[发明专利]一种两段式固体燃料分级反应动力学分析设备

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。