一种全自动煤、焦炭对二氧化碳化学反应的测定方法

摘要

本发明涉及一种全自动煤、焦炭对二氧化碳化学反应的测定方法，测定装置包括控制仪、反应炉、气体净化系统、红外气体分析仪、气源装置，所述的控制仪与反应炉相连接，用来实现对反应炉炉温的自动控制；所述的控制仪与气源装置与气体净化系统相连接，用来实现对二氧化碳气体的流量检测及流量控制、及反应前、后的气体切换及开关控制。优点是采用全自动控制方式测量，测得的实验数据准确度高，节省了大量人力，工作效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种将煤干馏后的试样与二氧化碳进行高温化学反应试验的测定方法，该 方法测定的性能参数完全满足国标并优于国标，测定结果准确度极高，方法科学。

背景技术

国标《煤对二氧化碳化学反应性的测定方法》(以下简称：GB)中规定的工艺原理为： 先将煤样干馏，除去挥发物(如试样为焦炭则不需要干馏处理)。然后将其筛分并选取一定 粒度的焦渣装入反应管中加热。加热到一定温度后，以定流量CO₂通入与试样进行反应。 测定反应后气体中CO₂的含量，以被还原成一氧化碳的CO₂量占通入的CO₂量的百分数，即 CO₂还原率a(％)，作为煤或焦炭对二氧化碳化学反应性的指标。

基于上述工艺原理，截止目前国内采用的煤的活性测定仪组成一般包括如下几个部分 见图2，二氧化碳供气瓶1、储气筒2、洗气瓶3、气体干燥塔4、气体流量计5、反应炉6、 反应管7、奥氏气体分析器8、热电偶9、温度控制器10。一直以来煤的活性测定仪类产 品对于以上这几个关键环节采用的解决措施均不够理想，从而对试验结果的真实可靠性、 准确性产生严重影响。市场上目前所能提供的测定仪产品在实际应用中若严格按GB规定 的误差范围来评定则几乎无法实现。这也就是说该类测定仪产品只能用于一般性试验性测 定，得到的数据仅能是一个参考性质或一种数据趋势的表征。导致如此情况主因来自两个 方面：

1、测定仪设备本身的测定精度难以保证；2、测定工作人员工作量及操控难度过大。

针对测定仪设备本身的测定精度取决于如下一些环节：

1、CO₂气体流量检测与控制；

2、对CO₂气体在处理试验结果时要进行温度及大气压力补偿的辅助工作；

3、对反应后气体进行成份分析部分。

下面分别阐述如上三个环节存在的问题：

第一、CO₂气体流量检测与控制：

目前CO₂气体流量均采用玻璃浮子或转子流量计进行检测，流量的大小由操作人员通过 流量计附带的调节阀或辅助独立的阀门进行调节，这种检测及流量控制方式的准确度完全 取决于人的主观因素，根本无法准确的对CO₂气体流量进行控制。同时玻璃浮子或转子流 量计因为制造及结构因素本身精度在500mL级的流量下仅为4％精度，虽GB中并没有明确 要求控制精度(基于当时条件下无法对微小气体流量进行高精度检测与控制)，但从最终 计算结果中不难发现对气体流量精度计算对结果仍难以避免存在偏差。

第二、对CO₂气体在处理试验结果时要进行温度及大气压力补偿的辅助工作：

由于采用的玻璃浮子或转子流量检测方法属于体积式流量计量，由于测量原理本身特 性，气体流量必然受到大气压力和温度的影响，导致气体计量准确度下降，所以必须要进 行试验过程中的大气压力和温度影响的补偿计算。在这种补偿计算中，大气压力变化相对 变化率小，而室温的变化率有时会很高，GB虽然给出了需补偿的温度范围，但这已经对测 定结果造成较大影响，要求较高的实验室，基本均要按当时环境温度进行偏差计算以便求 得更为准确的最终结果。同时这个辅助工作势必要进行必要的大气压力测定及环境温度的 检测给本来就很繁琐的测定过程增加了额外工作量.而补偿产生的误差再折算到试验数据 结果中将导致最终试验数据出现偏差也就在所难免。

第三、对反应后气体进行成份分析部分：

对反应后气体成份的分析是该类测定仪最为核心的也是最为重要的部分，更是全部测 定工作中最繁琐、最让操作人员忙碌不停的工作内容。

目前该类测定仪几乎全部采用的是奥氏气体分析法对CO₂进行分析，奥氏气体分析是基 于化学反应原理的传统仪器，其共知缺点如下：

1)该方法是手动分析仪，操作较烦琐，精度低、响应速度慢，不能实现在线分析，适 应不了生产发展的需要；

2)梳形管容积对分析结果有影响；

3)奥氏仪进行动火分析测定时间长，场所存在一定局限性，而且还必须注意化学反应 的完全程度，否则读数不准误导生产；

4)焦性食子酸的碱性液在15～20℃时吸氧效能最好，吸收效果随温度下降而减弱，0 ℃时几乎完全丧失吸收能力，故吸收液液温不得低于15℃。

5)虽一次购置成本低但长期运行成本高，除去分析人员的成本，仅每年买试剂和玻璃 器皿至少要1万多元，而且必须对气体进行人工取样，在实验室进行分析，其中分析人员 的操作技能和“态度”对分析的精确度有很大影响。

上述缺点我们不难发现奥氏气体分析法已经很难满足生产需要，特别很难满足科研院 所等需要更为准确测定结果的需求。

针对测定工作人员工作量及操控难度过大的原因主要是当前该类测定仪装备水平过低 导致，这些环节突出存在的主要问题是：

1、测定仪反应管采用橡胶塞方式进行两端的密封，应用中时常发生松动泄漏；

2、每次试样装填和热电偶插拔均是要求小心谨慎，工作效率低下过程繁琐；

3、按GB要求，反应时要进行时间监测与计时、开CO₂通入气体、流量的监测并要控制、 抽气、清洗、关闭CO₂气、试剂分析、数据记录等一系列的重复性操作，而这些操作每次 基本要在2.5min内全部完成，过程繁琐程度可想而知。这就要求操作人员不能有任何差 错，否则所进行的试验即算报废。另外，一般该试验测定工作短则需1小时，长则要近2 小时，并且操作人员几乎一直保持在“忙碌”的过程中，我们不难得知在这个测定过程中 对操作人员无论操作手法及工作负责的态度上均要求极高，同时操作人员的劳动强度也非 常大。

综上所述，摒弃传统的人工操作方式，获得更精确的实验数据，采用更为科学的测量 手段势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种全自动煤、焦炭对二氧化碳化学反应的测定方法，该方法采 用全自动控制方式测量，测得的实验数据准确度高，节省了大量人力，工作效率高。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种全自动煤、焦炭对二氧化碳化学反应的测定方法，该方法包括以下步骤：

1)由CO₂气源装置经管路输出的CO₂气体经初步净化处理后进入控制仪内的管路内， CO₂气体在控制仪内完成流量的检测与控制，当控制仪内的气源电磁阀打开后CO₂气体经连 接管路输入至反应炉；

2)在反应炉内经高温加热的试样与CO₂气体进行反应，反应温度由控制仪控制；

3)反应后的气体经过连接管路输入至气体净化系统中进行净化处理，净化后气体经 连接管路输入至红外气体分析仪；

4)由红外气体分析仪对反应后的气体成分进行实时分析，分析完成后的气体由气体 净化系统旁路到排放管排放掉；

5)红外气体分析仪分析后的气体成分数值通过控制仪控制上传到远程计算机。

实现所述全自动煤、焦炭对二氧化碳化学反应的测定装置，包括控制仪、反应炉、气 体净化系统、红外气体分析仪、气源装置，所述的控制仪分别与气源装置、气体净化系统 相连接，用来实现对反应前、反应后二氧化碳气体的流量检测及流量控制、及反应前、后 的气体切换及开关控制；所述的控制仪与反应炉相连接，用来实现对反应炉炉温的自动控 制及通过连接管路对气体的输送；

所述的反应炉与气体净化系统相连接，用来完成对试样的高温加热，采用电制热原理， 通过控制仪对电流、电压调节使反应炉炉温设定为目标温度数值；

所述的气体净化系统分别与反应炉及红外气体分析仪、气源装置相连接，用来实现对 反应前、反应后的气体的干燥、净化。

所述的控制仪采用热式气体质量流量控制器实现气体流量的检测与控制，可实现微小 气体流量的控制与检测。

所述的反应炉内部采用耐高温陶瓷材料作为隔热保温层，反应炉炉体可通过控制系统 实现自动翻转或复位、或者手动调节翻转或复位。

所述的红外气体分析仪可实现高精度分析与计量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用热式气体质量流量控制器进行控制，气体流量计量准确度高，同时因为这种 流量测定原理与浮子类定容式流量检测完全不同，故无需对环境大气压力及温度进行二次 补偿。而且由于流量控制器本身具有自动流量调节控制阀，所以针对微小气体流量控制极 为灵敏准确。在气源侧的气体压力满足其工作条件状态下，无论气源侧压力如何变化，均 能自动进行对输出气体流量的稳定控制。

2)反应后气体中CO₂气体成分通过红外气体分析仪进行在线实时分析，可实现自动控 制。红外气体分析仪精度高，响应快速，可实时将分析数值显示。

3)反应炉炉体通过控制系统可自动进行控制或手动控制。当试验自动完成后，炉体 由控制系统自动控制翻转为出样状态，无需操作人员干预。同时炉体电动部分还具有机械 式操作机构，以便在遇特殊情况下，可以手动直接使炉体自由翻转或复位。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是现有技术中装置的连接图。

具体实施方式

见图1，全自动煤、焦炭对二氧化碳化学反应的测定装置，包括控制仪A1、反应炉A2、 气体净化系统A3、红外气体分析仪A4、计算机与控制软件A5、气源装置A6。

控制仪A1分别与反应炉A2、气源装置A6、及气体净化系统A3相连接，控制仪的功 能包括：1)实现对反应炉A2炉温的自动控制；2)实现对反应前、后的二氧化碳气体的 流量检测及流量控制、及反应前、后的气体切换及开关控制。控制仪A1也可由嵌入式PC 机构成，这样控制软件A5可安装在嵌入式PC机中，使得系统更加简化便捷。

反应炉A2分别与控制仪A1、气体净化系统A3相连接，用来完成对试样的高温加热， 采用电制热原理，通过控制仪A1对电流、电压调节使反应炉炉温设定为预期的目标温度 数值。

气体净化系统A3分别与控制仪A1、反应炉A2及红外气体分析仪A4、气源装置A6相 连接，用来实现对反应前、反应后的气体进行干燥、净化。

计算机与控制软件A5负责全系统的管理、综合控制、数据处理等任务。

全自动煤、焦炭对二氧化碳化学反应的测定方法，步骤如下：

1)由CO₂气源装置A6经管路1输出的CO₂气体首先进入控制仪A1内的管路内，CO₂气 体在控制仪A1内完成流量的检测与控制，当控制仪A1内的气源电磁阀打开后CO₂气体经 连接管路3输入至反应炉A2；

2)在反应炉A2内经高温加热的试样与CO₂气体进行反应，反应温度由控制仪A1控制；

3)反应后的气体经过连接管路4输入至气体净化系统A3中进行净化处理，净化后气 体经连接管路5输入至红外气体分析仪A4；净化后气体经连接管路2与控制仪A1内管路 相连通，经控制仪A1检测气体流量；

4)由红外气体分析仪A4对反应后的气体成分进行实时分析，分析完成后的气体由气 体净化系统A3旁路6到排放管7排放掉；

5)红外气体分析仪A4分析后的气体成分数值通过控制仪A1控制上传到远程计算机。

控制仪A1通过电气线路8对反应炉A2的温度进行检测和控制，计算机与控制软件A5 通过通讯总线9负责全系统的综合管理、控制并做最终数据处理等。

本发明的关键技术部分：

1、针对CO₂气体流量检测及控制；

采用热式气体质量流量控制器进行控制，选用热式气体质量流量控制的最大优势是流 量计量准确度高，同时因为这种流量测定原理与浮子类定容式流量检测完全不同，故无需 对环境大气压力及温度进行二次补偿，这给本测定仪实现全自动工作模式提供了有利条 件。由于流量控制器本身具有自动流量调节控制阀，所以针对微小气体流量控制极为灵敏 准确。在气源侧的气体压力满足其工作条件状态下，无论气源侧压力如何变化，均能自动 进行对输出气体流量的稳定控制，这使得气体回路中无需其他缓冲稳压设施。同时气体质 量流量控制器具有快速响应的能力，使得系统在通入气体初期非稳态时间很短，这大大提 高了系统测定期间的稳定性能。另外，将气体质量流量控制器的输入输出气体流量进行数 字化变换后可由计算机对其进行统一管理和控制。在计算机通过控制软件上可操作设置流 量大小，并实时显示当前流量，可以绘制流量曲线并进行记录。

2、反应后气体成分分析：

对于反应后气体中CO₂气体成分通过红外气体分析仪进行在线实时分析，采用红外式气 体分析仪是本发明的关键技术环节，采用该装置可实现自动控制。红外气体分析仪精度高， 响应快速，可实时将分析数值显示，同时配置数字化控制将分析仪的数值上传到计算机由 计算机控制软件进行CO₂气体浓度的显示、曲线绘制并记录等。根据需要也可以选择用CO 气体红外分析仪，直接对反应后中的CO进行在线分析。

3、反应炉

炉体采用不锈钢板外壳结构，具有一定耐腐蚀特性。炉体内部采用耐高温陶瓷纤维作 为绝热保温层。为使操作人员装样和卸样的操作方便，炉体采用电动控制。通过控制系统 可自动进行控制或手动控制。当试验自动完成后，炉体由控制系统自动控制翻转为出样状 态，无需操作人员干预。同时炉体电动部分还具有机械式操作机构，以便在遇特殊情况下， 可以手动直接使炉体自由翻转或复位。