水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试验炉

摘要

水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试验炉，包括风源系统、热风枪、“L”形石英管、炉体加热系统、悬浮炉体温度监控及采集系统；通过风源系统提供压力流速适宜的空气，经过热风枪预热之后从“L”形石英管导入炉体加热系统，使得投入的煤粉在悬浮状态下燃烧，通过悬浮炉体温度监控及采集系统得到煤粉燃烧过程中温度随时间变化数据，绘制煤粉悬浮燃烧温度随时间变化曲线，即可根据曲线评价煤粉的燃烧热特性。本发明对比于一般的煤粉热分析技术，当到达所需的测定温度并达到热平衡时，仅需要10分钟左右即可完成待测样品的测定和计算，快捷方便，精确度高，同时还可以进行连续实验，不必像热重分析一般需要等温度降至室温，可以节约大量的时间。

说明书

技术领域

本发明涉及热分析仪器领域，更具体地说涉及水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试验炉。

背景技术

煤粉燃烧特性是煤燃烧理论研究的重要内容之一，对于水泥工业用煤而言，燃料的燃烧 问题是新型干法生产线运行达标的关键，因此深入研究煤粉的燃烧特性，及时有效地对各种 煤粉进行评估分析，对于优化煤粉燃烧条件，改善水泥生产线的工况，提高水泥生产质量， 降低水泥生产成本，都有着积极的意义。

早期对煤粉颗粒的着火研究主要采用水平管试验法，垂直炉管试验法，现代则发展到诸 如静止颗粒技术、热重分析技术、激光技术等。早期，研究者是利用热天平研究煤粉的燃烧 特性的，但是受到影响的因素较多，且对于不同的热天平实验所得到的燃尽时间是不相同的， 即使同一天平，也会由于煤粉量的多少，加热速度的快慢等不同也会得到不同的结果。同时 由于加热速度太低，与实际炉内工况相差甚。

这些系数都是建立煤粉的静态燃烧的基础上的，虽然可以在一定程度上评价预测煤粉在 水泥工业中的燃烧情况，但其燃烧状态与水泥实际生产中仍然存在很大的差别。且由于水泥 工业生产用煤燃烧条件的特殊性，这些燃烧特性评价方法并不一定适合水泥行业的实际生产 需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合水泥行业的实际生产需要的水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试 验炉。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试验炉，包括风源系统、热风枪、“L”形石英管、炉体加热系 统、悬浮炉体温度监控及采集系统；

所述风源系统包括空气压缩机、第一减压阀、气体稳压罐、第二减压阀以及气体流量计； 所述空气压缩机的出口经过第一减压阀与气体稳压罐的入口连接，气体稳压罐的出口经过第 二减压阀与气体流量计入口连接；

所述热风枪包括陶瓷管、耐高温胶凝材料、气体入口、气体出口、陶瓷柱、支撑架、热 风枪高温电阻丝、热风枪过温保护热电偶以及热风枪保温材料；所述陶瓷管一端通过耐高温 胶凝材料密封固定安装有气体入口，气体入口与气体流量计出口连接；陶瓷管另一端通过耐 高温胶凝材料密封固定安装有气体出口，气体出口与“L”形石英管的下端进气口相连；陶瓷柱 通过支撑架安装在陶瓷管内，陶瓷柱上缠绕安装有热风枪高温电阻丝；热风枪过温保护热电 偶紧贴在陶瓷管外壁面，热风枪过温保护热电偶与on/off温控表连接；热风枪风温控制热电 偶设置在气体出口出，热风枪风温控制热电偶与可控硅温控表连接；热风枪保温材料包裹在 陶瓷管外壁面；

所述炉体加热系统包括悬浮炉体、高温固定砖、悬浮炉密封保温室、煤粉进料管以及烟 气出口；悬浮炉体通过高温固定砖固定在悬浮炉密封保温室中，悬浮炉体下端与“L”形石英管 的上端出气口相连，悬浮炉体顶面密封，煤粉进料管穿过悬浮炉体顶面安装在悬浮炉体内， 煤粉进料管上端伸出悬浮炉密封保温室顶面，煤粉进料管上端入口处设置有密封盖；悬浮炉 体上还设置有烟气出口，烟气出口伸出悬浮炉密封保温室外；悬浮炉体周围均匀设置有加热 管，加热管包括石英玻璃管和炉体高温电阻丝，炉体高温电阻丝缠绕在石英玻璃管上；

所述悬浮炉体温度监控及采集系统包括悬浮炉体监控热电偶、温度控制/采集两用热电 偶、计算机、数据采集卡、可控硅移相温度控制表、可控硅调压器以及电压表；所述温度控 制/采集两用热电偶设置在煤粉进料管下端出口处；温度控制/采集两用热电偶经过数据采集卡 连接至计算机，计算机上安装有数据记录软件，温度控制/采集两用热电偶同时接至可控硅移 相温度控制表；悬浮炉体监控热电偶设置在悬浮炉体壁面上，悬浮炉体监控热电偶经过数据 采集卡连接至计算机；所述可控硅调压器与炉体高温电阻丝并联；所述电压表与炉体高温电 阻丝并联。

所述热风枪保温材料和悬浮炉密封保温室的保温材料为多晶莫来石纤维耐火毯。

所述陶瓷柱通过支撑架安装在陶瓷管的中轴上。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

针对水泥回转窑用煤中煤粉所处的悬浮喷腾状态下的燃烧特性分析，较一般的热重分析 的静态燃烧分析方法更符合水泥用煤中的燃烧状态。煤粉处于悬浮分散状态下，直接进入在 高温状态下悬浮喷腾中燃烧，具有更快的升温速度、热传递效率、燃烧传质速度，从而更符 合水泥用煤中的燃烧状态，且比热重分析的过程更快速、具有更强的区分鉴别能力，能够良 好的反应出煤粉的燃烧过程中温度的变化过程，较之测气相含量变化，更具有参考意义。尤 其适合水泥窑用煤粉的燃烧特性的分析。由于本发明对于升温速度没有要求，对比于一般的 煤粉热分析技术，具有更加快速的分析能力，当到达所需的测定温度并达到热平衡时，仅需 要10分钟左右即可完成待测样品的测定和计算，快捷方便，精确度高，同时还可以进行连续 实验，不必像热重分析一般需要等温度降至室温，可以节约大量的时间。

附图说明

图1是本发明所述的水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试验炉的结构示意图。

图2是本发明所述的热风枪内部结构示意图。

图3是本发明所述的热风枪中的支撑架结构示意图。

图4是本发明所述的炉体加热系统内部结构示意图。

图5是本发明所述的水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试验炉一次试验获得的监测结果。

图中：1.空气压缩机，2.第一减压阀，3.气体稳压罐，4.第二减压阀，5.气体流量计，6. 热风枪保温材料，7.热风枪，8.热风枪过温保护热电偶，9.热风枪风温控制热电偶，10.悬浮炉 密封保温室，11.加热管，12.烟气出口，13.温度控制/采集两用热电偶，14.煤粉进料管，15. 密封盖，16.悬浮炉体，17.“L”形石英管，18.悬浮炉体监控热电偶，19.高温固定砖，20.支撑 架，21.耐高温胶凝材料，22.热风枪高温电阻丝，23.陶瓷柱，24.气体入口，26.陶瓷管，27. 石英玻璃管，28.炉体高温电阻丝，29.气体出口。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

水泥窑用煤粉悬浮燃烧特性试验炉，包括风源系统、热风枪7、“L”形石英管17、炉体加 热系统以及悬浮炉体温度监控及采集系统；

所述风源系统包括空气压缩机1、第一减压阀2、气体稳压罐3、第二减压阀4以及气体 流量计5；所述空气压缩机1的气体出口经过第一减压阀2与气体稳压罐3的入口连接，气 体稳压罐3的出口经过第二减压阀4与气体流量计5入口连接；

所述热风枪7包括陶瓷管26、耐高温胶凝材料21、气体入口24、气体出口29、陶瓷柱 23、支撑架20、热风枪高温电阻丝22、热风枪过温保护热电偶8以及热风枪保温材料6；所 述陶瓷管26一端通过耐高温胶凝材料21密封固定安装有气体入口24，气体入口24与气体 流量计5出口连接；陶瓷管26另一端通过耐高温胶凝材料21密封固定安装有气体出口29， 气体出口29与“L”形石英管17的下端进气口相连；陶瓷柱23通过支撑架20安装在陶瓷管 26内，陶瓷柱23上缠绕安装有热风枪高温电阻丝22；热风枪过温保护热电偶8紧贴在陶瓷 管26外壁面，热风枪过温保护热电偶8与on/off温控表连接；热风枪风温控制热电偶9设置 在气体出口29出，热风枪风温控制热电偶9与可控硅温控表连接；热风枪保温材料6包裹在 陶瓷管26外壁面；

所述炉体加热系统包括悬浮炉体16、高温固定砖19、悬浮炉密封保温室10、煤粉进料 管14、烟气出口12；悬浮炉体16通过高温固定砖19固定在悬浮炉密封保温室10中，悬浮 炉体16下端与“L”形石英管17的上端出气口相连，悬浮炉体16顶面密封，煤粉进料管14穿 过悬浮炉体16顶面安装在悬浮炉体16内，煤粉进料管14上端伸出悬浮炉密封保温室10顶 面，煤粉进料管14上端入口处设置有密封盖；悬浮炉体16上还设置有烟气出口12，烟气出 口12伸出悬浮炉密封保温室10外；悬浮炉体16周围均匀设置有加热管11，加热管11包括 石英玻璃管27和炉体高温电阻丝28，炉体高温电阻丝28缠绕在石英玻璃管27上；

所述悬浮炉体16温度监控及采集系统包括悬浮炉体监控热电偶18、温度控制/采集两用 热电偶13、计算机、数据采集卡、可控硅移相温度控制表、可控硅调压器以及电压表；所述 温度控制/采集两用热电偶13设置在煤粉进料管14下端出口处；温度控制/采集两用热电偶 13经过数据采集卡连接至计算机，计算机上安装有数据记录软件，温度控制/采集两用热电偶 同时接至可控硅移相温度控制表；悬浮炉体监控热电偶18设置在悬浮炉体16壁面上，悬浮 炉体监控热电偶18经过数据采集卡连接至计算机；所述可控硅调压器与炉体高温电阻丝28 并联；所述电压表与炉体高温电阻丝28并联。

所述热风枪保温材料6和悬浮炉密封保温室10的保温材料为多晶莫来石纤维耐火毯。

所述陶瓷柱23通过支撑架20安装在陶瓷管26的中轴上，陶瓷柱23上缠绕安装有热风 枪高温电阻丝22。

工作过程及原理：

1、风源系统

参见图1，实验中空气经过空气压缩机1压缩加压至0.8MPa，再流过减压阀2，由于空 气压缩机的储气罐3的气压降到0.4MPa以下时，将会再次充气直至气压再次达到0.8MPa， 所以为了保证气压和空气流量的稳定，气体经过第一个减压阀2，并将气压降至0.4MPa，同 时充入空气稳压罐3中以保证气压的进一步稳定。而后再通过调节第二个气体减压阀4和气 体流量计5上的阀门，从而达到稳定控制气压和空气流量大小的目的。

将空气的压力和流量调整至煤粉稳定地悬浮在温度控制/采集两用热电偶13附近，既不 会因风量过大而引起煤粉被吹出炉体，也不会因风量过小而无法悬浮。

2、热风枪

参见图2和3，热风枪的陶瓷管26外壁包裹有多晶莫来石纤维耐火毯6，防止热量的散 失。用耐高温胶凝材料21封住陶瓷管26的两端，保证热风枪的气密性。压力和流量稳定适 宜的空气经过气体流量计5从气体入口24进入热风枪7内，经过热风枪高温电阻丝22加热 至所需要的温度，最后从气体出口29排出，并通过“L”形石英管17进入悬浮炉体16内。通 过热风枪对空气进行的预热，减少了悬浮炉体16内因加热方式的缺陷而导致的温度场布置不 均匀现象。

热风枪高温电阻丝22与可控硅温度控制表连接，通过可控硅温度控制表的控制，可将从 气体出口29排出的空气温度稳定地控制在所需要的温度。同时，热风枪的外壁设置有热风枪 过温保护热电偶8，热风枪过温保护热电偶8与on/off型温度控制仪连接，一旦热风枪内的 温度超过900℃，on/off型温度控制仪即会自动断开热风枪的供电，而形成有效的过温度保护。

支撑架将缠绕有热风枪高温电阻丝22的陶瓷柱23安装在陶瓷管在中轴上，提高了热效 率，加强了热风枪内部气热交换，同时避免了高温电阻丝在高温下，因重力挤压而容易烧断 的现象。

3、炉体加热系统和悬浮炉体温度监控及采集系统

参见图4，空气经过热风枪的预热后，由“L”形石英管17导入悬浮炉体16，并经过悬浮 炉体16周围设置的炉体高温电阻丝28的进一步加热，空气温度由温度控制/采集两用热电偶 13所连接的可控硅移相温度控制表控制。

当悬浮炉体16内的空气温度达到试验要求的温度比例带时，可控硅移相温度控制表缓慢 地调整炉体高温电阻丝28的输出电压，使得悬浮炉体16的空气温度达到平衡点，此时由可 控硅移相温度控制表智能控制的电压为一个稳定值，记下所对应的电压值，并断开可控硅移 相温度控制仪电路，最后通过可控硅电压调节器调整炉体高温电阻丝28的输出电压，保证整 个系统在测试过程中处于恒定功率输出，以保证测试过程的准确可信。

悬浮炉体16的温度是否达到平衡状态的确定方法如下：若在15min内悬浮炉体监控热电 偶18监测到的温度不改变且温度控制/采集两用热电偶13监测到的温度变化ΔT<＝1℃，则悬 浮炉体16的温度达到了平衡状态，可以开始进行测试。

参见图5，当悬浮炉体16内的空气温度到达温度平衡状态后，打开计算机和相应的数据 记录软件，待工作稳定后，打开煤粉进料管13的密封盖，同时投入的煤粉，然后快速将密封 盖关闭。当由煤粉燃烧所释放的热量逐渐散热完毕，悬浮炉体16内的空气温度再次进入平衡 状态时，即可保存数据。

通过温度控制和采集两用热电偶13采集煤粉在悬浮状态下燃烧过程中温度随时间变化 数据，绘制煤粉悬浮燃烧温度随时间变化曲线，根据曲线评价煤粉的燃烧热特性。