CN209707461U

CN209707461U - 卧式双室焦炭活化能测定仪

Info

Publication number: CN209707461U
Application number: CN201920185390.2U
Authority: CN
Inventors: 黄祥辉
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2029-02-04

Abstract

卧式双室焦炭活化能测定仪，包括电炉，储氧瓶，燃烧瓶，排烟管和连通管，连通管呈H形，连通管水平支管及水平支管之上两竖直支管均安装手动截止阀，排烟管沿烟气流动方向依次安装手动截止阀和测氧盒，燃烧瓶包括瓶盖，瓶盖和瓶筒之间密封螺纹连接，瓶盖开设两个管接口，一个管接口和连通管水平支管之下的右竖直支管底端卡套式密封连接，另一个管接口和排烟管底端卡套式密封连接，储氧瓶开设一个管接口，该管接口和连通管水平支管之下的左竖直支管底端螺纹密封连接，连通管水平支管之下两竖直支管和排烟管穿过电炉炉盖。燃料燃烧实验教学、科研和工业生产等高于自燃点焦炭活化能测定场合，可使用本实用新型。本实用新型测试精度提高10％。

Description

卧式双室焦炭活化能测定仪

技术领域

本实用新型涉及一种焦炭活化能测定装置，尤其涉及一种适合于燃料燃烧教学、科研或工业生产使用的卧式双室焦炭活化能测定仪。

背景技术

煤炭资源数量大、种类多、分布广，也是我国使用最多的固体燃料。煤燃烧特性主要是由焦炭燃烧决定。焦炭质量在煤可燃质总质量占比达到55～97％，焦炭发热量在煤发热量占比达到60～95％，焦炭燃烧时间在煤燃烧总时间占比达到90％，研究焦炭燃烧对研究煤炭燃烧有很大意义。活化能是焦炭燃烧利用重要动力学参数之一。获得燃料活化能准确数据，可以改善煤炭在燃烧、化工及精制催化等应用效果，从而提高燃料利用率。

传统活化能测定仪，依托于普适积分法和Kissinger法,测试操作复杂，数据处理量大(30种机理函数选一)，数据易受外界影响，因为燃料特性不同而使测试误差较大。专利CN104122295A公布了一种基于多重扫描速率法的活化能测定仪，将煤炭和氧气置于同一室，氧气加热升温、煤炭干馏、焦炭加热升温和焦炭燃烧过程同时进行，存在释放CO气体和反应不完全等缺点。CN204630963U公布了一种基于F-K自燃着火理论的自燃物质活化能测定仪，将固体燃料堆积在一起，存在与空气接触不充分，受热不均和释放中间可燃气体等缺点。CN103926378A公布了一种基于阿累尼乌斯定律的活化能测定仪，将溶液试剂进行水浴加热后再和氧气混合使反应进行，存在只适用于液体且反应时间长等缺点。

开发燃料活化能测定新装置，可节约燃料活化能测定成本、易于操作和推进活化能测定技术工业应用，促进资源节约和环境保护。

实用新型内容

为了克服现有活化能测定设备操作复杂、易受外界环境干扰和后期数据处理计算量大等缺点，本实用新型提供一种具有“储氧瓶和燃烧瓶分开”结构特点，“氧气加热、焦炭加热和焦炭-氧气燃烧等三过程独立调控”技术特点，“结构简单、精度高、易于操作和计算量小”技术优势，适合于焦炭着火点温度以上使用的卧式双室焦炭活化能测定仪。

卧式双室焦炭活化能测定仪，主要包括电炉，储氧瓶，燃烧瓶，排烟管和连通管，连通管由钢管加工而成，正立布置且呈H形，连通管水平支管之上的左竖直支管安装手动截止阀，水平支管之上的左竖直支管顶端和氧气瓶出口管道密封连接，水平支管上安装手动截止阀，水平支管之上的右竖直支管安装手动截止阀，水平支管之上右竖直支管顶端和氮气瓶出口管道密封连接，排烟管沿烟气流动方向依次安装手动截止阀和测氧盒，燃烧瓶包括瓶盖，瓶盖和瓶筒之间密封螺纹连接，瓶盖开设左右两个竖直管接口，左竖直管接口和连通管水平支管之下的右竖直支管底端卡套式密封连接，右竖直管接口和排烟管底端卡套式密封连接，储氧瓶开设一个竖直管接口，该管接口和连通管水平支管之下的左竖直支管底端螺纹密封连接，电炉包括炉盖，炉盖设置三个孔，自左向右依次供连通管水平支管之下左竖直支管，连通管水平支管之下右竖直支管和排烟管穿过。

燃烧实验教学，燃烧科学研究，燃烧工业生产等高温焦炭燃烧活化能测定场合，可以使用本实用新型。

本实用新型结构简单，误差小，易于操作，计算量小。和传统活化能测定仪比较，本实用新型焦炭活化能测定精度提高10％。

附图说明

图1为卧式双室焦炭活化能测定仪竖直剖视图。图1中，1 为电炉，11 为炉盖，2 为储氧瓶，3 为燃烧瓶，31 为瓶盖，4 为排烟管，41 为手动截止阀，42 为测氧盒，5 为连通管，51、52 和53 均为手动截止阀。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型作进一步的说明。

如附图1所示，卧式双室焦炭活化能测定仪，主要包括电炉1，储氧瓶2，燃烧瓶3，排烟管4和连通管5。连通管5由钢管加工而成，正立布置且呈H形。连通管5包括水平支管、位于水平支管之上的左竖直支管，位于水平支管之上的右竖直支管，位于水平支管之下的左竖直支管和位于水平支管之下的右竖直支管。连通管5水平支管之上的左竖直支管安装手动截止阀51，连通管5水平支管上安装手动截止阀52，连通管5水平支管之上的右竖直支管安装手动截止阀53。连通管5水平支管之上的左竖直支管顶端和氧气瓶出口管道密封连接，水平支管之上的右竖直支管顶端和氮气瓶出口管道密封连接。沿烟气流动方向排烟管4依次安装手动截止阀41和测氧盒42。燃烧瓶3包括瓶盖31，瓶盖31开设左右两个竖直管接口，左竖直管接口和连通管5水平支管之下的右竖直支管底端卡套式密封连接，右竖直管接口和排烟管4底端卡套式密封连接。燃烧瓶3瓶盖31和瓶筒之间密封螺纹连接。储氧瓶2开设一个竖直管接口，该竖直管接口和连通管5水平支管之下的左竖直支管底端螺纹密封连接。连通管5管道和手动截止阀51、手动截止阀52或手动截止阀53之间满焊连接，管道内气体不会泄漏到大气环境。排烟管4管道和手动截止阀41或测氧盒42之间满焊连接，管道内气体不会泄漏到大气环境。储氧瓶2和燃烧瓶3均为钢质瓶，能耐高温高压。储氧瓶2和连通管5水平支管之下左竖直支管底端之间螺纹密封连接，储氧瓶2内高压氧气不会泄漏到电炉1内腔。燃烧瓶3和连通管5水平支管之下右竖直支管底端之间卡套式密封连接，燃烧瓶3和排烟管4底端之间卡套式密封连接，燃烧瓶3内高压氧气或高压氮气不会泄漏到电炉1内腔。

电炉1包括炉盖11，炉盖11可拆卸，炉盖11设置三个孔，自左向右依次供连通管5水平支管之下左竖直支管，连通管5水平支管之下右竖直支管和排烟管4穿过。电炉1三个孔处密封连接，不发生电炉1内热空气泄漏到大气环境。电炉1自带热电偶检测到电炉1内腔温度，并通过电炉1自带温控器将电炉1温度控制在设定温度范围之内。

燃烧瓶3瓶盖31开设的左竖直管接口中心轴线，储氧瓶2开设的竖直管接口中心轴线，连通管5左竖直支管中心轴线、水平支管中心轴线及右水平支管中心轴线均在同一竖直平面上。

储氧瓶2内腔容积是燃烧瓶3内腔容积的1～1.5倍。储氧瓶2和燃烧瓶3可以是相互独立的两个瓶，也可以是连成一体的卧式双室瓶，此时双室瓶呈倾到“日”字状。

储氧瓶2开设的竖直管接口承担氧气进入与氧气排出等功能。燃烧瓶3瓶盖31开设的左竖直管接口承担氧气进入与氮气进入等功能，瓶盖31开设的右竖直管接口承担空气排出、氮气排出和烟气排出等功能。连通管5手动截止阀51、52及53开关组合，可以改变气流流动路径。

本实用新型使用包括装料，气体清理，加热升温和焦炭燃烧等四个阶段。

装料阶段包括：揭开炉盖11，连通管5水平支管之下左右两竖直支管和排烟管4底端分别穿过炉盖11对应的预留孔，将连通管5水平支管之下左竖直支管底端旋进储氧瓶2竖直管接口，使储氧瓶2竖直管接口和连通管5左竖直支管底端两者之间的连接密封；将待测焦炭研磨成粉末，称取1g～10g焦炭粉置于燃烧瓶3内，旋紧燃烧瓶3瓶盖31，连通管5水平支管之下的右竖直支管底端和燃烧瓶3瓶盖31左竖直管接口卡套连接，使瓶盖31和瓶筒两者之间的连接密封，使瓶盖31左竖直管接口和连通管5水平支管之下的右竖直支管底端两者之间的连接密封；排烟管4底端和燃烧瓶3瓶盖31右竖直管接口卡套连接，使瓶盖31右竖直管接口和排烟管4底端两者之间的连接密封；合上炉盖11；连通管5水平支管之上的左竖直支管顶端和氧气瓶出口管道之间密封连接，右竖直支管顶端和氮气瓶出口之间管道密封连接。

气体清理阶段包括：关闭手动截止阀52，打开手动截止阀51，向储氧瓶2内腔充注氧气，控制氧气瓶和储氧瓶2表压力均达到0.4MPa，然后关闭手动截止阀51；依次打开手动截止阀41和53，向燃烧瓶3内腔充注氮气，直至测氧盒42内烟气氧浓度传感器检测出氧浓度读数为零，表示已排尽燃烧瓶3内原有空气，依次关闭手动截止阀41和53。

加热升温阶段包括：设置电炉1内腔空气温度T₁在700-800℃以上，通电加热使储氧瓶2和燃烧瓶3温度升到T₁；待电炉1温度达到设定值T₁并保持5分钟内不再变化。

焦炭燃烧阶段包括：烟气氧浓度传感器放置在测氧盒42内，并在线实时检测焦炭燃烧烟气氧浓度值；依次打开手动截止阀41和52，储氧瓶2氧气通过连通管5水平支管进入燃烧瓶3内腔；充进的氧气温度高于焦炭自燃点，焦炭开始着火自燃，记录烟气氧浓度随时间变化而变化曲线。记下烟气氧浓度有数据的反应开始时刻和烟气氧浓度无变化的反应结束时刻，两时刻之间时间则是在燃烧温度T₁下焦炭燃烧时间τ₁。

关闭电炉1电源，等待电炉1温度恢复至常温后，将燃烧瓶3取出清洁。第二次测试设置电炉1温度T₂，并满足T₂＝T₁+100℃，保持两次测试焦炭组成及质量、储氧瓶2充气压力和测试操作顺序不变，重复上述测试步骤。烟气氧浓度有数据的反应开始时刻和烟气氧浓度无变化的反应结束时刻之间时间则为在燃烧温度T₂下焦炭燃烧时间τ₂。

根据阿累尼乌斯定律，焦炭燃烧活化能E计算式为：

Lnk＝-E/(RT)+Lnk₀

式中：R为普适气体常数，k为化学反应速度常数，k₀为频率因子。

燃烧温度T₁和T₂下，焦炭燃烧反应可得到一对方程组：

Lnk₁＝-E/(RT₁)+Lnk₀

Lnk₂＝-E/(RT₂)+Lnk₀

T₂＝T₁+100℃，解方程组可得：

E＝83.14T₁(T₁+100)Ln(k₂/k₁)

用烟气氧浓度开始有读数到烟气氧浓度无变化之间的时间τ表示燃烧时间。因为化学反应速度常数k与燃烧温度T有关，T越高则k越大、τ越短，τ₁/τ₂表示燃烧反应速度增加倍数。

焦炭燃烧活化能E计算式整理为：

E＝83.14T₁(T₁+100)Ln(τ₁/τ₂)J/mol

只需设置两个燃烧温度，并保证两次测试条件相同，记录两次燃烧时间即可整理出焦炭燃烧活化能。

本实用新型结构创新、技术特征及带来的技术效果描述如下：

本实用新型具有“储氧瓶2与燃烧瓶3分开”结构特征。相比于传统活化能测定仪将氧气-焦炭放置在同一个燃烧瓶3内加热燃烧，用储氧瓶2与燃烧瓶3将氧气和焦炭分开加热既能够保证氧气和焦炭被加热到相同温度后再混合，又避免氧气与焦炭在加热阶段就发生氧化反应，产生一氧化碳可燃气体，造成测误差等问题，可以提高装置的可操作性和测定结果的准确性。

本实用新型“储氧瓶2与燃烧瓶3分开”结构特征直接导致“氧气加热、焦炭加热和焦炭燃烧等三过程独立调控”技术特征。储氧瓶2与燃烧瓶3分开设置是这三个过程独立调控的前提。储氧瓶2与燃烧瓶3分开实现氧气和焦炭的分开加热。通过连通管5和手动截止阀51、52、53和41开关组合，将储氧瓶2和燃烧瓶3串联，实现氧气和焦炭接触混合。由于氧气和焦炭加热后的温度达到焦炭的燃点，在氧气和焦炭混合后能够实现氧气和焦炭混合物自动着火燃烧，无须额外点火器点燃，简化燃烧瓶3瓶盖31及电炉1炉盖11结构设计。使用本实用新型测定煤炭燃烧活化能，则因煤炭加热干馏现象加大了测定误差。和传统活化能测定相比，本实用新型能避免氧气和焦炭混合物未达到设定温度前发生燃烧氧化反应，产生一氧化碳气体，因反应不完全而影响测试结果准确性等问题。

本实用新型运行时，需要配备一台烟气氧浓度测定仪一起使用。使用烟气氧浓度测定仪时，氧浓度传感器放置在测氧盒42内。

上述结构特征和技术特征带来的综合技术效果是：本实用新型易于操作，计算量小，解决现有的活化能测定装置易受外界环境干扰、测定方法复杂和测定结果误差大等问题，测量精度可比传统活化能测定仪提高10％。

Claims

1.卧式双室焦炭活化能测定仪，主要包括电炉，储氧瓶，燃烧瓶，排烟管和连通管，其特征在于：连通管由钢管加工而成，正立布置且呈H形，连通管水平支管之上的左竖直支管安装手动截止阀，水平支管之上的左竖直支管顶端和氧气瓶出口管道密封连接，水平支管上安装手动截止阀，水平支管之上的右竖直支管安装手动截止阀，水平支管之上右竖直支管顶端和氮气瓶出口管道密封连接，排烟管沿烟气流动方向依次安装手动截止阀和测氧盒，燃烧瓶包括瓶盖，瓶盖和瓶筒之间密封螺纹连接，瓶盖开设左右两个竖直管接口，左竖直管接口和连通管水平支管之下的右竖直支管底端卡套式密封连接，右竖直管接口和排烟管底端卡套式密封连接，储氧瓶开设一个竖直管接口，该管接口和连通管水平支管之下的左竖直支管底端螺纹密封连接，电炉包括炉盖，炉盖设置三个孔，自左向右依次供连通管水平支管之下左竖直支管，连通管水平支管之下右竖直支管和排烟管穿过。