一种两段式固体燃料分级反应动力学分析设备

摘要

本发明公开了一种两段式固体燃料分级反应动力学分析设备，包括分级反应发生装置、耦连装置、气路装置、炉温控制装置和分析检测装置，该分级反应发生装置包括独立设置的热解反应器和焦炭气固反应器，所述微型气流床与所述微型流化床由带斜度的通管相连，所述固体燃料颗粒在微型气流床中发生热解反应，随后通过耦连装置实现气固分离，残焦被脉冲气流携带进入微型流化床中进行气固反应，所述耦连装置为采用带筛板的旋转截止阀门，通过气相快速过程质谱仪和与其连接的计算机获得气固反应动力学参数。本发明可直接解耦固体燃料热解及焦炭气固反应过程，微型气流床和流化床内温度和气氛均可独立控制，反应装置结构简单、检测结果精确。

说明书

技术领域

本发明属于具有自动控温功能的电加热实验分析仪器领域，更具体地， 涉及一种两段式固体燃料分级反应动力学分析设备。

背景技术

固体燃料的燃烧/气化等一般分为两个阶段：热解阶段和焦炭气固反应 阶段。热解过程的实质是固体燃料中大分子的部分键能较弱的键在高温下 断裂，析出小分子气态产物和焦油等轻质物质，而残留下以碳为主要成分 的稳定大分子，即为焦炭。由于焦炭反应性相对较差，因此焦炭气固反应 是固体燃料颗粒气固反应全过程中最主要的阶段，通常焦炭气固反应时间 约占固体燃料颗粒整体气固反应时间的70％以上。由于热解与焦炭气固反应 (燃烧、气化等)的反应本质及反应速率具有较大差别，为了单独研究各 过程反应特性及其速率的影响因素，需要将固体燃料气固反应过程中的热 解及焦炭气固反应过程分离，此过程称为固体燃料气固反应过程的分级解 耦。

传统的分级解耦方法(参考文献：Yu Jianglong et a.,Progress in  Energy an Combustion Science,2007,Vol.33,pp.135-170)是先在固 定床或滴管炉(沉降炉)中于惰性气氛(一般为氮气气氛)下制焦，然后 采用热重分析仪测量制得焦炭的气固反应动力学参数。但在制取焦炭的过 程中无法避免焦炭先冷却后加热的过程，而该过程可能会改变所制得焦炭 的反应活性，因此该方法测得的动力学参数并不能反映真实气固反应过程 中焦炭的反应活性，检测结果不准确。申请公布号CN103543237A，申请公 布日2014年1月29日的专利文献公开了一种微型双床固体燃烧解耦燃烧 反应动力学分析仪，其采用微型双床实现固体燃烧解耦燃烧，保证焦炭的 原位测试条件，该分析仪采用旋风分离器、旋转截止阀门作为耦连装置， 实现气固分离。但是该分析仪存在以下问题：一方面该耦连装置结构复杂， 造成分析仪体积庞大，增加了操作难度，同时旋风分离器内焦炭容易沉积， 不易吹入流化床内进行燃烧；另一方面分析仪反应器整体容积加大，气体 返混现象加剧，不利于动力学分析测试，测试准确率低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两段式固体 燃料分级反应动力学分析设备，其中结合分析设备自身的特点，相应设计 了用于固体燃料的分级反应动力学分析仪，并对其关键组件如热解反应器、 焦炭气固反应器以及耦连装置的结构及其具体设置方式进行研究和设计， 相应的可有效的缩小反应器体积，简化反应装置，减少动力学测试过程中 气体的返混现象，同时还具备检测精确、焦炭不易沉积等优点，因而尤其 适用于固体燃料的燃烧等场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种两段式固体燃料分级反应动力学 分析设备，其特征在于，包括分级反应发生装置、耦连装置、气路装置、 炉温控制装置和分析检测装置，其中：

该分级反应发生装置包括独立设置的热解反应器和焦炭气固反应器， 所述热解反应器包括第一高温炉本体和设置于该第一高温炉本体内的微型 气流床；所述焦炭气固反应器包括第二高温炉本体和设置于该第二高温炉 本体内的微型流化床；此外，所述微型气流床与所述微型流化床由带斜度 的通管相连；

该耦连装置由所述热解反应器下端的侧面横向插入所述微型气流床的 内部，其包括旋转截止阀门和设于该旋转截止阀门通孔内的筛板，所述筛 板仅用于使气流通过而无法让固体燃料通过，以此确保反应时气流的稳定 以及固体燃料的停留时间；

该气路装置包括第一气源、第二气源、第三气源、初始进料气路、脉 冲进料气路和气固反应进气气路，其中，所述初始进料气路用于连接所述 第一气源与所述微型气流床；所述初始进料气路上设置有第一电磁阀和固 体燃料给料器，该固体燃料给料器与微型气流床的入口相连；所述脉冲进 料气路用于连接所述第二气源与所述微型气流床，并在其气路中设置有压 力表和第二电磁阀；所述气固反应进气气路用于连接所述第三气源和所述 微型流化床；

该炉温控制装置包括第一温度显示控制装置、第二温度显示控制装置 和反应器温度监视装置，所述第一温度显示控制装置与所述第一高温炉本 体相连，所述第二温度显示控制装置与所述第二高温炉本体相连，所述反 应器温度监视装置用于监测所述微型流化床内的实时温度；

该分析检测装置用于获得所述焦炭气固反应的动力学参数，其包括彼 此相连的气相快速过程质谱仪和数据采集分析仪，所述气相快速过程质谱 仪与所述微型流化床相连。

作为进一步优选地，所述旋转截止阀门包括阀杆、阀体和带通孔的阀 芯，所述阀芯设于所述阀杆的端部，所述阀体套装在所述阀芯的外部并与 其紧密配合，所述筛板设置于所述阀芯的通孔内。

作为进一步优选地，所述阀杆上设置有与所述阀体的外周螺纹连接的 螺帽，以防止所述耦连装置漏气。

作为进一步优选地，所述阀体面对所述螺帽的一侧的端面上设置有盘 根，以进一步防止所述耦连装置漏气。

作为进一步优选地，所述反应器温度监视装置包括彼此相连的热电偶 和温度显示装置，所述热电偶插入所述微型流化床的内部，并通过聚四氟 乙烯卡套接头与所述微型流化床相连。

作为进一步优选地，所述初始进料气路和气固反应进气气路上均设置 有气体流量计，以实现气流流量的精确控制。

作为进一步优选地，所述第一电磁阀和第二电磁阀的开关由控制器控 制。

作为进一步优选地，所述微型流化床内部的上端和下端分别设置有上 石英筛板和下石英筛板，通过上述上石英筛板和下石英筛板隔出焦炭气固 反应的气固反应区。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要 具备以下的技术优点：

1.本发明中的固体燃料颗粒先被惰性气体送入微型气流床中发生热解 反应，随后残焦被微量脉冲气带入微型流化床中进行气固反应测试，该两 段式分级反应分析仪可以独立控制热解温度和焦炭气固反应温度并保证两 段反应区气氛互不干扰，在分级解耦固体燃料气固反应过程的同时，精确 测试接近真实反应工况下的焦炭气固反应特性及其动力学参数，直接对固 体燃料热解后的高温焦炭进行动力学分析，实现未经冷却过程的焦炭气固 反应的原位分析测试，确保焦炭的物化结构及其反应活性不受冷却过程等 因素的影响，保证焦炭气固反应的原位测试条件，并最终得到焦炭原位气 固反应动力学参数，检测精度高。

2.本发明采用带筛板(容许气体通过而不让固体颗粒通过)的旋转截止 阀门作为耦连装置实现气固分离，固体燃料经过一定停留时间后将旋转截 止阀门旋转180°，即筛板处在上方，残焦就会在重力的作用下落入气流床 底部，再由微量脉冲气流送入流化床气固反应区，保证仪器内气流场稳定 的条件下实现不同热解停留时间的焦炭的气固反应原位测试，减少动力学 测试过程中气体返混现象，通过带斜度的通管保证固体颗粒顺利进入微型 流化床的气固反应区，防止燃料沉积；使用的微量脉冲给料方法，其脉冲 气流的流量极小(1-2ml)，对后续的气固反应动力学测试的影响可以忽略不 计。

3.本发明适用于所有的固体燃料双阶段反应，包括但不限于燃烧、气化 反应等，燃料颗粒升温速率快，样品颗粒都处于悬浮反应状态，测试工况 更接近大多数工业锅炉或气化炉内的实际气固反应工况，反应装置结构简 单，反应器体积小。

附图说明

图1是两段式固体燃料分级反应动力学分析设备的结构示意图；

图2是耦连装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，本发明的两段式分级反应动力学分析设备包括分级反应 发生装置、耦连装置12、气路装置、炉温控制装置和分析检测装置；

该分级反应发生装置包括独立设置的热解反应器和焦炭气固反应器， 所述热解反应器包括微型气流床11和第一高温炉本体14，所述微型气流床 11置于所述第一高温炉本体14内；所述焦炭气固反应器包括微型流化床 20和第二高温炉本体21，所述微型流化床20置于所述第二高温炉本体21 内；所述微型气流床11与所述微型流化床20由带斜度的通管15相连，带 斜度的通管15能保证固体颗粒顺利进入微型流化床20。

该耦连装置12由所述热解反应器下端的侧面横向插入所述微型气流床 11的内部，其包括耐高温且高气密性的旋转截止阀门及设于所述旋转截止 阀门通孔内的筛板13，该筛板13只让气流通过而截住固体颗粒从而实现气 固分离，然后旋转阀门180°，在脉冲气流携带下可以将固体颗粒吹入微型 流化床中进行燃烧，这样既能保证仪器工作时气流场的稳定又可以实现反 应物的不同热解停留时间。

该气路装置包括第一气源1、第二气源2、第三气源3、用于实现固体 燃料初始进料的初始进料气路、用于实现焦炭脉冲进料的脉冲进料气路、 气固反应进气气路，其中，所述初始进料气路用于连接所述第一气源1与 所述微型气流床11，所述初始进料气路上设置有第一电磁阀8、第一气体 流量计4和固体燃料给料器10，所述固体燃料给料器10与微型气流床11 的入口相连；所述脉冲进料气路用于连接所述第二气源2与所述微型气流 床11，所述脉冲进料气路上设置有压力表6和第二电磁阀9，所述第一电 磁阀8和第二电磁阀9均与控制器5相连，两者的开与关由控制器5控制； 所述气固反应进气气路用于连接所述第三气源3和所述微型流化床20的底 端，所述第三气源3提供焦炭气固反应所需的气体。

在初始进料阶段，固体燃料给料器10开关启动，燃料在第一气源1(其 为气瓶提供的惰性气体氮气/氩气)携带下进入微型气流床11中，此时第一 电磁阀8由可编程逻辑控制器5(Programmable Logic Controller，PLC)控 制处于打开状态，气流流量由第一气体流量计4控制。

在脉冲进料阶段，第二电磁阀9开始处于断开状态，先调节气瓶提供 第二气源的出口压力，当压力表6显示合适的压力值时，通过PLC可编程 逻辑控制器5控制电磁阀9开启一定的时间，例如5ms，这样一股脉冲气 流进入热解反应器，将耦连装置12中热解后的焦炭吹到微型流化床20内 进行气固反应，同时，通过调节脉冲进气压力和时间，可以控制脉冲进气 量，保证微量进气1-2ml，从而不影响后续的气固反应动力学测试。

该炉温控制装置包括第一温度显示控制装置16、第二温度显示控制装 置17和反应器温度监视装置，所述第一温度显示控制装置16与所述第一 高温炉本体14相连，所述第二温度显示控制装置17与所述第二高温炉本 体21相连，所述反应器温度监视装置用于监测所述微型流化床20内的实 时温度；所述第一高温炉本体14和第二高温炉本体21均用硅碳棒加热， 第一、二温度显示控制装置16、17利用电子控制系统调整通过硅碳棒的电 流，从而达到控制第一高温炉本体14和第二高温炉本体21的炉膛温度的 目的。

该分析检测装置包括彼此相连的气相快速过程质谱仪18和数据采集分 析仪19，所述气相快速过程质谱仪18与所述微型流化床20相连，该气相 快速过程质谱仪18具有很高的测试响应频率，可实时监测记录产物气体浓 度信号并将其传输至完成数据采集及分析的计算机(即数据采集分析仪19)， 微型流化床出口气体中关键产物的浓度电信号进入计算机进行分析和处理， 具体的焦炭气固反应动力学参数的求解方法采用更加简便的等温法。

进一步的，所述微型气流床11呈横截面积为200mm²左右、高度为 300～400mm的合金材质制成的罐状形，所述微型流化床20呈横截面积为 300mm²左右、高度为100～200mm的合金材质制成的罐状形。

进一步的，所述旋转截止阀门包括阀杆34、阀体32和带通孔29的阀 芯30，所述阀芯30设于所述阀杆34的端部，所述阀体32套装在所述阀芯 30的外部并与其相互紧密配合，所述筛板13设置于所述阀芯30的通孔29 内，所述阀杆34上设置有与所述阀体32的外周螺纹连接的螺帽28，以防 止所述耦连装置12漏气，所述阀体32面对所螺帽28的一侧的端面上设置 有盘根33，以进一步防止所述耦连装置12漏气。

进一步的，所述反应器温度监视装置包括彼此相连的热电偶24和温度 显示装置25，所述热电偶24插入所述微型流化床20的内部。由于第二温 度显示控制装置17只能检测和反映第二高温炉本体炉膛的温度，并不能反 映焦炭气固反应器中气固反应区的温度，而测定焦炭气固反应动力学参数 对反应区温度测定的准确性要求非常严格，所以非常有必要单独设置一个 热电偶24来实时监测微型流化床20的气固反应区温度。热电偶24与微型 流化床20的连接采用聚四氟乙烯卡套接头23实现，此聚四氟乙烯卡套接 头23能够很好的保证热电偶24与微型流化床20之间连接的气密性。

进一步的，所述气固反应进气气路上设置有第二气体流量计7，以实现 气流流量的精确控制。

进一步的，所述微型流化床20内部的上端和下端分别设置有上石英筛 板22和下石英筛板27，通过上述上石英筛板22和下石英筛板27隔出所述 焦炭气固反应的气固反应区，所述上石英筛板22和下石英筛板27上放置 有石英砂颗粒固体床料26，其平均粒径优选为100～200μm。

本发明所述固体燃料分级反应动力学分析仪的基本操作过程是：

将热电偶24置于装有适量固体床料26(如经过酸洗、干燥等物理化学 过程处理后的不含其它杂质的石英砂颗粒)的微型流化床20内部，并将热 解反应器和焦炭气固反应器分别放入第一、二高温炉本体14、21中固定好， 然后将固体燃料给料器10与微型气流床11的上部连接，连接好反应气供 气管路并将微型流化床20的出口与气相快速过程质谱仪18连接好；确定 耦连装置12的筛板13处于下端，利用第一、第二温度控制装置16、17分 别设定气流床和流化床所需要的温度，按下开始加热按钮升温；用可编程 逻辑控制器5控制电磁阀8使其开启供气并打开气固反应气供给气瓶3，均 匀反应器中的气氛；第一、二高温炉本体14、21升至所需温度后打开固体 燃料给料器10使由第一气源提供的惰性气流携带固体样品进入微型气流床 11热解，由固体燃料给料器10的开关时间来确定每次的给粉量，固体物料 经气流床11中热解后，在气流携带下，落在耦连装置12下部的筛板13上 气体可以通过而固体残焦无法通过，经过合适的热解停留时间后，将耦连 装置12旋转180°的角度，这时筛板13旋转到上面，筛板13上的热解焦 在重力的作用下掉到气流床的底部；关闭第一气源，调整好第二气源2出 口的压力，利用可编程逻辑控制器5控制电磁阀9来控制脉冲气流的大小， 通过脉冲气将热解的残焦吹入微型流化床20的反应腔室中进行反应，在这 个过程中快速过程质谱仪18工作，以实时记录微型流化床20出口气氛的 浓度信号并传输至计算机19，以此获得焦炭原位气固反应动力学参数。

本发明适用于所有的固体燃料双阶段反应，包括但不限于燃烧、气化 反应等，本发明可直接解耦固体燃料热解及焦炭气固反应过程，微型气流 床和流化床反应器内温度和气氛均可独立控制，且互不干扰，残焦没有经 历中间冷却过程，直接进行原位气固反应测试，且燃料颗粒升温速率快， 样品颗粒都处于悬浮反应状态，测试工况更接近大多数工业锅炉或气化炉 内的实际气固反应工况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。