连，降温铜管经出气管14连接第二气体管路d，第二气体管路d接在气相色谱仪15上，由气相色谱仪对所出气体进行分析，程序升温箱是由箱体24、加热层20、保温层21、程序升温控制器22、煤样温度数据采集卡23和天平18组合在一起构成的封闭结构，箱体外周包裹有加热层，加热层内有电热丝，加热层外部包裹有保温层，电热丝和箱体外部的程序升温控制器连接，程序升温控制器控制加热层中的电热丝的功率实现箱体的升温，煤样罐内装有温度传感器16，温度传感器的自由端伸出煤样罐支架和煤样温度数据采集卡23相连接，煤样温度数据采集卡通过温度传感器16采集煤样温度，程序升温控制器、煤样温度数据采集卡、天平18、气相色谱仪均与计算机相连接。

所述的氧气高压钢瓶1和第一气路管路a之间依次连接有第一减压阀2、第一稳压阀3、第一气体质量流量控制器4；

所述的氮气高压钢瓶5和第二气路管路b之间依次连接有第二减压阀6、第二稳压阀7、第二气体质量流量控制器8；

所述的煤样罐支架上端外周有装在程序升温箱的箱体顶部的煤样罐支架保护壳19，防止外界对煤样罐支架17的干扰，影响质量的测量；

所述的程序升温箱上设有箱门，用于打开安装和拆卸煤样罐；

所述的保温层21为玻璃棉制成的壳体结构；

所述的煤样罐支架17穿过箱体的部位，在箱体上开有穿孔，保证煤样罐支架17和箱体交叉部位有空隙，不相接触（支架通过穿孔伸出箱体与天平的托盘相连，是为了使支架不与箱体接触，支架只与天平的托盘进行接触。支架的上部用来支撑降温铜管13是在箱体顶部，起到冷却气体的目的）；

所述的煤样罐支架是由自下向上竖直连接在一起的预热铜管的承载架26、煤样罐的承载架27（如图2所示）和降温铜管的承载架28构成的一体结构，预热铜管的承载架、煤样罐的承载架和降温铜管的承载架的横截面均呈正三角形；

所述的正三角形的中心为圆环，圆环和正三角形的三个角分别经三根支撑棍连接；

所述的煤样罐的承载架27中部嵌装有正三角形的煤样罐固定架，煤样罐固定架的三个边中心均设有用于固定煤样罐位置的固定角29，用于确保每次煤样罐安装位置一致，从而保证测试的重复性；

所述的固定角29为竖直向上的挡片，煤样罐的底部卡装在煤样罐固定架的三个边中心的固定角29围成的空间内；

所述的气体预混装置9是由棱形的气体第一混合室30和棱形的气体第二混合室31经螺纹连接构成可拆卸结构，气体第一混合室是由前部三角形和后部三角形连接构成棱形结构，气体第一混合室的后部三角形内有形状相同的纵截面为三角形的隔板32，隔板自前向后嵌装在气体第一混合室的后部三角形内，隔板的前后两侧和气体第一混合室的后部三角形的前后两侧重合，隔板的上边和气体第一混合室的后部三角形的顶部之间有第一气流通道33，隔板的下边和气体第一混合室的后部三角形的底部之间有第二气流通道34，第一气流通道和第二气流通道的交汇于气体第一混合室和第二混合室的连接处，隔板使混合气体分流且在气体第二混合室31汇流使气流构成扰动从而可使气体在气体第二混合室31达到更好的预混效果，根据气体流量的大小，气体第一混合室30为1个或多个。

所述的进气管10和出气管14均为聚四氟乙烯管。

所述的程序升温控制器22和煤样温度数据采集卡23均为现有技术，程序升温控制器如LOTUSANA龙腾圣华生产的LA-36程序升温温控器；煤样温度数据采集卡23为温度采集卡或温度记录仪，温度记录仪如sinomeasure的SIN-R6000C彩色无纸记录仪湿度压力电流电压电量曲线温度记录仪。

所述的天平18为现有技术，如赛多利斯生产的电子精密天平 Cubis®MSU2203S-000-DA、电子精密天平 Cubis®MSE3203S-000-DA、电子精密天平 Cubis®MSA5203S-000-DR（可读性均为1mg，最大量程分别为2.2kg、3.2kg、5.2kg）。

本实用新型提供了一种测试煤氧化升温特性的同时可以测定煤失重特性的装置，可同时获得煤样在氧化升温过程中升温特性曲线、质量改变量以及不同温度下煤样的产/耗气特征。从而，构建出煤样产/耗气特征与温度和质量改变量以及煤样升温特性曲线与质量改变量等之间的关系；其中，通过天平实时获得煤在氧化升温过程的质量改变量，通过温度传感器实时获得煤在氧化升温过程中的温度变化，通过联用气相色谱仪获得不同温度下煤的产/耗气特征，通过气体质量流量控制器实现煤在不同氧气浓度下的氧化升温；其中，质量改变量测试部分（质量改变量测试部分的结构是，煤样罐支架与天平相连，通过将煤样装入煤样罐并连入气路，从而可以实现在煤样在升温过程中的质量的测量，其中进气管和出气管均采用聚四氟乙烯管实现与程序升温箱外部的第一气体管路c、第二气体管路d相连，进、出气管对质量测量构成的干扰可通过标准物质进行校正扣除；天平为电子分析天平，可实现天平质量的清零、显示和数据采集。此外，煤样罐支架露出程序升温箱以外部分采用煤样罐支架保护壳进行保护，从而实现整个质量测试部分处于相对封闭的环境中减小外界对质量测量的干扰）则是，将煤样罐支架采用正三角形的骨架结构在保证稳定性的同时降低其质量，煤样罐支架同时完成对预热铜管、煤样罐和降温铜管的支撑，且煤样罐支架露出程序升温箱以外部分通过煤样罐支架保护壳进行保护使整个质量测试部分处于相对密闭的空间从而降低外界的干扰；其中，气路系统（气路系统的结构是，由氧气高压钢瓶和氮气高压钢瓶分别提供氧气气源和氮气气源，氧气高压钢瓶顺次连接第一减压阀、第一稳压阀3、第一气体质量流量控制器4并通过第一气路管路a与气体预混装置相连；氮气高压钢瓶顺次连接第二减压阀6、第二稳压阀7、第二气体质量流量控制器8并通过第二气路管路b连接到第一气路管路a最终与气体预混装置9相连；氧气和氮气经气体预混装置9预混均匀通过第一气体管路c经进气管10与预热铜管11相连，预热铜管11与煤样罐12下部的进气口相连，煤样罐12上部的出气口与降温铜管13相连并通过出气管14连接外部第二气体管路d，最终气体进入气相色谱仪15进行分析），通过氧气高压钢瓶、氮气高压钢瓶、第一气体质量流量控制器、第二气体质量流量控制器以及气体预混装置实现不同流量不同氧浓度气体的预混，为煤的氧化提供不同的氧化环境，实现在煤氧化升温过程中改变其氧化环境；其中，气体预混装置由气体第一混合室和气体第二混合室组成，气体第一混合室前部用于气体汇流，后部用于气体分流使两股气流进入气体第二混合室时相互扰动以达到更好的混合效果；所述气相色谱仪、程序升温控制器、煤样温度数据采集卡、天平均与计算机相连实现数据的自动记录，即程序升温控制器实现对箱体温度的实时采集并通过通讯线将数据传输到计算机进行自动记录；煤样温度数据采集卡通过温度传感器采集煤样温度通过通讯线传输至计算机进行自动记录；天平对所测得质量进行实时采集并通过通讯线将数据传输至计算机；气相色谱仪对气体组分进行分析后通过通讯线将数据传输至计算机。

使用时，需要校正，第一次使用之前或每隔一定时期进行对仪器（本实用新型）的质量称量部分进行一次校正，校正方法如下：采用标准砝码对天平进行校正，校正时应保证煤样罐、气路系统以及温度传感器处于正常连接状态从而排除气路、温度传感器等连接管线路对质量测量的干扰。考虑到煤样在室温~300℃时质量变化量最大为10%以及实验所采用煤样质量M（g），因而只对质量称量系统的90%~100%M的称量范围进行校正，如所测煤样初始质量为50g，则对质量称量系统（质量称量系统所指煤样罐、煤样罐支架、天平、预热铜管、降温铜管、温度传感器、进气管、出气管。由于温度传感器、进气管、出气管均与升温箱直接接触，可能会对测试结果构成干扰，因而需要进行校正。当然也可根据干扰的大小来确定是否需要校正）在45~50g之间的测量进行校正。校正采用标准砝码以1mg递增，但由校正时的工作量可适当扩大砝码递增步幅最后通过差值获得其他数据。根据砝码质量和天平显示质量可以获得质量称量系统在对应质量的偏差值，即质量偏差=砝码质量-天平显示质量。

打开程序升温箱的箱门，将煤样罐取出并进行清理，将空的煤样罐清理完毕后重新连入气路系统并确保连接的气密性；打开氧气高压钢瓶、氮气高压钢瓶，设置第一气体质量流量控制器和第二气体质量流量控制器的流量值（如：实验所需总气体流量为100mL/min、氧气和氮气体积分数分别为20%、80%，则将第一气体质量流量控制器和第二气体质量流量控制器分别设置为20mL/min和80mL/min，在此之前第一气体质量流量控制器已用氧气进行校正，第二气体质量流量控制器已用氮气进行校正），氧气和氮气流量设置完毕后，氧气和氮气将通过过气体预混装置进行混合均匀，混合均匀的气体将通过第一气体管路c、进气管10、预热铜管11、煤样罐12、降温铜管13、出气管14、第二气体管路d流入气相色谱仪进行分析，待气相色谱仪所检测气体组分为设定值后则可开始进行实验。气相色谱仪所检测气体组分稳定后，使用天平进行清零，之后打开程序升温箱将煤样罐从气路系统中拆卸下来，打开煤样罐的盖将预先制备好的煤样为现有技术）装入煤样罐旋紧煤样罐的盖并接入气路系统。此刻起煤样质量则可通过天平和计算机进行实时记录。程序升温箱通过程序升温控制器控制加热电热丝的功率，从而使程序升温箱以一定升温速率进行升温（如，使程序升温箱预先达到初始温度30℃后，以1℃/min的升温速率升至300℃。），在程序升温箱升温的同时由于存在温度差，煤样罐中的煤样也会进行升温，煤样温度通过温度传感器和煤样温度数据采集卡对煤样温度进行采集并传输到计算机进行记录，同时程序升温控制器将程序升温箱温度传输至计算机进行记录。气路系统为煤样罐中煤样供给新鲜气流，新鲜气流与煤样反应过后经降温铜管、出气管以及第二气体管路d进入气相色谱仪进行分析，所获得分析结果通过通讯线传输到计算机进行记录。实验完毕时关闭即可。通过本实用新型可获得煤样升温过程中的质量改变量、煤样罐出气口各气体组分及体积分数、煤样升温曲线。需指出的煤样升温过程中的质量改变量需扣除通过砝码校正所获得质量偏差值才是真正的煤样质量改变量，所采用标准砝码为双杰牌F1级（100g-1mg）套装砝码，所述的天平为现有技术，如赛多利斯生产的电子精密天平 Cubis®MSU2203S-000-DA、电子精密天平 Cubis®MSE3203S-000-DA、电子精密天平 Cubis®MSA5203S-000-DR（可读性均为1mg，最大量程分别为2.2kg、3.2kg、5.2kg）可实现称重单元和显示单元的分装，可通过R232通讯接口链接计算机。本实用新型使用方便，缩短了程序升温下煤样的氧化升温特性曲线、质量改变量以及产/耗气特征的测量时间，大大提高了工作效率，减少了劳动强度，避免了重复采样造成资源的浪费，使用一种设备即可，降低了实验成本，且由于实现了对程序升温下煤样的氧化升温特性曲线、质量改变量以及产/耗气特征的同步测量，使测量结果稳定性，误差大大减少，测试结果可靠，实现了煤氧化升温的同时可对煤质量改变量进行实时测量，有显著的经济和社会效益。

Claims (10)

1.一种基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，氧气高压钢瓶（1）经第一气路管路（a）与气体预混装置（9）相连，氮气高压钢瓶（5）经第二气路管路（b）分别与第一气路管路（a）、气体预混装置（9）连通，气体预混装置经第一气体管路（c）与进气管（10）相连，进气管和预热铜管（11）相连，预热铜管（11）置于煤样罐支架下部内，预热铜管下方的煤样罐支架底部向下伸出程序升温箱的箱体，置于天平（18）的托盘上，煤样罐支架的顶部向上伸出程序升温箱的箱体，煤样罐支架的顶部内有置于程序升温箱的箱体顶部上方的降温铜管（13），预热铜管上方的煤样罐支架中装有煤样罐（12），预热铜管（11）与煤样罐（12）下部的进气口相连，煤样罐（12）上部的出气口与降温铜管（13）相连，降温铜管经出气管（14）连接第二气体管路（d），第二气体管路（d）接在气相色谱仪（15）上，程序升温箱是由箱体（24）、加热层（20）、保温层（21）、程序升温控制器（22）、煤样温度数据采集卡（23）和天平（18）组合在一起构成的封闭结构，箱体外周包裹有加热层，加热层内有电热丝，加热层外部包裹有保温层，电热丝和箱体外部的程序升温控制器连接，煤样罐内装有温度传感器（16），温度传感器的自由端伸出煤样罐支架和煤样温度数据采集卡（23）相连接，程序升温控制器、煤样温度数据采集卡、天平（18）、气相色谱仪均与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的氧气高压钢瓶（1）和第一气路管路（a）之间依次连接有第一减压阀（2）、第一稳压阀（3）、第一气体质量流量控制器（4）；所述的氮气高压钢瓶（5）和第二气路管路（b）之间依次连接有第二减压阀（6）、第二稳压阀（7）、第二气体质量流量控制器（8）。

3.根据权利要求1所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的煤样罐支架上端外周有装在程序升温箱的箱体顶部的煤样罐支架保护壳（19）；所述的程序升温箱上设有箱门。

4.根据权利要求1所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的煤样罐支架（17）穿过箱体的部位，在箱体上开有穿孔。

5.根据权利要求1所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的煤样罐支架是由自下向上竖直连接在一起的预热铜管的承载架（26）、煤样罐的承载架（27）和降温铜管的承载架（28）构成的一体结构，预热铜管的承载架、煤样罐的承载架和降温铜管的承载架的横截面均呈正三角形。

6.根据权利要求5所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的正三角形的中心为圆环，圆环和正三角形的三个角分别经三根支撑棍连接。

7.根据权利要求6所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的煤样罐的承载架（27）中部嵌装有正三角形的煤样罐固定架，煤样罐固定架的三个边中心均设有用于固定煤样罐位置的固定角（29）。

8.根据权利要求7所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的固定角（29）为竖直向上的挡片，煤样罐的底部卡装在煤样罐固定架的三个边中心的固定角（29）围成的空间内。

9.根据权利要求1所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的气体预混装置（9）是由棱形的气体第一混合室（30）和棱形的气体第二混合室（31）经螺纹连接构成可拆卸结构，气体第一混合室是由前部三角形和后部三角形连接构成棱形结构，气体第一混合室的后部三角形内有形状相同的纵截面为三角形的隔板（32），隔板自前向后嵌装在气体第一混合室的后部三角形内，隔板的前后两侧和气体第一混合室的后部三角形的前后两侧重合，隔板的上边和气体第一混合室的后部三角形的顶部之间有第一气流通道（33），隔板的下边和气体第一混合室的后部三角形的底部之间有第二气流通道（34），第一气流通道和第二气流通道的交汇于气体第一混合室和第二混合室的连接处，气体第一混合室（30）为1个或多个。

10.根据权利要求1所述的基于热重的煤自燃特性测定装置，其特征在于，所述的进气管（10）和出气管（14）均为聚四氟乙烯管；所述的保温层（21）为玻璃棉制成的壳体结构。