[实用新型]一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置

说明书

本实用新型公开的一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，属于固体燃料燃烧技术领域。装置本体包括分隔的上腔室和下腔室；上腔室上端连接布风板，毛细管依次穿过布风板、上腔室和隔板，毛细管上端口与布风板的上方出口连通，下端口与下腔室连通；布风板中部设有中心给粉管；下腔室连接有CO进气管和H₂进气管，上腔室连接有CO₂进气管和O₂进气管，各进气管上均设有流量监测及控制装置。本实用新型成功地在反应场中引入高温水蒸气，排除由于温度干扰带来的影响；通过将CO与H₂充分混合，使焰后气体中水蒸气分布较为均匀。同时，可以通过计算，精确地调节水蒸气的含量，从而为研究气氛中水蒸气浓度对煤粉燃烧特性的影响提供稳定、可控的实验环境。

技术领域

本实用新型属于固体燃料燃烧技术领域，具体涉及一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置。

背景技术

巴黎协定要求将全球气温上升(相较于前工业化时期)限制在2℃以内，并进一步追求更低的1.5℃。为了实现这一目标，新型的低碳燃烧技术受到了较为广泛的关注，其中比较有代表性的是富氧燃烧技术。与传统燃烧使用空气作为氧化剂不同，在富氧燃烧过程中，将纯氧与循环烟气的混合物作为氧化剂带入炉膛。由于烟气的再循环，使得炉膛内部的水蒸气含量远高于空气气氛，一般情况下富氧燃烧气氛中的水蒸气浓度可以达到15～30％，最高可至40％。由空气燃烧转至富氧燃烧，由于燃烧气氛的改变，燃烧过程中的热力学特性、动力学特性以及化学反应特性等均会发生相应变化。为了厘清环境气氛变化对煤粉颗粒燃烧产生的影响，需要在实验室规模小型机理型实验平台对富氧环境中炉膛内煤粉颗粒的燃烧行为进行深入的研究，从而为大型实验台运行提供支持。

为了更好地进行单个颗粒或者煤粉颗粒流燃烧机理的研究，一般采用较为小型的实验平台，并且实验平台需最好同时具备可在线采样性和可视性的特点。此外，由于实验室研究中采用的煤粉量较小，无法达到自维持燃烧，即无法通过自身燃烧产热维持炉膛的高温，因此，需要采用外部加热或者人为营造高温气氛，并且为了与实际炉膛气氛更为接近，对气氛的温度以及气氛中的组分浓度有较高的要求。目前广为采用的实验室规模燃烧器主要包括热重分析仪、滴管炉和平焰燃烧器。其中，如上所述，由于平焰燃烧器同时具备可在线采样性和可视性的特点，因此被广为采用。这里的平焰燃烧器是指利用特定燃料气(如CO等)、氧化剂(O₂)和稀释气(如N₂/CO₂等)，通过燃烧产生高温焰后气体，从而为煤粉燃烧提供高温环境。通过精确控制燃烧器的燃料、氧化剂和稀释剂的流量，可以精确调整控制燃烧焰后气体的温度和氧气浓度，从而实现不同温度、氧气浓度工况下煤粉燃烧行为的研究。虽然平焰燃烧器具有较好的调节性能，但是目前主要的研究工作主要集中于研究环境温度、气氛中氧气浓度以及常规燃烧/富氧燃烧切换时对煤粉燃烧特性产生的影响，而将其用于研究水蒸气含量影响的工作仍然缺乏有效的方法。

为了在实验室实验平台模拟出实际气氛中水蒸气的含量，已有的大部分实验室研究工作采用了直接用蒸汽发生器产生水蒸气，并通过一定预热装置，使水蒸气的温度升高到200℃左右，然后将其通过管路输送至高温场中。这种方法简单可行易操作，因而被广泛应用在实验室热重分析仪、滴管炉以及平焰燃烧器上。值得注意的是，通过直接引入水蒸气的方法添加气氛中水蒸气的含量，一方面，引入的水蒸气温度(约为200℃)大都比实验设定的温度工况(比如 1200℃)低几百度，这样必然会导致原有设定的实验温度场发生变化；同时，新引入的水蒸气在高温场中空间分布不均匀，从而给实验结果带来很大不确定性。另一方面，对于平焰燃烧器来说，引入额外的水蒸气而不降低原有设定的组分情况，会使得煤粉颗粒所处的气氛中各组分的分压发生变化。由于氧气浓度、二氧化碳浓度等因素也均是影响煤粉燃烧行为的重要因素，因此，这也会给实验带来极大的不确定性，使得实验结果缺乏可信度。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种研究水蒸气浓度对煤粉燃烧特性影响的装置，结构设计合理，能够为研究气氛中水蒸气浓度对煤粉燃烧特性的影响提供一个稳定、可控的实验环境。