消除燃煤污染物排放的两段分离式试验系统

摘要

本发明涉及消除燃煤污染物排放的两段分离式试验系统。本发明反应器连通插入炉体，热解反应器插入热解炉中，炉体支架连接热解炉，配气钢连通质量流量计，连通混气罐，连通给粉机，连通热解炉，连通热解炉固体颗粒收集器，再连通燃烧试验装置，经检测口连接过滤器，连接烟气分析仪，再连接计算机。本发明克服了马弗炉、一维水平管式炉、一维沉降炉等试验装置存在的各种缺陷。本发明通过结合两个反应子系统，探索煤粉/焦燃烧过程中氮和硫元素的转化机理，组合了不同作用的试验炉，分析挥发分/N2/O2、挥发分/CO2/O2燃烧、挥发分/煤焦燃烧、挥发分/煤粉、挥发分/碳粉等实验过程中的影响因素(温度、煤种、粒径、气氛等)，减少污染物排放。

说明书

技术领域

本发明涉及煤粉、生物质燃烧试验研究方面，特别涉及消除燃煤污染物排放的两段分离式试验系统。

背景技术

煤炭在燃烧过程中排放的大量NOx、SOx和其它污染气体使环境问题变得日益突出，煤燃烧污染物排放研究热点主要集中在氮和硫元素的迁移机理上，实验研究能够给实际燃煤工业锅炉降低氮、硫的排放提供重要理论依据，因此，用于实验室研究燃煤的燃烧试验系统显得尤其重要。

在本发明作出之前，现有的马弗炉、一维水平管式炉、一维沉降炉等试验装置的开发，可为实验室研究煤粉的热解、燃烧提供良好的试验方法，此类试验系统已在煤粉热解和燃烧机理研究中得到大量应用，但其单独使用仅能进行一些热解或是简单的燃烧实验，很难对煤粉燃烧过程中挥发分/煤焦的交互机理进行研究。使用这些试验系统进行研究手段单一，难以深入研究煤中某些重要元素(如氮和硫)的转化机理，尤其是一些复杂的转化机理如煤中燃料氮的转化，包括它们以气体形式释放到烟气中发生的均相反应和留在煤焦表面发生的异相反应等，在传统实验系统中难以得到较为全面的转化机理研究，煤中的燃料氮和硫在燃烧进程中的反应情况也难以探索。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制研究燃煤污染物排放规律的两段分离式试验系统。

本发明的技术方案是：

消除燃煤污染物排放的两段分离式试验系统，其主要技术特征在于反应器的主管插入炉体中，主管上的支架在炉体上，热解反应器插入热解炉中，其支架在热解炉上，炉体支架连接热解炉，配气钢连通质量流量计，质量流量计连通混气罐，混气罐连通给粉机，给粉机连通热解炉，热解炉出口连通热解炉固体颗粒收 集器，再连通燃烧试验装置，燃烧试验装置经检测口连接过滤器，过滤器连接烟气分析仪，烟气分析仪连接计算机。

所述燃烧试验装置连接燃烧炉固体颗粒收集器。

所述燃烧炉固体颗粒收集器连接烟气处理装置。

本发明的优点和效果在于能有效研究煤中污染物排放特性，促进燃煤节能减排的研究，通过结合两个反应子系统，能够研究煤粉燃烧过程中挥发分与煤粉/焦之间的交互机理，从而深入探索煤粉/焦燃烧过程中氮和硫元素的转化机理，为开发新的低NOx、SOx燃烧技术提供理论依据。其技术突破在于较好的组合了不同作用的试验炉，煤粉的热解、燃烧以及挥发分和煤焦的燃烧能够在本发明的系统上独立进行，又可以挥发分/煤焦分离后同时进行交互作用，再者反应器多支管携带流石英玻璃管，可以研究沿主管方向的燃烧进程中煤粉/焦等的沿程特性。本发明开展试验研究，以获得更为深入和全面的煤中重要元素转化机理，分析挥发分/N₂/O₂、挥发分/CO₂/O₂燃烧、挥发分/煤焦燃烧、挥发分/煤粉、挥发分/碳粉等实验过程中的影响因素(温度、煤种、粒径、气氛等)，探讨何种因素能够影响实验过程中NOx、SOx的排放，并分析其转化机理，探索出NOx、SOx排放最少的影响因素，和实际燃煤工业应用作对比，减少实际工业应用情况下的污染物排放。

本发明的其它具体效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——本发明燃烧试验装置示意图。

图2——本发明管式热解炉结构示意图。

图3——本发明结构原理示意图。

各标号表示对应的部件名称如下：

反应器1、炉体2、热解反应器3、管式热解炉4、炉体支架5、配气钢瓶6、质量流量器7、混气罐8、给粉机9、热解炉10、热解炉固体颗粒收集器11、微量给粉机12、燃烧试验装置13、过滤器14、烟气分析仪15、计算机16、燃烧炉固体颗粒收集器17、烟气处理装置18。

简要说明各主要部件：

(多支管携带流石英玻璃管)反应器1，由一根内径为30～100mm的主管和4～10根沿主管轴向分布并与其相通的内径～8mm支管组成。主管上端设有用于固定的支架。主管作为燃烧反应空间而支管作为检测口或进气口，各检测口间距一定的距离(100～350mm)，反应器恒温段总长＞1500mm。该反应器的设计使用石英玻璃材质，能耐1400K以上高温。反应器中内壁容易积灰，支管和主管相连接处使用内径为15mm连接管过渡，以防止煤/灰等堵塞支管，同时也便于清洗连接处。这一系列沿轴向排列的支管既能作为二次风配风口使用，又能检测燃烧中的沿程烟气特性。

炉体2属于可开启式电炉炉体，采用左右两半对称剖分式设计，两半炉体的加热元件相互独立，炉体2能够方便的打开以装卸燃烧反应器，开合处敷设耐火保温材料以减少散热。炉体2整体上分为上、中、下三个独立的温控加热段，恒温段＞1500mm，能够让反应物在炉体2内停留较长时间，反应充分。加热元件可采用硅碳棒或耐热电阻丝，炉体2内最高温度＞1573K。

热解反应器3，使用石英玻璃材质，安装于热解炉内，石英玻璃管上部设有用于固定的支架。

热解炉4，采用一体式设计，总长1200mm，最高温度可＜1400K。

炉体支架5，该支架通过炉体中部的支架轴支撑起整个炉体，支架轴有可紧固/放松的大螺栓，炉体可围绕支架轴心转动，让炉体可水平、竖直或是要求的倾斜角度。

两个主要的试验子系统设计好后，有效的连接甚是重要。图3为两段分离式燃烧试验系统图，现对各装置连接组成和用途作出如下说明：

配气钢瓶6，用于实验用高纯气体的储存和给气，配有安全阀门。

质量流量器7，用于计量和控制给气量，由于实验工况配气精度要求高，需使用高精度的质量流量计。

混气罐8，使多种配气的气体充分混合，均匀进入反应器。

给粉机9，又称浸没式微量细粉给粉机，用于实验用样品微量给粉，给粉持续、稳定、精确度高，给粉量符合实验要求。

热解炉10，其设计可参考上文，用于煤粉热解，可制作煤焦和热解气。

热解炉固体颗粒收集器11，采用优质不锈钢材料制作成的筒体，用于热解 后固体残留物如煤灰、煤焦的收集。

微量给粉机12，用于实验用样品微量给粉，给粉持续、稳定、精确度高，给粉量符合实验要求。

燃烧试验装置13，即立式可开启携带流燃烧试验装置，其设计可参考上文，用于煤粉/焦的燃烧实验，设有4～10个检测口，用于检测煤粉/焦燃烧进程中的烟气特性。

过滤器14，用于过滤烟气中的携带的粉尘和水汽，防止污染、堵塞检测仪器。

烟气分析仪15，检测抽出的气体成分和含量，并存储数据。

计算机16，整理烟气分析仪存储的数据，并进行数据分析。

燃烧炉固体颗粒收集器17，采用优质不锈钢材料制作成的筒体，用于燃烧后固体残留物如煤灰、煤焦的收集。

烟气处理装置18，用于过滤烟气中携带的粉尘和吸收有毒有害的尾气，以防止污染环境。

具体实施方式

本发明的技术思路是：

本发明旨在突破传统的管式燃烧试验系统，通过组合两种燃烧试验系统以及改进燃烧反应器，可以对挥发分和煤焦的解耦/耦合燃烧对比，揭示煤粉/焦燃烧过程中氮和硫元素均相/非均相转化过程和排放规律，旨在解决传统燃烧试验系统煤中重要元素转化机理研究的局限性，开发新型的燃烧试验系统，以获得更为深入和全面的煤中重要元素转化机理，为实际燃煤锅炉降低氮、硫等污染排放提供重要理论和依据。

下面具体说明本发明。

如图1、图2和图3所示：

本发明两段分离式试验系统两段的组成说明，第一段试验系统构成为配气钢瓶6，质量流量器7，混气罐8，给粉机9，热解炉10，热解炉固体颗粒收集器11，燃烧炉固体颗粒收集器17，烟气处理装置18，过滤器14，烟气分析仪15，计算机16。第二段试验系统构成为配气钢瓶6，质量流量器7，混气罐8，微量给粉机12，燃烧试验装置13，燃烧炉固体颗粒收集器17，烟气处理装置18， 滤器14，烟气分析仪15，计算机16。

本发明主要由两个试验子系统以及改进的燃烧反应器组成。其中，立式可开启携带流燃烧试验子系统主要由可开启式电炉炉体2和多支管携带流石英玻璃管反应器1组成，炉体2能够方便快捷的更换反应器1，同时加热段和保温段较长，加热保温性能好，可提供足够的反应时间。反应器1设计为多支管携带流石英玻璃管反应器，石英玻璃材质耐高温性能好，易加工，且具有良好的反应惰性，不与煤粉及其生成物发生反应。该反应器由一根内径为30～100mm的主管和4～10根沿主管轴向分布并与其相通的支管组成，能够检测煤粉燃烧进程中的烟气沿程排放特性。另一试验子系统为热解炉10，在炉体中间设计了炉体支架5，可让炉体水平或竖直固定，能够模拟静态和动态煤粉的热解状况；在炉体竖直状态，可以方便和快速大量制取煤焦和热解气。该炉体的热解反应器3使用石英玻璃材质。将热解反应器3下部出口与反应器1上部入口相连接，使在热解炉10中制取的煤粉热解气(煤的挥发分)通入反应器1中，通过在反应器1样品和气氛的配置，可实现挥发分与不同气氛和固体组分的解耦/耦合燃烧，例如纯挥发分燃烧、挥发分/N₂/O₂、挥发分/CO₂/O₂燃烧、挥发分/煤焦燃烧、挥发分/煤粉、挥发分/碳粉等实验过程，可有效探索煤粉/焦燃烧排放氮和硫元素的排放规律，尤其是可突出均相-异相反应之间的交互作用。

反应器1主管插入炉体2中，其主管上的支架放置于炉体2上端。热解反应器3插入热解炉4中，其支架放置于热解炉4上端。炉体支架5上端和热解炉4中部用固定螺栓连接。配气钢瓶6上端和质量流量计7下端，质量流量计7上端与混器罐8下端均用金属管件连接。混器罐8上端与给粉机下粉口上端用橡胶管连接，另外混气罐8有一支管线与给粉机9粉仓连接用以平衡给粉机9仓内气压，给粉机9的下粉管下端和热解炉10内反应器上端使用橡胶管连接，热解炉10下端出口和热解炉固体颗粒收集器11上端连接，并和微量给粉机12下粉口与燃烧试验装置13反应器中间连接处使用橡胶管连接。燃烧试验装置13下端和燃烧炉固体颗粒收集器17上端连接，17左侧和烟气处理装置18上端连接。燃烧试验装置13右侧设有数个检测口，检测口和过滤器14上端连接，检测口14和右侧的烟气分析仪15使用橡胶管连接，烟气分析仪15和计算机16通过数据线连接。各结构的位置关系如图3所示。

本发明应用过程说明：

具体试验过程以燃烧反应器中使用煤焦为例，使用其他物料进行试验的过程类似。该燃烧试验系统搭建好后，先进行系统测试，检测系统气密性、配气钢瓶6、质量流量计7、给粉机9、热解炉10、燃烧试验装置13、烟气分析仪15等主要装置是否正常使用。制作实验用煤焦，可单独使用热解炉系统10制作焦样，标定给粉机9，使用高纯氮气工况给气，达到预定的制焦温度后，制作需要用量的煤焦用于微量给粉机12，并标定好待使用。将燃烧试验装置13加热至工况设计温度，开启热解炉系统10，将其热解煤焦产生的挥发分气体通入燃烧试验装置13，开启微量给粉机12，让挥发分在燃烧试验装置13中和煤焦进行燃烧反应。开启烟气分析仪15，依次检测从燃烧试验装置13中检测口抽出的烟气成分和其含量。利用计算机16获取数据，并进行数据处理和分析。

要发明中两个试验子系统根据具体试验需要可组合同时使用，亦可单独使用。此外，自行设计不同配气的工况，考查温度、煤种、粒径、气氛等各种工况，可更多样化探索煤燃烧排放污染物的特性。