CN211627272U - 一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，包括：称重装置，其包括试样架；热辐射装置，其罩设于试样架的上侧，热辐射装置的热辐射方向朝向试样架，热辐射装置的顶部设有第一烟气出口，热辐射装置与试样架之间设有活动屏蔽层；点火装置，其设于称重装置与热辐射装置之间；环境舱，其顶部设有第二烟气出口，称重装置、热辐射装置、活动屏蔽层与点火装置均设于环境舱内；烟气测量装置，其包括烟气收集罩、排烟管与烟气分析组件，烟气收集罩的一端与第二烟气出口连通，烟气收集罩的另一端与排烟管连通，排烟管上设有若干取样孔，若干取样孔分别与烟气分析组件连接。本实用新型模拟真实的燃烧工况，测试固体燃料的燃烧性能，普适性广。

Description

一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置

技术领域

本实用新型涉及燃烧性能测试装置，特别是涉及一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置。

背景技术

生物质固体燃料产业取得了前所未有的发展，同时也伴随着对其燃烧性能测试方法及设备的完善。目前，固体燃料的性能测试主要集中于元素分析、工业分析、发热量及物理特性指标等，属于产品的基础特性测试试验，无法科学表征该类产品在实际推广应用过程中的质量指标，难以作为评价燃料在真实燃烧环境中的依据，更不能对燃料的燃烧性能与环保特性进行定量分析。另外，当前对固体燃料的节能环保特性监测，仍局限于尾端监测环节，即通过测定燃料燃烧时排放的烟气成分进行分析，不利于该类产品的事前监管和商贸流通。

由于固体燃料在实际的持续性燃烧工况中，涉及到环境、空气、热量等多种因素，这些因素在燃烧过程中是动态变化的，对燃烧行为的影响非常复杂，传统的基础特性测试装置或尾端烟气成分监测所获得的试验数据具有局限性，未能够充分评价固体燃料的节能环保质量。有鉴于此，本领域人员需要结合真实燃烧环境，对燃烧性能的测试装置作出进一步改进。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，包括：称重装置，其包括试样架；热辐射装置，其罩设于所述试样架的上侧，所述热辐射装置的热辐射方向朝向所述试样架，所述热辐射装置的顶部设有第一烟气出口，所述热辐射装置与所述试样架之间设有活动屏蔽层；点火装置，其设于所述称重装置与所述热辐射装置之间；环境舱，其顶部设有第二烟气出口，所述称重装置、所述热辐射装置、所述活动屏蔽层与所述点火装置均设于所述环境舱内；烟气测量装置，其包括烟气收集罩、排烟管与烟气分析组件，所述烟气收集罩的一端与所述第二烟气出口连通，所述烟气收集罩的另一端与所述排烟管连通，所述排烟管上设有若干取样孔，若干所述取样孔分别与所述烟气分析组件连接。

本装置的试样架、热辐射装置及相应的试验程序，可模拟燃料层状燃烧中燃料颗粒相互间的辐射影响，从而模拟真实的燃烧环境，样品的数量代表性及燃烧环境与真实的燃烧工况保持高度一致，呈现实际燃烧环境中的燃烧行为，使得测试结果更准确，活动屏蔽层保护试样架上的样品在测试开始前不受热辐射装置的辐射，当测试开始后，抽离活动屏蔽层即可，称重装置与烟气测量装置可在固体燃料燃烧的全生命周期内实时监测固体燃料的质量变化速率和烟气成分及含量等燃烧过程参数，实现对其燃料质量特性的综合评价，环境舱用于提供燃烧所需的稳态环境，本实用新型整体形成一个小型的燃烧性能测试装置，采用少量的样品，模拟真实的燃烧工况，试验数据具有代表性。

作为上述技术方案的进一步改进，所述热辐射装置包括罩体，所述罩体的顶部与底部均开口，所述罩体顶部的开口为所述第一烟气出口，所述罩体的内侧壁设有若干电加热管，所述活动屏蔽层设于所述罩体与所述试样架之间，电加热管用于提供试样架上的样品一定的辐射照度，使用时，根据需求预设相应对应的温度，开启热辐射装置电源，待电加热管加热到预设的热辐射照度对应的温度后，抽离活动屏蔽层，并使用点火装置对试样架上的样品点火，样品燃烧后的烟气可直接沿第一烟气出口引出。

作为上述技术方案的进一步改进，所述罩体呈上小下大的锥形结构，利于热辐射装置对试样架上的样品辐照均匀，且锥形结构便于烟气紧贴着其弧形曲面引出，拢烟效果更好。

作为上述技术方案的进一步改进，所述排烟管上设有三个取样口，所述烟气分析组件包括傅里叶红外烟气分析仪、温度传感器与烟气密度测量装置，所述傅里叶红外烟气分析仪、所述温度传感器与所述烟气密度测量装置分别与其中一个所述取样口连接，傅里叶红外烟气分析仪可同时分辨多种烟气组分和监测其对应的浓度，温度传感器可监测烟气温度，烟气密度测量装置可监测烟气密度，实现对烟气成分和含量的多维指标的测定。

作为上述技术方案的进一步改进，所述排烟管沿烟气的流通方向分为前段部与后段部，三个所述取样口设于所述排烟管的前段部，所述排烟管的后段部设有引风机与孔板流量计，所述引风机与所述孔板流量计依次沿烟气流通的相同或相反方向设置，孔板流量计用于监测烟气流量，引风机用于及时沿排烟管引出烟气，可避免烟气堵塞在排烟管内引发一系列安全问题，并保证稳定的烟气流速与流量，利于对烟气的各项指标进行监测。

作为上述技术方案的进一步改进，所述排烟管内设有节流孔板，所述节流孔板与三个所述取样口沿烟气的流通方向依次设置，节流孔板可提高气体的混合度。

作为上述技术方案的进一步改进，包括数据采集仪，所述称重装置、所述傅里叶红外烟气分析仪、所述温度传感器、所述烟气密度测量装置与所述孔板流量计均与所述数据采集仪电性连接，数据采集仪可接收烟气组分、烟气温度、烟气浓度、烟气流量、燃烧质量的参数值，并进行实时数据输出。

作为上述技术方案的进一步改进，所述称重装置的底部设有缓冲结构，所述缓冲结构与所述称重装置分体式设置，避免引风机产生的振动对称重装置的影响。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在小型的燃烧测试装置中，模拟真实的燃烧工况，可实时监测固体燃料燃烧性能的各项参数，试验数据完整，客观评价预测固体燃料在真实燃烧环境中的燃烧节能环保质量，普适性广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明；

图1是本实用新型的结构示意图。

附图中：100-称重装置、110-试样架、200-热辐射装置、300-点火装置、400-环境舱、500-烟气测量装置、510-烟气收集罩、520-排烟管、521-孔板流量计、522-节流孔板、530-傅里叶红外烟气分析仪、540-温度传感器、550-烟气密度测量装置、600-引风机、700-数据采集仪。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须包括特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，如果包括“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1，本实用新型的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置作出如下实施例：

称重装置100的上侧设有试样架110，试样架110可为方形敞口盘，试样架110用于放置待检测样品，称重装置100可实时监测样品的质量变化，获得样品的质量变化速率，试样架110的上侧设有热辐射装置200，热辐射装置200包括呈上小下大锥形结构的罩体，罩体的顶部与底壁均开口，锥形结构的罩体便于烟气紧贴着其弧形曲面引出，拢烟效果更好。罩体顶部的开口为第一烟气出口，试样架110上的样品经燃烧后的烟气经第一烟气出口引出，罩体的内侧壁设有若干电加热管，电加热管的热辐照方向朝向试样架110，可模拟已经燃烧的样品对邻近样品产生的辐射影响，从而模拟真实的燃烧环境，在罩体与试样架110之间设有活动屏蔽层，以保护试样架110上的样品在测试开始前不受热辐射装置200的辐射，当测试开始后，抽离活动屏蔽层即可，在称重装置100与热辐射装置200之间设有点火装置300，为了保证燃烧测试的稳态环境，减少外界环境因素的干扰，将称重装置100、热辐射装置200、活动屏蔽层、点火装置300均设于一个稳态的环境舱400中，环境舱400的顶部设有第二烟气出口，烟气测量装置500用于监测烟气含量及成分等燃烧性能参数，烟气测量装置500包括烟气收集罩510、排烟管520与烟气分析组件，烟气收集罩510的一端与环境舱400的第二烟气出口连通，烟气收集罩510的另一端与排烟管520连通，烟气经第一烟气出口、第二烟气出口流通至排烟管520中，排烟管520上设有多个取样孔，用于烟气分析仪器进行取样分析。

具体而言，排烟管520上设有三个取样孔，三个取样孔沿烟气的流通方向依次设置，烟气分析组件包括傅里叶红外烟气分析仪530、温度传感器540与烟气密度测量装置550。其中，傅里叶红外烟气分析仪530可同时分辨多种气体组分，包括但不限于水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氨、氟化氢、溴化氢、一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮、甲烷、乙烯、乙烷、丙烷、正已烷、氰化氢、甲醛、丙酮、苯、丙烯醛、苯酚、丙烯酸；光谱分辨率：优于0.5cm-1；温度传感器540可由热电偶或热电阻进行测量，用于监测烟气温度；烟气密度测量装置550由氦-氖激光发生器、参比检测器、硅光敏电二极管和其他电子元件组成。傅里叶红外烟气分析仪530、温度传感器540与烟气密度测量装置550分别与其中一个取样口连接，实现对烟气成分和含量的多维指标的测定。

在一些实施例中，排烟管520沿烟气的流通方向分为前段部与后段部，三个取样口均设于排烟管520的前段部，在排烟管520的后段部设有引风机600和孔板流量计522，孔板流量计522使用两个压力传感器探头测量孔板前后的压力差来估计烟气流量，该孔板也可控制排烟管520的烟气出口处的烟气流量，引风机600设于孔板流量计522与排烟管520的前段部之间，引风机600用于及时沿排烟管520引出烟气，可避免烟气堵塞在排烟管520内引发一系列安全问题，利于对烟气的各项指标进行监测。

考虑到数据采集，将称重装置100、傅里叶红外烟气分析仪530、温度传感器540、烟气密度测量装置550与孔板流量计522均与数据采集仪700电性连接，数据采集仪700可接收烟气组分、烟气温度、烟气浓度、烟气流量、燃烧质量的参数值，并进行数据输出。

在一些实施例中，排烟管520内设有节流孔板521，节流孔板521设置于排烟管520的烟气进口处，即烟气经节流孔板521流通至排烟管520道中，节流孔板521可控制排烟管520烟气进口处的烟气流量，且可提高气体的混合度。

考虑到引风机600工作时会产生振动，在称重装置100的底部设置缓冲结构，缓冲结构与称重装置100为分体式设置，称重装置100即为常见的测试用称重计，分体式设置便于两者之间的组装，同时，缓冲结构可避免引风机600对称重装置100的准确度影响。

本实用新型的具体工作步骤为：

(1)制备样品，样品整体尺寸为mm×mm的正方形，厚度不大于50mm，试样底部及侧面通过单层铝箔包裹。

(2)称重，先用外部天平称取样品，再放置于已去皮的称重装置100上，并于数据采集系统输入样品质量。

(3)点火，根据需求设置热辐射照度对应的温度，开启热辐射装置电源，待电加热管加热到预设热辐射照度所对应的温度后，移去隔热层，并快速插入点火装置。

(4)开始测试，记录引燃时间和火焰熄灭时间，当火焰熄灭2mi n或试样质量变成恒定值时，结束采集数据。数据采集，采集数据的时间间隔为2s，测试完成后，待试样架完全冷却到室温后，清理干净。

(5)结果计算。

基于本实用新型的固体燃料的燃烧质量特性测试装置的评价方法，傅里叶红外烟气分析仪530用于获取烟气中氧气的浓度，温度传感器540用于获取烟气的温度，孔板流量计522用于获取孔板前后烟气流量引起的压力差，根据所测得的燃烧性能参数得到产热速率的计算公式为：

其中，ΔP表示烟气流量的压力差，T_e表示烟气的温度，Xo₂(t)为烟气中氧气的浓度，t为燃烧时间。

基于产热总量为产热速率在规定时间内的积分值，可得出产热总量THR的计算公式为：

其中，n为采集次数，q_i为产热速率。

另外，质量变化速率M_q、烟雾产量TSR与烟气生成量N_a可根据如下公式计算得出，具体为：

其中，M₀为试样的初始质量，M_f为试样的最终质量，t_f为试样被引燃至火焰熄灭的时间，t₀为测试开始时间；

其中，V_i为烟道中气体的体积流量，X_H2O为烟气中水蒸气的浓度，Xco₂烟气中二氧化碳的浓度，L为被测烟道的光学长度，T和T₀分别为实测光透过率和无烟时的光透过率；

其中，X_a为气体体积浓度，M_a为气体的摩尔质量，s为采样时间间隔。

可以理解的是，质量变化速率M_q可反映燃料在特定燃烧环境下的热裂解速度，质量变化曲线用于分析不同时刻的残余物质量。另外，由于烟雾对燃烧反应有抑制作用，烟雾产量TSR越大，燃料燃烧反应越不充分。

本实用新型可模拟真实的燃烧环境，有区别于微型试验装置，样品的数量代表性及实际燃烧环境与真实燃烧环境保持高度一致，可呈现固体燃料在实际燃烧工况中的动态燃烧行为，通过复杂的烟气测量组件系统，可获取固体燃料的产热速率、产热总量、质量变化速率、烟雾产量与烟气生成量等参数，以获得多维指标的同步测定与评价，对燃料的燃烧行为逐项进行分析评价，并采用层次分析法原理对燃料的质量特性进行综合评价。

以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：包括：

称重装置(100)，其包括试样架(110)；

热辐射装置(200)，其罩设于所述试样架(110)的上侧，所述热辐射装置(200)的热辐射方向朝向所述试样架(110)，所述热辐射装置(200)的顶部设有第一烟气出口，所述热辐射装置(200)与所述试样架(110)之间设有活动屏蔽层；

点火装置(300)，其设于所述称重装置(100)与所述热辐射装置(200)之间；

环境舱(400)，其顶部设有第二烟气出口，所述称重装置(100)、所述热辐射装置(200)、所述活动屏蔽层与所述点火装置(300)均设于所述环境舱(400)内；

烟气测量装置(500)，其包括烟气收集罩(510)、排烟管(520)与烟气分析组件，所述烟气收集罩(510)的一端与所述第二烟气出口连通，所述烟气收集罩(510)的另一端与所述排烟管(520)连通，所述排烟管(520)上设有若干取样孔，若干所述取样孔分别与所述烟气分析组件连接。

2.根据权利要求1所述的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：所述热辐射装置(200)包括罩体，所述罩体的顶部与底部均开口，所述罩体顶部的开口为所述第一烟气出口，所述罩体的内侧壁设有若干电加热管，所述活动屏蔽层设于所述罩体与所述试样架(110)之间。

3.根据权利要求2所述的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：所述罩体呈上小下大的锥形结构。

4.根据权利要求1所述的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：所述排烟管(520)上设有三个取样口，所述烟气分析组件包括傅里叶红外烟气分析仪(530)、温度传感器(540)与烟气密度测量装置(550)，所述傅里叶红外烟气分析仪(530)、所述温度传感器(540)与所述烟气密度测量装置(550)分别与其中一个所述取样口连接。

5.根据权利要求4所述的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：所述排烟管(520)沿烟气的流通方向分为前段部与后段部，三个所述取样口设于所述排烟管(520)的前段部，所述排烟管(520)的后段部设有引风机(600)与孔板流量计(521)，所述引风机(600)与所述孔板流量计(521)依次沿烟气流通的相同或相反方向设置。

6.根据权利要求4所述的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：所述排烟管(520)内设有节流孔板(522)，所述节流孔板(522)与三个所述取样口沿烟气的流通方向依次设置。

7.根据权利要求5所述的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：包括数据采集仪(700)，所述称重装置(100)、所述傅里叶红外烟气分析仪(530)、所述温度传感器(540)、所述烟气密度测量装置(550)与所述孔板流量计(521)均与所述数据采集仪(700)电性连接。

8.根据权利要求2所述的一种固体燃料的燃烧质量特性测试装置，其特征在于：所述称重装置(100)的底部设有缓冲结构，所述缓冲结构与所述称重装置(100)分体式设置。

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