一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置及其方法

本发明涉及燃烧试验设备，特别是涉及一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置及其方法。

背景技术：

1、火力发电厂锅炉多采用煤、生物质、城市固体废弃物等固体燃料，这些固体燃料在炉内燃烧时的温度、火焰发射率、组分浓度等反应动力学参数呈现随燃烧过程变化的动态特征，掌握上述固体燃料在燃烧条件下反应动力学参数的动态特性，有助于锅炉设计的优化、燃烧效率的提升。

2、常用的固体燃料分析仪器如工业分析仪、元素分析仪、自动量热仪等，只能获得固体燃料的水分、挥发分、固定碳、灰分含量，以及元素组成、发热量等固有的静态特性参数；热重分析仪、管式加热炉等固体燃料燃烧设备能开展固体燃料的燃烧实验，并获得燃料的质量随温度(或时间)的变化关系，但其升温速率慢，且缺乏相应的检测单元，仍无法给出燃烧温度、组分浓度等反应动力学参数随时间的变化特性；电感耦合等离子体发射光谱仪(icp)、燃烧-离子色谱分析仪、火焰光度计等，则是针对固体燃料样品在某个稳定的(燃烧)工况下信号展开分析，并与标准样品的信号进行对比，从而获得被测样品中的组分，其也不能给出样品在燃烧过程的动力学参数随时间的变化。

3、因此，有必要设计一种燃烧实验装置，在固体燃料投入工程燃烧装置开展燃烧之前，通过在该装置上对固体燃料的样品开展燃烧实验，获得固体燃料的反应动力学参数在燃烧过程的动态特性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置及其方法，具有集成化程度高和高度的自动化，能够对固体燃料燃烧过程进行可视化，一次实验可获得多个燃烧重要参数，并有效提升固体燃料燃烧过程燃烧反应动力学参数分析的效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置及其方法，包括：固体燃料燃烧模块、固体燃料进样模块、气体流量控制模块、点火模块、燃烧图像检测分析模块、燃烧光谱检测分析模块；

3、所述固体燃料进样模块设置于所述固体燃料燃烧模块的左上方，所述气体流量控制模块设置于所述固体燃料燃烧模块的左下方，所述点火模块设置于所述固体燃料燃烧模块的右侧，所述燃烧图像检测分析模块设置于所述固体燃料燃烧模块的后上方，所述燃烧光谱检测分析模块设置于所述固体燃料燃烧模块的后方。

4、优选的，所述固体燃料燃烧模块包括平面火焰燃烧器，所述平面火焰燃烧器为多管结构，其包括外壳、外环气空腔、水冷腔、毛细管、底部空腔和氧化剂入口。

5、优选的，所述外壳由不锈钢制成，所述外壳最上方为所述外环气空腔，所述外环气空腔的下方为所述水冷腔，所述外壳内侧均匀设置有所述毛细管，所述毛细管由不锈钢制成，所述毛细管连接所述底部空腔，所述底部空腔内部布置有玻璃珠，所述氧化剂入口包括空气入口和乙烯入口，设置于所述底部空腔与所述水冷腔之间。

6、优选的，所述固体燃料进样模块包括电动位移平台，所述电动位移平台搭载着托载台，所述托载台由两根平行的陶瓷棒组成，两根所述陶瓷棒之间的间距根据固体燃料直径大小来确定，所述电动位移平台由外壳、步进电机、不锈钢传动丝杠和限位器组成，所述不锈钢传动丝杠的两端分别连接有所述限位器，所述外壳上的触控屏控制所述步进电机。

7、优选的，所述气体流量控制模块包括气体流量控制器，所述气体流量控制器的左端与外部的两个高压气瓶分别相连，其右端与所述氧化剂入口相连。

8、优选的，所述点火模块包括点火电动滑轨，所述点火电动滑轨由滑块和不锈钢轨道组成，所述滑块上连接有点火器，所述点火器与点火开关相连，所述点火开关设置于所述点火电动滑轨的右侧。

9、优选的，所述燃烧图像检测分析模块包括工业相机和相机支架，所述相机支架固定安装在装置的底部，所述工业相机设置在所述相机支架上通过网线与外部计算机连接。

10、优选的，所述燃烧光谱检测分析模块包括准直透镜、光纤、光谱仪、光具座，所述准直透镜设置在所述燃烧光谱检测分析模块的最前端，与所述光具座固定连接，所述准直透镜通过所述光纤与所述光谱仪连接。

11、优选的，所述气体流量控制模块、所述点火模块、所述燃烧图像检测分析模块和所述燃烧光谱检测分析模块均连接有数据接口，所述数据接口与外部的计算机连接。

12、一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置的使用方法，包括以下步骤：

13、步骤一：将固体燃料放置于固体燃料进样模块的托载台上，保证固体燃料颗粒的直径大于托载台中两根陶瓷棒的间距，再打开分别装有气体燃料和氧化剂的外部两个高压气瓶截止阀，将气体燃料和空气通入气体流量控制模块中，控制燃料和氧化剂体积的流量，在平面火焰燃烧器的上方形成稳定的气氛；

14、步骤二：控制点火电动滑轨，使得点火器移动到平面火焰燃烧器中心的上方，而固定在点火电动滑轨上的点火器也随点火电动滑轨移动，点火器生成电火花引燃平面火焰燃烧器上方的可燃气体，形成稳定的平面火焰，之后将点火电动滑轨退回到起始位置；

15、步骤三：形成稳定的平面火焰后，控制固体燃料进样模块中的电动位移平台，使得固体燃烧颗粒移动到平面火焰燃烧器的正上方，点燃固体燃料颗粒，并使用颗粒质量监测仪进行监测，直至燃烧结束，获得燃烧过程中的颗粒质量随时间变化曲线；

16、步骤四：在固体燃料着火到燃尽过程中，通过燃烧图像检测分析模块中的工业相机进行连续拍摄火焰图片或获取固体燃料燃烧视频，并将工业相机得到的燃烧数据通过网线最终传输到计算机，再进行图像分割、去噪点与提取像素点处理方法，计算得到着火特征；同时，燃烧光谱检测分析模块中通过准直透镜和光纤得到光信号，并转化为电信号，通过网线最终传输到计算机中，并得到绝对光谱辐射强度曲线随时间的变化，由此计算得到火焰温度变化、火焰发射率变化、气相钠浓度变化、气相钾浓度变化、碳烟浓度变化、水蒸气浓度与二氧化碳浓度变化；

17、步骤五：固体燃料颗粒燃尽后，依据步骤二和步骤四获得的颗粒质量变化曲线、温度变化曲线与各气体组分浓度变化，通过温度法求解固体燃料燃烧反应动力学参数，并控制电动位移平台使得托载台退回到起始位置，将燃尽后的固体燃料灰渣取出，留作后续的成分分析和检测。

18、因此，采用上述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置及其方法，通过装置中的燃烧进样单元将固体燃料燃烧，再由检测单元对燃料火焰燃烧进行光谱检测和图像检测。最后，通过计算机对数据进行实时处理，可以精确、实时地检测出固体燃料在燃烧过程中着火特性、燃烧特性与重要组分浓度，进而求解反应动力学参数。本发明具有集成化程度高和高度的自动化，能够对固体燃料燃烧过程进行可视化，一次实验可获得多个燃烧重要参数，并有效提升固体燃料燃烧过程燃烧反应动力学参数分析的效率。

技术特征：

1.一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，包括：固体燃料燃烧模块、固体燃料进样模块、气体流量控制模块、点火模块、燃烧图像检测分析模块、燃烧光谱检测分析模块；

2.根据权利要求1所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述固体燃料燃烧模块包括平面火焰燃烧器，所述平面火焰燃烧器为多管结构，其包括外壳、外环气空腔、水冷腔、毛细管、底部空腔和氧化剂入口。

3.根据权利要求2所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述外壳由不锈钢制成，所述外壳最上方为所述外环气空腔，所述外环气空腔的下方为所述水冷腔，所述外壳内侧均匀设置有所述毛细管，所述毛细管由不锈钢制成，所述毛细管连接所述底部空腔，所述底部空腔内部布置有玻璃珠，所述氧化剂入口包括空气入口和乙烯入口，设置于所述底部空腔与所述水冷腔之间。

4.根据权利要求1所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述固体燃料进样模块包括电动位移平台，所述电动位移平台搭载着托载台，所述托载台由两根平行的陶瓷棒组成，两根所述陶瓷棒之间的间距根据固体燃料直径大小来确定，所述电动位移平台由外壳、步进电机、不锈钢传动丝杠和限位器组成，所述不锈钢传动丝杠的两端分别连接有所述限位器，所述外壳上的触控屏控制所述步进电机。

5.根据权利要求1所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述气体流量控制模块包括气体流量控制器，所述气体流量控制器的左端与外部的两个高压气瓶分别相连，其右端与所述氧化剂入口相连。

6.根据权利要求1所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述点火模块包括点火电动滑轨，所述点火电动滑轨由滑块和不锈钢轨道组成，所述滑块上连接有点火器，所述点火器与点火开关相连，所述点火开关设置于所述点火电动滑轨的右侧。

7.根据权利要求1所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述燃烧图像检测分析模块包括工业相机和相机支架，所述相机支架固定安装在装置的底部，所述工业相机设置在所述相机支架上通过网线与外部计算机连接。

8.根据权利要求1所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述燃烧光谱检测分析模块包括准直透镜、光纤、光谱仪、光具座，所述准直透镜设置在所述燃烧光谱检测分析模块的最前端，与所述光具座固定连接，所述准直透镜通过所述光纤与所述光谱仪连接。

9.根据权利要求1所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置，其特征在于，所述气体流量控制模块、所述点火模块、所述燃烧图像检测分析模块和所述燃烧光谱检测分析模块均连接有数据接口，所述数据接口与外部的计算机连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种固体燃料燃烧反应动力学参数动态分析装置及其方法，装置包括固体燃料燃烧模块、固体燃料进样模块、气体流量控制模块、点火模块、燃烧图像检测分析模块、燃烧光谱检测分析模块；固体燃料进样模块设置于固体燃料燃烧模块的左上方，气体流量控制模块设置于固体燃料燃烧模块的左下方，点火模块设置于固体燃料燃烧模块的右侧，燃烧图像检测分析模块设置于固体燃料燃烧模块的后上方，燃烧光谱检测分析模块设置于固体燃料燃烧模块的后方。本发明具有集成化程度高和高度自动化，能够对固体燃料燃烧过程进行可视化，一次实验可获得多个燃烧重要参数，并有效提升固体燃料燃烧过程燃烧反应动力学参数分析的效率。

技术研发人员：娄春,郭丽,王浩帆
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16