CN104483350A - 模拟煤升温及绝热氧化的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟煤程序升温及绝热氧化的装置，包括：进气配气部、箱内温度控制部、气体采集分析部和数据采集部。进气配气部用于自动控制流入所述装置的气体的流量并对流入所述装置的气体进行混合。箱内温度控制部用于根据通过一控制按钮选择的控制方式，通过所述多个控制仪表控制并记录所述程序控温箱内的温度。气体采集分析部用于自动采集、检测并记录升温和/或绝热氧化过程后的气体成分。数据采集部利用PC机自动记录至少一煤样罐内的煤样的温度、流量及压力数据。本发明利用一装置可实现自动控制模拟煤程序升温以及绝热氧化的过程，且自动控制并记录气体的温度、流量及煤样的温度等数据，减少了人为失误，提高了模拟过程的精准度及效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟煤升温及绝热氧化的装置，尤其涉及一种能自动模拟分析煤升温及自燃指标气体及其绝热氧化性的装置。
背景技术
在煤矿井下，不同温度条件下，煤与氧气反应会产生一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等气体，且氧气消耗量及这些气体的产生量均与煤温有较好的对应关系。为此，可以通过设计一种模拟煤在低温下而自燃氧化的绝热装置来检测煤燃烧产物中的气体成分，进而有效地判定煤炭是否发生低温自燃及其自燃程度。
目前，现有的模拟煤自燃指标气体的分析为一套装置，而模拟煤绝热氧化的过程的装置为另一套独立的装置，因而成本相对较高。而且，现有的程序升温装置和绝热氧化装置等装置存在模拟过程人工操作费时、费工，且伴有人为失误而影响模拟效果等缺点。同时，在实验时气路控制过程中还不能考虑多种气体混合，气路密闭性不够好，难以达到预想的效果，很难快速分析不同氧气浓度对煤自燃的影响。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种模拟煤升温及绝热氧化的装置，能自动、快速和准确的模拟煤绝热氧化和升温，从而在节省了成本的同时，还可以有效的提高模拟的精准度及效率。
本发明提供一种模拟煤升温及绝热氧化的装置，包括：
进气配气部，用于自动控制流入所述装置的气体的流量并对流入所述装置的气体进行混合，包括：一空气压缩机、多个稳压阀、多个压力表、多个流量计、一进气混合仓和多个控制仪表；
箱内温度控制部，包括一程序控温箱，所述箱内温度控制部用于根据通过一控制按钮选择的控制方式，利用工控软件程序，通过所述多个控制仪表控制并记录所述程序控温箱内的温度；
气体采集分析部，用于自动采集、检测并记录升温和/或绝热氧化过程后的气体成分，包括：出气混合仓、冷却器和气相色谱分析仪；及
数据采集部，包括PC机和至少一煤样罐，用于利用所述PC机自动记录所述至少一煤样罐内的煤样的温度、流量及压力数据，其中，所述至少一煤样罐包括以下中的一种或多种：传热煤样罐和绝热煤样罐。
本发明还提供一种模拟煤升温及绝热氧化的装置，包括由升温模拟***和绝热氧化模拟***共用的如下装置：
进气配气部，用于自动控制流入所述装置的气体的流量并对流入所述装置的气体进行混合；
箱内温度控制部，用于根据通过一控制按钮选择的控制方式，利用工控软件程序，通过所述多个控制仪表控制并记录一程序控温箱内的温度；
气体采集分析部，用于自动采集、检测并记录升温和/或绝热氧化过程后的气体成分；及
数据采集部，用于利用一PC机自动记录至少一煤样罐内的煤样的温度、流量及压力数据，其中，所述至少一煤样罐包括以下中的一种或多种：传热煤样罐和绝热煤样罐。
相较于现有技术，本发明提供的模拟煤升温及绝热氧化的装置，通过电脑程序自动控制进口气体流量，实现多种气体混合，集模拟煤自燃程序升温及模拟煤绝热氧化两种功能于一体。并自动记录温度及流量等数据，实现该装置的模拟过程自动化控制。从而更有效的控制多种气体定量混合、保证气路良好的密闭性、降低模拟过程的成本。同时，还能够简化模拟过程中的人工操作，减少人为失误，提高了模拟的精确度及效率。
附图说明
图1是本发明一实施方式的模拟煤升温及绝热氧化的装置的结构框架图。
图2是图1所示的模拟煤升温及绝热氧化的装置的具体结构示意图。
主要原件符号说明
| 装置 | 100 |
| 空气压缩机 | 1 |
| 稳压阀 | 2 |
| 压力表 | 3 |
| 流量计 | 4 |
| 进气混合仓 | 5 |
| 气体预热铜管 | 6 |
| 传热煤样罐 | 7 |
| 绝热煤样罐 | 8 |
| 出气混合仓 | 9 |
| 隔热层 | 10 |
| 程序控温箱 | 11 |
| 加热器 | 12 |
| 风扇 | 13 |
| 温度传感器 | 14 |
| 煤样 | 15 |
| 冷却器 | 16 |
| 控制仪表 | 17 |
| 控制按钮 | 18 |
| 气相色谱分析仪 | 19 |
| PC机 | 20 |
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1所示，其为本发明一实施方式的模拟煤升温及绝热氧化的装置100的示意图。装置100包括一升温模拟***和一绝热氧化模拟***，通过该装置100的升温模拟***即可实现模拟煤样15(图2所示)进行程序升温的过程，通过该装置100的绝热氧化模拟***即可实现模拟煤样15(图2所示)绝热氧化的过程。在一实施方式中，该装置100为一用于实验的实验装置。
在一实施方式中，装置100包括进气配气部A、箱内温度控制部B、气体采集分析部C、数据采集部D。其中，进气配气部A、箱内温度控制部B、气体采集分析部C、数据采集部D由升温模拟***及绝热氧化模拟***共用。
请一并参阅图2，进气配气部A包括空气压缩机1、若干气瓶(含减压阀)、若干稳压阀2、若干压力表3、若干流量计4、进气混合仓5和若干控制仪表17。进气配气部A主要用于：对流入装置100的气体进行稳压后，再通过控制仪表17调节各个流量计4对应的气体的流量，在进气混合仓5进行气体混合，接着进入箱内气体预热铜管6，实现按比例配气和供气。本实施方式中，流入的气体可以包括：二氧化碳、氧气、氮气，相应的由二氧化碳气瓶、氧气瓶、氮气瓶提供。稳压阀2、压力表3、流量计4均对应设置3个。
箱内温度控制部B包括气体预热铜管6、隔热层10、程序控温箱11、加热器12、风扇13、若干温度传感器14、若干控制仪表17和若干控制按钮18。箱内温度控制部B是根据自行设计的工控软件程序，通过控制按钮18选择控温方式，根据温度传感器14，控制程序控温箱11内的加热器13和风扇15，并通过控制仪表17记录控制程序控温箱11内和煤样中温度传感器14温度、实现配气、恒温、自动跟踪或者程序升温等操作。
气体采集分析部C包括出气混合仓9、冷却器16和气相色谱分析仪19。气体采集分析部C主要用于将传热煤样罐7或者绝热煤样罐8中释放出来的气体直接通过气管路，接入冷却器16冷却，输入到气相色谱分析仪19中，由气相色谱分析仪19自动完成气体成分检测，并记录相应数据。
数据采集部D则由PC机(个人计算机)20和煤样罐组成。具体的，煤样罐由至少一传热煤样罐7和至少一绝热煤样罐8组成。数据采集部D主要是利用自行设计的程序软件以PC机20为平台实现对煤自燃低温绝热氧化过程中的温度、流量及压力等数据的记录及处理。当要模拟程序升温过程时，数据采集部D包括2个传热煤样罐7，当要模拟绝热氧化过程时，数据采集部D包括则包括1个传热煤样罐7、1个绝热煤样罐8。在其他实施方式中，还可根据需要选择要使用的煤样罐的种类及其数量。
以上各元器件/设备的具体介绍如下。
进气配气部A中：空气压缩机1是用来压缩空气并提供一定压力气体；稳压阀2是控制阀体内的启闭件的开度来稳定出口气体压力；压力表3用于计量并显示进气压力；流量计4用于控制进气流量来配置不同组分气体；进气混合仓5是使进气得到充分混合；控制仪表17用于显示及控制程序控温箱11的温度及流量计4的流量，显示煤样15的温度和压力表3的读数。
本实施方式中，控制仪表17也用于箱内温度控制部B中。
箱内温度控制部B中：气体预热铜管6用于将气体预加热使得进气温度与程序控温箱11内温度一致；隔热层10主要用于程序控温箱11保温隔热作用；程序控温箱11用于控制其内的升温；加热器12起加热程序控温箱11内空气温度作用；风扇13为散热装置，主要起到平衡程序控温箱11内各处热量的作用；温度传感器14用于测量程序控温箱11和绝热煤样罐8内煤样15或传热煤样罐7内煤样15的温度；控制按钮18用于在被按压时，产生相应的控制机器的启动或停止、程序升温或绝热氧化等的操作信号，以传输至相应的设备中控制设备执行该操作信号对应的控制指令。
气体采集分析部C中：出气混合仓9使从各煤样罐中排出的气体得到充分混合；冷却器16主要用于冷却出气温度；气相色谱仪19用于对煤样5产生气体进行定性、定量分析。
数据采集部D中：PC机20可以是台式计算机、笔记本电脑等计算机设备，用于装置100的数据输出和控制***。传热煤样罐7主要用于承装煤样15以及用于程序控温箱11与其罐内的煤样12之间的导热。绝热煤样罐8主要用于承装煤样15，并保证煤样15氧化放热的热量不散失。
此外，煤样15为测试样品。本实施方式中，煤样15为颗粒状的煤炭(程序升温时，所用粒度为1.25～1.6mm、1.6～2mm、2～3.5mm、3.5～5mm、5～7mm；绝热氧化时，所用为0.180mm粒径的煤颗粒)。
本实施方式中，气体预热铜管6采用直径2mm、厚度0.76mm、大概16m长的纯铜材质，对进入传热煤样罐7的气体进行预热，使进气温度与炉膛内的温度几乎完全一致。
传热煤样罐7是为圆柱形纯铜材质，装煤直径为7cm，高10cm，顶部和底部两端均安设铜比网，在中部布置1-2个铂丝温度探头，并留设0.5cm左右的自由空间，以利于煤样15加温均匀，以及检测气体成分。
程序控温箱11包括箱体和箱门，整个箱体和箱门均采用不锈钢内胆，外加石棉保护层的双层构造，以达到保温隔热效果。程序控温箱11箱体内的风扇13用来强制对箱体内的气体进行对流，使箱体内部温度场均匀。
PC机20和程序控温箱11的控制器通过数据线连接，在PC机20的温控***的控制下实现对程序控温箱11箱体内空间环境温度进行控制或跟踪。
在本实施方式中，用于模拟煤绝热氧化过程中的绝热煤样罐8是采用石英玻璃材质、双层构造的杜瓦瓶绝热形式，内外表面光洁镀银以防治辐射，罐内中间抽真空防止气体对流换热，从而可有效的减少热传导。进气孔在绝热煤样罐8底部，出气孔在绝热煤样罐8顶部，并在煤样顶部加装石棉有效隔绝和滞留煤氧化产生的热量，并有助于均匀气流，防止煤进入气路。PC机20和程序控温箱11的控制器通过数据线连接，从而，利用PC20机对于绝热煤样罐10内的温度做到实时监测，每一定时间间隔自动记录一次绝热煤样罐内的温度。
如下详细介绍程序升温模拟过程及绝热氧化模拟过程的具体模拟实施过程。
1、程序升温模拟。
为了解决实验台炉体内煤样在不同温度、不同氧气量及不同空气湿度等条件下对煤体内部温度场和浓度场的实时变化可视化模拟检测问题，自行设计一种煤升温模拟***，该***利用程序升温色谱法，即色谱柱的温度按照组分沸点设置的程序连续地随时间线性或非线性逐渐升高，使柱温与组分的沸点相互对应，以使低沸点组分和高沸点组分在色谱柱中都有适宜的保留、色谱峰分布均匀且峰形对称，各组分的保留值可用色谱峰最高处的相应温度即保留温度表示，进而完成对不同条件下煤体内部温度场及浓度场的检测。
该升温模拟***主要包括上述的进气配气部A、箱内温度控制部B、气体采集分析部C及数据采集部D。其中，数据采集部D包括了2个传热煤样罐7。
(一)煤样干燥。将图中2中绝热煤样罐8更换为传热煤7，将破碎好的煤样装入2个传热煤样罐7，连接好进气管，打开氮气气瓶，通过进气配气部A将氮气通过气体接入到传热煤样罐7内。通过控制按钮18上的“启动”按键开启程序控温箱11，按下“程序控温”按键，切换到程序控温模式。手动打开PC机20，通过其上的程序升温软件实现程序控温箱11和介质通入量的控制。利用PC机20、加热器12以及风扇13的配合工作实现对煤样干燥过程程序升温速率的控制，并通过PC机20上的程序升温软件开始运行整个升温模拟***，在一预设时间段内完成对煤样的干燥。
(二)程序升温。关闭氮气瓶开关，启动空气压缩机1，经过稳压阀2、压力表3，通过箱内温度控制部A设置流量计4，再经过进气混合仓5充分混合后接入到预热气管6，进入传热煤样罐7内。本实施方式中，是通过PC机20利用安装的程序升温软件实现对空气通入量的控制。利用PC机20、加热器12以及风扇13的配合工作实现对煤样程序升温过程的程序升温速率的控制，并通过PC机20上的程序升温软件开始运行整个程序升温***。
(三)气体采集。通过PC机20上软件的控制，将传热煤样罐9内的煤样在不同温度阶段排出的气体经过出气混合仓9采集到气相色谱分析仪19中进行分析，并由气相色谱分析仪19自动记录分析所得数据。
(四)模拟停止。当完成煤样程序升温后，通过控制键盘18上的“停止”按键关闭程序控温箱11，然后关闭空气压缩机1、气相色谱分析仪19以及PC机20，该程序升温模拟程序停止。
2、绝热氧化模拟。
为了解决当前出现和使用的大型模拟自燃实验因测试过程长、绝热程度不高导致煤产生热量不同程度向环境散失，导致测试所得温升曲线不能很好代表煤的自燃特性的问题，本发明采用自行设计的小煤样绝热氧化法模拟煤自燃过程，测试时间一般在数小时到数十小时之间。在尽量不使热量从煤样罐内散失的同时，该模拟***也确保了环境不向煤样加热。
该绝热氧化模拟***主要包括上述的的进气配气部A、箱内温度控制部B、气体采集分析部C、数据采集部D。其中，数据采集部D包括了1个传热煤样罐7和1个绝热煤样罐8。
(一)煤样干燥。程序升温箱内只保留1个传热煤样罐7，并装填煤样15，其煤样15干燥模拟过程与程序升温模拟的煤样干燥过程相同，在此就不再赘述。
(二)绝热氧化。关闭氮气瓶开关，将传热煤样罐7内进行过上述干燥处理的煤样置换到绝热煤样罐8内，将进气管连接到绝热煤样罐8。开启氧气瓶，经过稳压阀2、压力表3，通过箱内温度控制部B设置流量计4，再经过进气混合仓5充分混合后接入到预热气管6，进入绝热煤样罐8内。同样的，通过PC机20上的程序升温软件实现对空气通入量的控制。弹起控制按钮18上的“绝热氧化”按键，切换到温度自动追踪模式。在PC机20上程序升温软件中开启温度自动追踪功能并开始运行整个绝热氧化模拟过程。
(三)数据采集。通过PC机20上程序控温软件的温度自动追踪，实现对绝热煤样罐8内的温度的实时监测，每隔一预设时间间隔自动记录一次绝热煤样罐8内的温度。最后导出实验数据。
(四)模拟停止。当完成绝热煤样罐8内的煤样绝热氧化模拟过程后，通过控制按钮18上的“停止”按键关闭程序控温箱11，然后关闭氧气瓶开关以及PC机20，该绝热氧化模拟程序停止。
本发明的模拟煤程序升温及绝热氧化的装置100，包括了可由其升温模拟***和绝热氧化模拟***共用的进气配气部A、箱内温度控制部B、气体采集分析部C、数据采集部D。通过一套装置实现多种用途，通过电脑程序控制进口气体流量，从而实现多种气体混合，集煤自燃程序升温及模拟煤绝热氧化两种功能于一体。能够在无人职守情况下自动完成不同气体组分下程序升温模拟过程和绝热氧化模拟过程。
该装置100利用PC机20及安装在PC机的控制软件，采集各煤样罐内的煤样15的温度，设定控温仪表的控制温度，使得进入杜瓦瓶内气流温度与煤体温度一致，进而实现绝热氧化的效果，可以实现自动控制煤样15低温氧化过程的绝热，并自动记录煤样15低温自燃的气体变化规律及温度变化规律，方便得出煤样15自燃指标气体及基于绝热氧化模拟过程而分析煤样15的自燃倾向性。
而且，通过在程序控温箱11的进气口按照程序控制设定各个气体进气流量，实现多种气体定量混合；并自动记录温度及流量等数据，实现装置100的模拟过程自动控制。从而，不仅能够有效的控制多种气体定量混合、保证气路良好的密闭性、降低模拟过程的成本。同时，还能够简化模拟过程中的人工操作，减少模拟过程中的人为失误，提高模拟的精确度及效率。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (11)
1.一种模拟煤升温及绝热氧化的装置，其特征在于，包括：
进气配气部，用于自动控制流入所述装置的气体的流量并对流入所述装置的气体进行混合，包括：一空气压缩机、多个稳压阀、多个压力表、多个流量计、一进气混合仓和多个控制仪表；
箱内温度控制部，包括一程序控温箱，所述箱内温度控制部用于根据通过一控制按钮选择的控制方式，利用工控软件程序，通过所述多个控制仪表控制并记录所述程序控温箱内的温度；
气体采集分析部，用于自动采集、检测并记录升温和/或绝热氧化过程后的气体成分，包括：出气混合仓、冷却器和气相色谱分析仪；及
数据采集部，包括PC机和至少一煤样罐，用于利用所述PC机自动记录所述至少一煤样罐内的煤样的温度、流量及压力数据，其中，所述至少一煤样罐包括以下中的一种或多种：传热煤样罐和绝热煤样罐。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述箱内温度控制部还包括：
气体预热铜管，用于将流入所述装置的气体预加热至进气温度与所述程序控温箱内的温度一致；
加热器，用于加热所述程序控温箱内的空气温度；
多个温度传感器，分别设置于所述程序控温箱、所述绝热煤样罐内和所述传热煤样罐内，用于分别感测所述程序控温箱、所述绝热煤样罐内的煤样及所述传热煤样罐内的煤样的温度。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述气体采集部利用所述出气混合仓将所述传热煤样罐中释放出来的气体充分混合，利用所述冷却器冷却经所述出气混合仓混合后的气体，再通过气管路输入到所述气相色谱分析仪中，由所述气相色谱分析仪完成气体成分检测，并记录相应的检测数据。
4.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于：所述气体预热铜管为纯铜材质，用于对进入所述传热煤样罐的气体进行预热，并控制进气温度与所述传热煤样罐的炉膛内的温度相同。
5.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于：所述传热煤样罐为纯铜材质的圆柱形罐，顶部和底部两端均安设铜比网，中部设有一或两个铂丝温度探头。
6.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于：所述绝热煤样罐采用石英玻璃材质、双层构造的杜瓦瓶，且内外表面镀银，罐内为真空。
7.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于：所述程序控温箱采用不锈钢内胆，外加石棉保护层的双层构造。
8.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于：所述箱内温度控制部还包括一隔热层和一风扇。
9.一种模拟煤升温及绝热氧化的装置，其特征在于：包括由升温模拟***和绝热氧化模拟***共用的如下装置：
进气配气部，用于自动控制流入所述装置的气体的流量并对流入所述装置的气体进行混合；
箱内温度控制部，用于根据通过一控制按钮选择的控制方式，利用工控软件程序，通过所述多个控制仪表控制并记录一程序控温箱内的温度；
气体采集分析部，用于自动采集、检测并记录升温和/或绝热氧化过程后的气体成分；及数据采集部，用于利用一PC机自动记录至少一煤样罐内的煤样的温度、流量及压力数据，其中，所述至少一煤样罐包括以下中的一种或多种：传热煤样罐和绝热煤样罐。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于：
所述进气配气部包括：一空气压缩机、多个稳压阀、多个压力表、多个流量计、一进气混合仓和多个控制仪表；
所述箱内温度控制部包括：气体预热铜管、加热器、多个温度传感器、一隔热层和一风扇；
所述气体采集分析部包括：出气混合仓、冷却器和气相色谱分析仪;及所述数据采集部包括：PC机和至少一煤样罐。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于：
所述气体预热铜管用于将流入所述装置的气体预加热至进气温度与所述程序控温箱内的温度一致；
所述加热器用于加热所述程序控温箱内的空气温度；
所述多个温度传感器，分别设置于所述程序控温箱、所述绝热煤样罐内和所述传热煤样罐内，用于分别感测所述程序控温箱、所述绝热煤样罐内的煤样及所述传热煤样罐内的煤样的温度；
所述气体采集部利用所述出气混合仓将所述传热煤样罐中释放出来的气体充分混合，利用所述冷却器冷却经所述出气混合仓混合后的气体，再通过气管路输入到所述气相色谱分析仪中，由所述气相色谱分析仪完成气体成分检测，并记录相应的检测数据。
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