一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法

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1.本发明涉及固体燃料热转化技术领域，尤其是涉及一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法。

背景技术：

2.温室气体(co2)引起的全球气候变化问题已成为世界的热点问题。富氧-水蒸气燃烧技术可以实现co2近零排放。由于没有烟气循环，富氧-水蒸气燃烧技术的系统省去了烟气循环系统，使得整个发电系统变得更加简单，发电系统尺寸减少2/5，系统能耗大幅降低、紧凑且易于启动和关闭；排出h2o浓度接近60％，co排放浓度较低，nox和sox排放浓度也比较低。水蒸气的热辐射系数较高，扩散能力强，有利于加强燃烧室内的辐射，有效地提高燃烧室内热效率，从而节省燃料。并且水蒸气的化学性质对燃烧有着积极的影响。
3.因此固体燃料在富氧-水蒸气条件下的气化燃烧反应对于提升发电效率、富集co2、减少污染物排放具有重要意义。现有多数研究的温度由于设备的限制控制在800～1200℃。但是，真实锅炉中温度在1100～1400℃左右。为实现超高温富氧-水蒸气条件下固体燃料的稳定、高效、清洁燃烧，需要探究超高温条件下c-h2o-co
2-o2之间的协同竞争作用。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法，在超高温、高氧浓度、高水蒸汽浓度下实现固体燃料颗粒稳定气化，进而评价其理化结构和反应特性；烟气成分提供固体燃料反应过程中的污染物的迁移和反应路径。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，包括给粉单元、热解汽化单元、固体颗粒取样单元和烟气分析单元；所述热解汽化单元包括平焰燃烧器和一维炉，平焰燃烧器的外焰气体入口与混气罐的出口连接，混气罐与平焰燃烧器之间的连接管上包覆有加热带，混气罐的入口与预热炉的出口、甲烷罐出口、一氧化碳罐出口和氧气罐出口连接，混气罐与预热炉的连接管及混气罐上包覆有加热带，预热罐的进口与恒流注水泵出口、二氧化碳罐出口连接，预热罐的进口通过连接管一与氮气罐的出口连接；平焰燃烧器的内焰入口与给粉单元连接，并且给粉单元位于一维炉石英反应管内部上端；一维炉的石英反应管内部下端与固体颗粒取样单元连接，烟气分析单元位于固体颗粒取样单元的下游。
6.优选的，所述平焰燃烧器的冷却水进口通过水泵与水箱的出口连接，平焰燃烧器的冷却水出口与水箱的入口连接。
7.优选的，所述给粉单元包括微量给粉器，微量给粉器通过进样管与平焰燃烧器连接，微量给粉器的出口通过连接管二与氮气罐连接。
8.优选的，所述固体颗粒取样单元包括循环油取样和气固分离器，循环油取样的入口位于一维炉石英反应管内部下端，循环油取样与石英反应管密封滑动连接，循环油取样的出口与气固分离器的入口连接，气固分离器的外部包裹有加热带。
9.优选的，所述循环油取样内部的循环油管路入口通过油泵与恒温油箱出口连接，循环油管路出口与恒温油箱的入口连接。
10.优选的，所述烟气分析单元包括干燥管和烟气分析仪，干燥管与气固分离器的气体出口连接，干燥管的出口端设置有将烟气引出的抽气泵二，干燥管与抽气泵二的连接管上设置有抽气泵一，抽气泵一的出口与烟气分析仪连接。
11.一种基于上述超高温富氧-水下固体燃料热转化装置的热转化方法，包括以下步骤：
12.s1、将干燥的固体燃料加入到微量给粉器中；
13.s2、打开预热炉，打开恒流注水泵，调节水流，使得水充分汽化为水蒸汽；再打开氮气罐和二氧化碳罐，调节压力与流量，使得氮气和二氧化碳气体达到指定流量；最后打开甲烷罐、一氧化碳罐和氧气管，调节压力和流量，使得甲烷、一氧化碳和氧气达到指定流量；氮气、二氧化碳、水蒸汽、甲烷、一氧化碳、氧气在混气罐中混合；打开加热带；
14.s3、打开点火装置，通过点火口对平焰燃烧器进行引燃；打开水泵，控制循环水流量，对平焰燃烧器进行降温；
15.s4、打开微量给粉器和连接管二上阀门，调节给粉速率，固体燃料颗粒在氮气气流的携带下通过进样管进入反应火焰中，在沉降过程中进行热化学反应；
16.s5、打开油泵，调整循环油取样的温度，调整循环油取样在一维炉中的高度，进行固体燃料颗粒热转化后产物的取样；
17.s6、使用烟气分析仪记录和保存气相检测数据；
18.s7、微量给粉器进料结束后，迅速关闭氮气罐、二氧化碳罐、恒流注水泵、甲烷罐和一氧化碳罐，关闭水泵、油泵、加热带和循环油取样；
19.s8、待气固分离器温度降至室温，打开气固分离器，收集固体颗粒样品；
20.s9、调整s2中氮气、二氧化碳、甲烷、一氧化碳的流量配比，重复s3-s8，得到固体燃料在不同温度和不同气氛的热化学转化数据。
21.优选的，所述s1中，微量给粉器连续稳定的提供0.5g/h-7.0g/h的给料。
22.优选的，所述s2中，预热炉的温度为400℃-500℃，恒流注水泵的压力为0.8mpa，在加热带作用下混气罐、混气罐与预热炉、平焰燃烧器之间的连接管温度为110℃-130℃。
23.优选的，所述s3中，平焰燃烧器的表面温度低于100℃；所述s5中，循环油取样的温度为110℃-130℃。
24.本发明所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法的优点和积极效果是：
25.1、本发明实现了接近锅炉反应区内的温度和气氛，并对管路、取样和气固分离器进行加热，实现了超高温工况下水维持气相，使气氛控制稳定，精确。
26.2、本发明利用恒流注水泵注入液态水，结合预热炉和加热带实现水蒸汽均匀进入反应系统，减少流量波动。
27.3、本发明通过对取样通入高温导热油，精准温控，能实现固体燃料在落入其中时不发生化学反应且水不液化。控制固体燃料在沉降阶段处于超高温区的长度，进而控制其处于超高温反应区的停留时间，用于反应动力学研究。
28.4、本发明利用加热带和气固分离器能实现热态条件下气固分离，收集反应残余固
体燃料颗粒，进行固相检测分析。利用干燥管吸收排出的水蒸气，避免高浓度水蒸气对气体检测设备的不利影响。
29.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
30.图1为本发明一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法实施例的结构示意图。
31.附图标记
32.1、氮气罐；2、二氧化碳罐；3、恒流注水泵；4、甲烷罐；5、一氧化碳罐；6、水箱；7、恒温油箱；8、预热炉；9、混气罐；10、加热带；11、微量给粉器；12、进样管；13、平焰燃烧器；14、一维炉；15、循环油取样；16、气固分离器；17、干燥管；18、抽气泵一；19、烟气分析仪；20、抽气泵二；21、油泵；22、水泵；23、连接管一；24、连接管二。
具体实施方式
33.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
34.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
35.实施例
36.图1为本发明一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法实施例的结构示意图。如图所示，一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，包括给粉单元、热解汽化单元、固体颗粒取样单元和烟气分析单元。给粉单元用于固体燃料颗粒连续平稳的给料。热解汽化单元用于提供汽化燃烧所处的超高温和富氧-水蒸汽气氛，固体燃料颗粒在气流的携带下，自上而下落入超高温反应区，并在下落过程中进行热化学转化。固体颗粒取样单元，在一维炉14的轴线方向上移动，实现不同停留时间的取样，分离固相产物和含有水蒸汽的气相产物，用于获取固体燃料不同热化学转化时间的残留固相颗粒。烟气分析单元用于烟气中水蒸汽冷凝和对气体产物进行在线监测分析，分析气相产物释放规律，获取污染物排放特性。
37.热解汽化单元包括平焰燃烧器13和一维炉14，平焰燃烧器13的外焰气体入口与混气罐9的出口连接。混气罐9与平焰燃烧器13之间的连接管上包覆有加热带10，加热带10用于对连接管进行加热，防止水蒸汽冷凝。混气罐9的入口与预热炉8的出口、甲烷罐4出口、一氧化碳罐5出口和氧气罐出口连接，混气罐9用于对气体进行混合。混气罐9与预热炉8的连接管及混气罐9上包覆有加热带10，加热带10也是为了防止预热炉8产生的水蒸汽冷凝。预热罐的进口与恒流注水泵223出口、二氧化碳罐2出口连接，预热罐的进口通过连接管一23
与氮气罐1的出口连接。预热罐用于对液态水进行加热，使得液态水能够充分的汽化成水蒸汽。
38.连接管一23、连接管二24、二氧化碳罐2、甲烷罐4、一氧化碳管、氧气管的连接管上均设置有阀门，用于控制气体的开通和关闭。
39.平焰燃烧器13的冷却水进口通过水泵22与水箱6的出口连接，平焰燃烧器13的冷却水出口与水箱6的入口连接。水箱6通过水泵22对平焰燃烧器13进行冷却，降低平焰燃烧器13的表面温度。
40.平焰燃烧器13的内焰入口与给粉单元连接，并且给粉单元位于一维炉14石英反应管内部上端。给粉单元包括微量给粉器11，微量给粉器11通过进样管12与平焰燃烧器13连接，微量给粉器11的出口通过连接管二24与氮气罐1连接。微量给粉器11用于连续稳定的提供固体燃料，固体燃料颗粒在氮气的作用下进入到平焰燃烧器13进行进行燃烧。
41.一维炉14的石英反应管内部下端与固体颗粒取样单元连接。固体颗粒取样单元包括循环油取样15和气固分离器16，循环油取样15的入口位于一维炉14石英反应管内部下端。循环油取样15用于收集固体燃料颗粒反应后的产物。循环油取样15与石英反应管密封滑动连接，循环油取样15与石英反应管之间可以采用耐高温的密封垫进行密封。循环油取样15的出口与气固分离器16的入口连接，气固分离器16用于燃烧产物中气体和固体的分离。气固分离器16的密封垫耐200℃的高温。气固分离器16的外部包裹有加热带10，加热带10用于气固分离器16的加热，避免气体在气固分离器16内冷凝，影响气固分离效果。
42.循环油取样15内部的循环油管路入口通过油泵21与恒温油箱7出口连接，循环油管路出口与恒温油箱7的入口连接。恒温油箱7用于保证循环油取样15内的温度，避免循环油取样15内温度过高。
43.烟气分析单元位于固体颗粒取样单元的下游。烟气分析单元包括干燥管17和烟气分析仪19，干燥管17与气固分离器16的气体出口连接，干燥管17将烟气中的水蒸汽吸收，使得干燥气体排出。干燥管17的出口端设置有将烟气引出的抽气泵二20。干燥管17与抽气泵二20的连接管上设置有抽气泵一18，抽气泵一18的出口与烟气分析仪19连接，通过烟气分析仪19对排出的烟气进行气体产物的检测和监测。
44.基于上述超高温富氧-水下固体燃料热转化装置的热转化方法，包括以下步骤：
45.s1、将干燥的固体燃料加入到微量给粉器11中；微量给粉器11连续稳定的提供0.5g/h-7.0g/h的给料。
46.s2、打开预热炉8，打开恒流注水泵223，调节水流，使得水充分汽化为水蒸汽。恒流注水泵223的压力为0.8mpa，恒流注水泵223连续稳定的向预热炉8注水。预热炉8的温度为400℃-500℃，保证水能够充分的汽化为水蒸汽。
47.再打开氮气罐1和二氧化碳罐2，调节压力与流量，使得氮气和二氧化碳气体达到指定流量。最后打开甲烷罐4、一氧化碳罐5和氧气管，调节压力和流量，使得甲烷、一氧化碳和氧气达到指定流量。氮气、二氧化碳、水蒸汽、甲烷、一氧化碳、氧气在混气罐9中混合。打开加热带10。在加热带10作用下混气罐9与预热炉8、平焰燃烧器13之间的连接管以及混气罐9的温度为110℃-130℃，防止水蒸汽冷凝，提高气体混合的效果。
48.s3、打开点火装置，通过点火口对平焰燃烧器13进行引燃；打开水泵22，控制循环
水流量，对平焰燃烧器13进行降温。平焰燃烧器13的表面温度低于100℃。
49.s4、打开微量给粉器11和连接管二24上阀门，调节给粉速率，固体燃料颗粒在氮气气流的携带下通过进样管12进入反应火焰中，在沉降过程中进行热化学反应。
50.s5、打开油泵21，调整循环油取样15的温度，循环油取样15的温度为110℃-130℃。使得固体燃料在进入循环油取样15后立即停止热化学反应，并且避免水蒸汽发生冷凝。调整循环油取样15在一维炉14中的高度，进行固体燃料颗粒热转化后产物的取样。调整循环油取样15在一维炉14中的高度，得到固体燃料在超高温反应区不同停留时间的热化学反应转化数据。
51.s6、使用烟气分析仪19记录和保存气相检测数据。
52.s7、微量给粉器11进料结束后，迅速关闭氮气罐1、二氧化碳罐2、恒流注水泵223、甲烷罐4和一氧化碳罐5，关闭水泵22、油泵21、加热带10和循环油取样15。
53.s8、待气固分离器16温度降至室温，打开气固分离器16，收集固体颗粒样品。
54.s9、调整s2中氮气、二氧化碳、甲烷、一氧化碳的流量配比，重复s3-s8，得到固体燃料在不同温度和不同气氛的热化学转化数据。
55.因此，本发明采用上述超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法，在超高温、高氧浓度、高水蒸汽浓度下实现固体燃料颗粒稳定燃烧，进而评价其理化结构和反应特性；烟气成分提供固体燃料反应过程中的污染物的迁移和反应路径。
56.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，其特征在于：包括给粉单元、热解汽化单元、固体颗粒取样单元和烟气分析单元；所述热解汽化单元包括平焰燃烧器和一维炉，平焰燃烧器的外焰气体入口与混气罐的出口连接，混气罐与平焰燃烧器之间的连接管上包覆有加热带，混气罐的入口与预热炉的出口、甲烷罐出口、一氧化碳罐出口和氧气罐出口连接，混气罐与预热炉的连接管及混气罐上包覆有加热带，预热罐的进口与恒流注水泵出口、二氧化碳罐出口连接，预热罐的进口通过连接管一与氮气罐的出口连接；平焰燃烧器的内焰入口与给粉单元连接，并且给粉单元位于一维炉石英反应管内部上端；一维炉的石英反应管内部下端与固体颗粒取样单元连接，烟气分析单元位于固体颗粒取样单元的下游。2.根据权利要求1所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，其特征在于：所述平焰燃烧器的冷却水进口通过水泵与水箱的出口连接，平焰燃烧器的冷却水出口与水箱的入口连接。3.根据权利要求2所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，其特征在于：所述给粉单元包括微量给粉器，微量给粉器通过进样管与平焰燃烧器连接，微量给粉器的出口通过连接管二与氮气罐连接。4.根据权利要求3所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，其特征在于：所述固体颗粒取样单元包括循环油取样和气固分离器，循环油取样的入口位于一维炉石英反应管内部下端，循环油取样与石英反应管密封滑动连接，循环油取样的出口与气固分离器的入口连接，气固分离器的外部包裹有加热带。5.根据权利要求4所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，其特征在于：所述循环油取样内部的循环油管路入口通过油泵与恒温油箱出口连接，循环油管路出口与恒温油箱的入口连接。6.根据权利要求5所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置，其特征在于：所述烟气分析单元包括干燥管和烟气分析仪，干燥管与气固分离器的气体出口连接，干燥管的出口端设置有将烟气引出的抽气泵二，干燥管与抽气泵二的连接管上设置有抽气泵一，抽气泵一的出口与烟气分析仪连接。7.一种基于权利要求6所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置的热转化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将干燥的固体燃料加入到微量给粉器中；s2、打开预热炉，打开恒流注水泵，调节水流，使得水充分汽化为水蒸汽；再打开氮气罐和二氧化碳罐，调节压力与流量，使得氮气和二氧化碳气体达到指定流量；最后打开甲烷罐、一氧化碳罐和氧气管，调节压力和流量，使得甲烷、一氧化碳和氧气达到指定流量；氮气、二氧化碳、水蒸汽、甲烷、一氧化碳、氧气在混气罐中混合；打开加热带；s3、打开点火装置，通过点火口对平焰燃烧器进行引燃；打开水泵，控制循环水流量，对平焰燃烧器进行降温；s4、打开微量给粉器和连接管二上阀门，调节给粉速率，固体燃料颗粒在氮气气流的携带下通过进样管进入反应火焰中，在沉降过程中进行热化学反应；s5、打开油泵，调整循环油取样的温度，调整循环油取样在一维炉中的高度，进行固体燃料颗粒热转化后产物的取样；s6、使用烟气分析仪记录和保存气相检测数据；
s7、微量给粉器进料结束后，迅速关闭氮气罐、二氧化碳罐、恒流注水泵、甲烷罐和一氧化碳罐，关闭水泵、油泵、加热带和循环油取样；s8、待气固分离器温度降至室温，打开气固分离器，收集固体颗粒样品；s9、调整s2中氮气、二氧化碳、甲烷、一氧化碳的流量配比，重复s3-s8，得到固体燃料在不同温度和不同气氛的热化学转化数据。8.根据权利要求7所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置的热转化方法，其特征在于：所述s1中，微量给粉器连续稳定的提供0.5g/h-7.0g/h的给料。9.根据权利要求7所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置的热转化方法，其特征在于：所述s2中，预热炉的温度为400℃-500℃，恒流注水泵的压力为0.8mpa，在加热带作用下混气罐、混气罐与预热炉、平焰燃烧器之间的连接管温度为110℃-130℃。10.根据权利要求7所述的一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置的热转化方法，其特征在于：所述s3中，平焰燃烧器的表面温度低于100℃；所述s5中，循环油取样的温度为110℃-130℃。

技术总结

本发明公开了一种超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法，热解汽化单元的平焰燃烧器的外焰气体入口与混气罐的出口连接，混气罐的入口与预热炉的出口、甲烷罐出口、一氧化碳罐出口和氧气罐出口连接，预热罐的进口与恒流注水泵出口、二氧化碳罐出口连接，预热罐的进口通过连接管一与氮气罐的出口连接；平焰燃烧器的内焰入口与给粉单元连接，给粉单元位于一维炉石英反应管内部上端；一维炉的石英反应管内部下端与固体颗粒取样单元连接，烟气分析单元位于固体颗粒取样单元的下游。本发明采用上述超高温富氧-水下固体燃料热转化装置及热转化方法，在超高温、高氧浓度、高水蒸汽浓度下实现固体燃料颗粒稳定燃烧，评价理化结构和反应特性。和反应特性。和反应特性。