一种生物质热解优化与燃烧分析装置及热解、分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种生物质热解优化与燃烧分析装置及热解、分析方法，包括基座、电气控制柜、电炉模块、气路模块、运动模组和火焰监测模块；电炉模块包括炉体、石英管、加热元件、热电偶；气路模块包括气瓶、气体分析仪和收集瓶；运动模组包括轨道组件、移动平台、空心连接管和网兜；火焰监测模块包括电脑、高速相机、便携式光栅光谱仪、光纤探头；本发明专利技术在生物质热解制生物质焦时，对热解反应停留时间的精确控制，进而测量温度、气体种类和停留时间对生物质热解产率、理化结构的综合影响；通过收集生物质或生物质焦燃烧时火焰图像和自发射光谱，用灰体假设下的三色法耦合分析火焰燃烧温度场变化和产物基团种类，寻求燃烧条件对生物质燃烧的影响。的影响。的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质热解优化与燃烧分析装置及热解、分析方法


[0001]本专利技术涉及生物质热解和燃烧设备
，具体为一种生物质热解优化与燃烧分析装置及热解、分析方法。

技术介绍

[0002]生物质焦是一种由生物质制成的燃料，通常是使用高温、低氧条件下对生物质进行热解反应得到。生物质热解制备生物质焦是一个复杂的过程，它涉及到许多因素的影响。首先，影响生物质焦质量和产率的因素包括生物质原料的种类和性质、热解温度和时间、反应介质等。
[0003]木质纤维类生物质的热分解主要发生在200～400℃，在这个温度区间内，缺氧环境下的生物质中半纤维素、纤维素和木质素发生一系列并行和连续的化学反应并释放出不可凝性气体与可凝性挥发物（焦油）。之后随着温度的升高，剩余物缓慢分解，当温度高于500℃以后，半纤维素和纤维素的热分解基本结束，而木质素较难分解，其分解几乎跨越整个热解过程，因此高温区以木质素热分解为主。反应停留时间是影响生物质热解过程的重要参数。在恒定热解温度和升温速率等条件下，反应停留时间的延长会增加生物炭的产量。目前关于生物质热解的研究大多在相对较低的温度和较低的加热速率下进行，对于高温快速热解的研究较少。快速热解对停留时间的控制更加敏感，需要精确的控制手段。小生物质颗粒的快速加热和高温下的短停留时间尽管减少了炭产量但增加了炭的气化反应活性，有助于后续进一步燃烧和气化利用。常见的生物质热解反应器如鼓泡流化床反应器、循环流化床反应器、旋转锥反应器、真空热解反应器和下行床反应器等，更适用于慢速热解，无法进行快速准确的停留时间控制。
[0004]生物质原料和热解产物的现在的一种主要的利用方式是替代燃煤用于热力发电。但在实际锅炉炉膛内，着火及燃烧是一个复杂的传热、传质过程，其着火行为受多种因素的影响，如颗粒粒径、 升温速率、气氛条件等。为观测生物质在高加热速率下的着火行为，光学测量技术因其高时空分辨率的特点为深入探究生物质在实际燃烧状态下的着火及燃烧机理提供了全面的数据。通过对火焰图像发射光谱等数据的采集，可以在远距离测量被测物体温度。相较于接触式测温侵入火焰内部，非接触式测温方法对温度场的影响小，避免障碍干扰，并且其高灵敏度有助于实现对火焰连续监测。火焰图像和自发射光谱法就是典型的非接触式测温，并且在工业上已经取得一定的应用成果。其主要理论基础是基于火焰或高温物体的辐射，应用普朗克辐射定律，建立算法，分析所得的火焰图像或者光谱数据即可得到火焰温度以及火焰中自由基的信息。在许多研究中单色高温测量法和双色高温测量法一直很受欢迎。双色法利用黑体辐射中两个波长的能量比值与温度的关系计算物体的温度。在灰体假设下相同温度下两个波长的发射率可以抵消。研究发现双色法在实际应用中选择不同的波长相除，得到的结果可能存在很大的差异。已有的生物质着火及燃烧特性的光学诊断研究中多采用高速摄像技术，这类实验方法缺乏光谱分辨，无法准确获取煤及生物质燃烧过程中各种中间产物的信息， 需进一步发展具有光谱分辨的颗粒燃烧特性测量
方法。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种生物质热解优化与燃烧分析装置及热解、分析方法，解决生物质热解制生物质焦时，热解反应停留时间的控制不精确的问题，减小测量温度、气体种类和停留时间对生物质热解产率、理化结构的综合影响。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种生物质热解优化与燃烧分析装置，包括基座和设置在基座上的电气控制柜、电炉模块、气路模块、运动模组和火焰监测模块；所述电炉模块包括炉体、石英管、加热元件、热电偶；所述石英管固定在炉体的中央区域，石英管的底部贯穿炉体并延伸至炉体的外部；石英管的外部包裹有炉衬，炉衬的外部包裹有保温层；炉衬的内部自上而下划分为第一非加热区、加热区和第二非加热区；炉体上对应加热区处设置有观察窗；炉衬的上部设置有水冷套管，水冷套管自石英管的上端向下延伸至石英管的内部，水冷套管的中央设置有快速接头；水冷套管连接有循环水泵；加热元件固定在炉衬内；加热区上下划分为第一加热区和第二加热区；热电偶自保温层的外部贯穿炉衬并抵接在石英管上；第一加热区和第二加热区内分别设置有多个加热元件和热电偶；所述气路模块包括气瓶、气体分析仪和收集瓶；所述气瓶与石英管的底端连通；气体分析仪的一端与石英管的顶端连通，另一端与收集瓶连通；所述运动模组包括轨道组件、移动平台、空心连接管和网兜；所述轨道组件固定在所述炉体上；移动平台连接在轨道组件上；空心连接管的上端与移动平台固定连接；网兜连接在空心连接管的下端；空心连接管位于石英管的上方；所述火焰监测模块包括电脑、高速相机、便携式光栅光谱仪、光纤探头；高速相机、便携式光栅光谱仪分别与电脑电连接；所述高速相机设置在所述观察窗外；高速相机的前端安装有放大镜头；放大镜头与高速相机之间设置有三色滤波片；光纤探头通过光纤与便携式光栅光谱仪连接；光纤探头的前端设置有准直透镜；所述光纤探头、准直透镜位于所述空心连接管的上端内部；加热元件、热电偶、循环水泵、气体分析仪、轨道组件分别与所述电气控制柜电连接。
[0007]优选地，所述加热元件配置有多个；多个加热元件以所述石英管的轴线为中心呈圆周阵列分布；所述加热元件为U型硅钼棒。
[0008]优选地，所述炉衬的材料为多晶纤维；保温层的材料为硅酸铝纤维毯。
[0009]优选地，所述轨道组件包括三轴运动平台和控制卡；控制卡与三轴运动平台电连接，用于控制三轴运动平台的运行；控制卡与电气控制柜电连接。
[0010]优选地，所述三色滤波片中心波段为450nm、550nm和650nm，半带宽50nm，透过率R通道为10%，G通道为20%，B通道为90%。
[0011]一种生物质热解优化方法，包括以下步骤：步骤一：启动循环水泵，使水冷套管进入工作状态，打开电气控制柜与运动模组的控制卡，同时检测装置的气密性；
步骤二：通过电气控制柜控制加热元件进行升温；当热电偶检测到温度达到热解要求温度时，保持5～10分钟，并对水冷套管进行测温，确保水冷套管温度在30℃以下；步骤三：用电子天平称量0.1～2克粉料生物质，将粉料生物质放入网兜中，并将网兜进行封闭处理，打开快速接头，将装有粉料生物质的网兜悬挂在空心连接管的最下端，并用金属丝固定；步骤四：通过电脑控制运动模组将空心连接管前端的网兜移动到指定位置，闭合快速接头并密封；步骤五：打开气瓶向石英管中输送氮气，调节石英管下部的阀门处氮气气体进气量在5升/分钟；通入5分钟；通过气体分析仪进行测量，控制石英管内的氧含量低于0.1%；步骤六：通过三轴运动平台带动空心连接管及网兜携带的粉料生物质迅速下降至加热区，并停留到所设定的时间后，将粉料生物质输送至第一非加热区进行冷却；步骤七：实验结束，取出生物质焦进行后续分析，关闭实验装置。
[0012]优选地，在步骤二中，热解要求的温度范围为900～1300℃；在步骤六中，设定的停留时间为0～13秒。
[0013]一种生物质燃烧分析方法，包括以下步骤：步骤一：启动循环水泵，使水冷套管进入工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质热解优化与燃烧分析装置，其特征在于，包括基座和设置在基座上的电气控制柜(1)、电炉模块(5)、气路模块(4)、运动模组(2)和火焰监测模块(3)；所述电炉模块(5)包括炉体(59)、石英管(57)、加热元件(55)、热电偶(51)；所述石英管(57)固定在炉体(59)的中央区域，石英管(57)的底部贯穿炉体(59)并延伸至炉体(59)的外部；石英管(57)的外部包裹有炉衬(56)，炉衬(56)的外部包裹有保温层(58)；炉衬(56)的内部自上而下划分为第一非加热区、加热区和第二非加热区；炉体(59)上对应加热区处设置有观察窗(52)；炉衬(56)的上部设置有水冷套管(54)，水冷套管(54)自石英管(57)的上端向下延伸至石英管（57）的内部，水冷套管(54)的中央设置有快速接头(53)；水冷套管(54)连接有循环水泵；加热元件(55)固定在炉衬(56)内；加热区上下划分为第一加热区和第二加热区；热电偶(51)自保温层(58)的外部贯穿炉衬(56)并抵接在石英管(57)上；第一加热区和第二加热区内分别设置有多个加热元件(55)和热电偶(51)；所述气路模块(4)包括气瓶(43)、气体分析仪(41)和收集瓶(42)；所述气瓶(43)与石英管(57)的底端连通；气体分析仪(41)的一端与石英管(57)的顶端连通，另一端与收集瓶(42)连通；所述运动模组(2)包括轨道组件(23)、移动平台(24)、空心连接管(22)和网兜(21)；所述轨道组件(23)固定在所述炉体(59)上；移动平台(24)连接在轨道组件(23)上；空心连接管(22)的上端与移动平台(24)固定连接；网兜(21)连接在空心连接管(22)的下端；空心连接管(22)位于石英管(57)的上方；所述火焰监测模块(3)包括电脑(31)、高速相机(33)、便携式光栅光谱仪(32)、光纤探头(34)；高速相机(33)、便携式光栅光谱仪(32)分别与电脑(31)电连接；所述高速相机(33)设置在所述观察窗(52)外；高速相机(33)的前端安装有放大镜头；放大镜头与高速相机(33)之间设置有三色滤波片；光纤探头(34)通过光纤与便携式光栅光谱仪(32)连接；光纤探头(34)的前端设置有准直透镜；所述光纤探头(34)、准直透镜位于所述空心连接管(22)的上端内部；加热元件(55)、热电偶(51)、循环水泵、气体分析仪(41)、轨道组件(23)分别与所述电气控制柜(1)电连接。2.如权利要求1所述的一种生物质热解优化与燃烧分析装置，其特征在于，所述加热元件(55)配置有多个；多个加热元件(55)以所述石英管(57)的轴线为中心呈圆周阵列分布；所述加热元件(55)为U型硅钼棒。3.如权利要求1所述的一种生物质热解优化与燃烧分析装置，其特征在于，所述炉衬(56)的材料为多晶纤维；保温层(58)的材料为硅酸铝纤维毯。4.如权利要求1所述的一种生物质热解优化与燃烧分析装置，其特征在于，所述轨道组件(23)包括三轴运动平台和控制卡(25)；控制卡(25)与三轴运动平台电连接，用于控制三轴运动平台的运行；控制卡(25)与电气控制柜(1)电连接。5.如权利要求1所述的一种生物质热解优化与燃烧分析装置，其特征在于，所述三色滤波片中心波段为450nm、550nm和650nm，半带宽50nm，透过率R通道为10%，G通道为20%，B通道为90%。6.一种生物质热解优化方法，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫雨，孙健超，刘洋，盛稳，余波，周怀春，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：