一种可视化超临界二氧化碳直接燃烧实验系统

本发明涉及能源高效利用与环境保护交叉，具体涉及一种可视化超临界二氧化碳直接燃烧实验系统。

背景技术：

1、超临界二氧化碳动力循环作为一种具有巨大效率潜力和广泛应用前景的新型能量转换方式近年来受到了学术界和工业界的关注。直接加热式二氧化碳动力循环，即采用燃烧室取代间接加热式循环中的热源与换热器，通过燃料在富氧气氛中的直接燃烧反应实现热功转换。直接加热循环具有两大优势：首先，直接加热超临界二氧化碳循环具有更高的透平进口温度，这意味着更高的循环效率潜力，可用于补偿空分制氧装置所消耗的能量；其次，直接加热循环具有固有的二氧化碳捕集能力，不需要额外工艺流程和能量去捕集二氧化碳。直接燃烧式超临界二氧化碳循环系统无论是在燃烧总压还是在二氧化碳分压上相较于现有技术都有了巨大的提升，尤其是二氧化碳分压从亚临界提高到了超临界，反应气氛理化特性的变化对燃料的着火、燃烧过程及燃烧特性会产生巨大的影响，此外，超临界二氧化碳环境下气体扩散变慢，在实际二氧化碳浓度偏高，超临界二氧化碳气氛下的高温高压环境对反应器提出来很高的要求，常规设计难以满足可视化观察燃料在超临界二氧化碳氛围下的燃烧情况。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种可视化超临界二氧化碳直接燃烧实验系统，以解决燃料在超临界二氧化碳氛围下的燃烧情况研究困难的问题，实现燃料在超临界二氧化碳氛围下燃烧特性的可视化观察。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种可视化超临界二氧化碳直接燃烧实验系统，包括可视化反应器系统、超临界二氧化碳供给系统、氧化气供给系统、燃料供给系统、烟气冷却和排出系统；

4、所述可视化反应器系统包括反应釜体、可视化视窗、燃烧器、尾部烟气水冷稀释夹套出口管；其中，超临界二氧化碳燃烧器设置在反应釜体上端，可视化视窗开设在反应釜体上，尾部烟气水冷稀释夹套出口管设置在反应釜体下端；出口烟气经过水冷稀释夹套进行稀释降温后排出；

5、所述超临界二氧化碳供给系统与可视化反应器中的超临界二氧化碳燃烧器连接，用于向超临界二氧化碳燃烧器提供超临界二氧化碳；

6、所述氧化气供给系统与可视化反应器中的超临界二氧化碳燃烧器连接，用于向超临界二氧化碳燃烧器提供氧化气；

7、所述燃料供给系统与可视化反应器中的超临界二氧化碳燃烧器连接，用于向超临界二氧化碳燃烧器提供燃料；

8、所述烟气冷却和排出系统与可视化反应器中的尾部烟气水冷稀释夹套出口管连接，用于处理反应釜体中排出的烟气。

9、进一步地，可视化反应器的燃烧器为模拟近似层流的同轴燃烧器或模拟湍流强混和的旋流燃烧器。

10、进一步地，所述反应釜内设有保温层和电加热层，同轴燃烧器设置在反应釜体上端，釜体下端设置尾部烟气水冷稀释夹套，出口烟气经过水冷稀释夹套进行稀释降温后排出。反应釜体分为外部承压外壳和内部加热体及保温层，在反应釜体壁面和保温层上开有一可视化视窗通孔。

11、进一步地，超临界二氧化碳供给系统包括依次连接的二氧化碳高压气瓶、水冷储液罐、第一过滤器、液体增压泵、第一单向阀、二氧化碳高压质量流量计、二氧化碳预热器，二氧化碳高压气瓶出口与水冷储液罐进口连接，水冷储液罐出口与液体增压泵连接，液体增压泵出口与二氧化碳高压质量流量计进口连接，二氧化碳高压质量流量计出口与二氧化碳预热器连接，二氧化碳预热器的出口与可视化反应器燃烧器的二氧化碳进口相连接。

12、进一步地，氧化气供给系统包括氧气供气系统和二氧化碳供气系统，氧气供气系统和二氧化碳供气系统分别与混合罐连接，混合罐的出气口连接有氧化气预热器，氧化气预热器的出气口与燃烧器氧化气进口相连接；氧气供气系统包括依次连接的氧气高压气瓶、第二单向阀和氧气高压质量流量计，其中氧气高压质量流量计与混合罐连接；二氧化碳供气系统包括依次连接的第二二氧化碳高压气瓶、第三单向阀和二氧化碳质量流量计，其中二氧化碳质量流量计与混合罐连接在高压气瓶出口后和燃烧器氧化气进口前需安装单向阀。

13、进一步地，燃料供给系统包括依次连接的第一氮气高压气瓶、第四单向阀、氮气质量流量计、高压计量给料器，其中第一氮气高压气瓶出口与氮气高压质量流量计入口连接，氮气高压质量流量计与高压计量给料器进口连接，高压计量给料器出口与可视化反应器燃料进口相连。

14、进一步地，烟气冷却和排出系统包括烟气冷却系统和排出系统，其中烟气冷却系统包括依次连接的氮气高压气瓶、第五单向阀、氮气高压质量流量计，其中氮气高压质量流量计的出气口与尾部烟气水冷稀释夹套出口管连接；排出系统包括依次连接的第一换热器、第二过滤器、背压阀，氮气高压气瓶出口与氮气高压质量流量计进口连接，氮气高压质量流量计出口与可视化反应器尾部烟气水冷稀释夹套进口连接，第一换热器进口与可视化反应器尾部烟气水冷稀释夹套出口管连接，换热器出口与过滤器进口连接，过滤器出口与背压阀进口连接。

15、进一步地，冷水机组用于试验系统中需要冷却的组件提供冷水，包括水冷储液罐、可视化反应器尾部烟气水冷稀释夹套和第二换热器。

16、进一步地，可视化反应器上法兰燃烧器如果模拟层流燃烧状态则使用同轴燃烧器，如果模拟湍流燃烧则使用旋流燃烧器。

17、进一步地，可视化反应器下法兰尾部烟气水冷稀释夹套出口管中间为氮气稀释管，通过氮气淬冷稀释可以减少燃料燃烧后产生的二次反应，氮气稀释的烟气经过稀释管和水冷夹套之间的通道排出反应器。

18、进一步地，可视化反应器内部加热体采用电加热方式，加热体中布置有一根石英管用于防止直接燃烧火焰和电加热接触，保温层是防止内部温度过高对承压外壳造成影响以及保持高温区温度减少散热。

19、进一步地，可视化反应器视窗采用可承受高温高压的蓝宝石作为观察视窗材料，并且为了保护视窗安全不受内部燃烧火焰的高温辐射，采用双层蓝宝石玻璃，中间夹层通冷却水用于冷却蓝宝石玻璃。

20、本发明不仅可以研究固体燃料超临界二氧化碳燃烧特性，也可以研究气态燃料和液态燃料的超临界二氧化碳燃烧特性，研究固体燃料燃烧使用固体给料器，气态燃料燃烧研究中直接使用高压气体，液态燃料燃烧使用高压液体泵进行输送燃料。

21、本发明中研究固体燃料是煤粉、生物质燃料等，气体燃料是甲烷、乙烯等烃类燃料，液体燃料可以是甲醇、乙醇、水煤浆等液态燃料。

22、本发明中固态燃料所使用的高压计量给料器可以是高压气体和流化床式给粉器组合，通过高压气体携带流化固体颗粒进入燃烧器中，气体和液体燃料采用高压气体和流量计组合作为计量给料器。

23、本发明中的水冷储液罐上装有温度测量的热电偶和测量压力的压力表，可视化反应器侧壁开有引线孔，用于内部电加热导线和热电偶导线引出。

24、本发明中为模拟真实超临界二氧化碳直接燃烧中烟气循环，采用大量二氧化碳稀释，即试验系统中二氧化碳供给路线，使烟气中二氧化碳占比例为75-95％。

25、本发明的有益效果：

26、本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

27、1.本发明提供了一种可视化超临界二氧化碳直接燃烧实验系统，包括可视化反应器系统、超临界二氧化碳供给系统、氧化气供给系统、燃料供给系统、烟气冷却和排出系统及冷水系统。高压反应釜提供了高压反应的环境；双层水冷蓝宝石玻璃保证了高温高压实验条件下的安全。

28、2.采用水冷储液罐为实验过程中二氧化碳稀释气体的连续供给提供了保障；水冷稀释夹套的设置减少了二次反应的发生；同轴燃烧器和旋流燃烧器实现了层流和强湍流燃烧实验的进行；大量二氧化碳的稀释，模拟了真实超临界二氧化碳直接燃烧中的烟气循环，降低了高压燃烧过程中的热负荷。

29、3.上述技术方案可以开展气液固三种燃料在超临界二氧化碳环境中的可视化燃烧性能实验，探讨不同运行参数(例如压力、氧浓度、反应温度等)对燃烧特性的影响，为燃料的超临界二氧化碳燃烧研究提供参考。