CN111650244B - 一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***及测试方法，包括：气流设置单元，用以提供外部横向气流与内部纵向气流；甲烷水合物调节支撑装置，包括盛放装置和升降装置，盛放装置包括筒体和筛板，筛板活动封装于筒体的底部，用于为甲烷水合物提供支撑；升降装置位于筛板的底部，且与筛板连接；筛板上设置有进气口，气源与筛板上的进气口连通；风洞，位于筒体的上方，风洞的底部与筒体相互连通，且平齐；风洞的端部设置风机；以及数据采集单元，包括高速摄像机、传感器组件和数据采集模块，传感器组件分布设置于筒体内部和筒体上部，高速摄像机设置于盛放装置的侧面，高速摄像机和传感器组件均与数据采集模块信号连接。

Description

一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***及测试方法
技术领域
本发明涉及气体水合物燃烧测试技术领域，具体涉及一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***及测试方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
甲烷水合物高效燃烧技术是国外提出的一种创新性能源利用技术，旨在将水合物作为燃料进行高效率燃烧使其直接转化成热能，该技术可为水合物法储运天然气技术的终端利用提供独特的解决方案，其优势在于能够减少水合物储运终端的气化分解装置，节省相关设备的基础投资和运行成本，进而提高综合经济效益，优化能源转换方式。
当前，科研人员针对甲烷水合物燃烧效率偏低的难题，已开展多种形式的燃烧实验研究工作。在大量研究报道中，“粉末状水合物燃烧特性优良”、“粒度、孔隙度等几何参数显著影响水合物燃烧特性”、“引入强制气流能够提高水合物燃烧效率”等结论均已达成共识，表明在强制气流环境下，将甲烷水合物以粉末颗粒形式进行燃烧，具有可行性及优越性。此外，颗粒几何参数和强制气流在水合物燃烧过程中具有协同作用，仅考虑单一因素的作用对于水合物燃烧效率的提升相当有限。因此，亟待开发相应的燃烧实验测试***，设计测试方案，探究颗粒几何参数与强制气流对水合物燃烧的协同作用，深入研究甲烷水合物颗粒在强制气流作用下的燃烧特性。国内外现有水合物燃烧测试***一般仅适用于自然对流条件，个别考虑了强制气流的燃烧测试***，存在可控性差、测试参数少、实验方式单一等缺点，无法满足研究需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***及测试方法。
为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例公开了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，包括：
气流设置单元，变频风机与风洞连接，提供外部横向气流；气瓶提供内部纵向气流；
甲烷水合物调节支撑装置，包括盛放装置和升降装置，盛放装置包括筒体和筛板，筛板活动封装于筒体的底部，用于为甲烷水合物提供支撑；升降装置位于筛板的底部，且与筛板连接；
筛板上设置有进气口，气源与筛板上的进气口连通；
风洞，位于筒体的上方，风洞的底部与筒体相互连通，且平齐；风洞的端部设置风机；
以及数据采集单元，包括高速摄像机、传感器组件和数据采集模块，传感器组件分布设置于筒体内部和筒体上部，高速摄像机设置于盛放装置的侧面，高速摄像机和传感器组件均与数据采集模块信号连接。
第二方面，本发明提供了一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试方法，包括如下步骤：
设计正交试验方案，将影响水合物燃烧的变量作为控制因子，设置各因子水平数值，形成因子水平表，形成正交试验方案表；
制备不同粒度水平的甲烷水合物颗粒；
将设定粒度水平的甲烷水合物颗粒填充于盛放装置内，通过调整升降装置来调整盛放装置中甲烷水合物的颗粒层厚度；
开启风洞端部的风机，为甲烷水合物颗粒燃烧提供横向强制气流；开启气源，为甲烷水合物燃烧提供纵向强制气流；
点燃甲烷水合物，进行燃烧试验，利用高速摄像机采集水合物颗粒表面形态与火焰影像，利用传感器组件采集燃烧过程中火焰温度、水合物颗粒层内部温度分布，利用烟气分析仪分析烟气成分、测算燃烧效率及过量空气系数。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
该燃烧测试***功能性强，兼具宏观现象的观测、动态变量的测量与微观分子的分析等功效，能够准确获取表征水合物燃烧状况的多个特征参数，适用于水合物颗粒燃烧特性的实验研究。
燃烧测试方法结合了正交试验方法，综合考虑了多因素作用，易于探求水合物颗粒燃烧规律，并可深入到燃烧机理研究层面。风洞和气源与正交试验方法相配合，以实现通过多因素的试验来研究甲烷水合物颗粒的燃烧规律。
此外，该测试***普适性强，灵活可控，易于改造，对于其他固体颗粒的燃烧测试设计同样具有参考价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
其中，1-变频风机；2-风洞；3-横向气流均流网；4-风速探测仪；5-风洞可视区域；6-排烟通道；7-水合物颗粒层；8-B型热电偶；9-烟气采样探管；10-点火器；11-K型热电偶；12-纵向气流均流网；13-筛板；14-盛水盘；15-称重托盘；16-称重传感器；17-高精度电子天平；18-精密手动升降台；19-空气瓶；20-压力表；21-出气阀；22-气体流量计；23-出气管；24-温度数据采集模块；25-烟气分析仪；26-计算机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，本发明提供了一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，包括：
气流设置单元，变频风机与风洞连接，提供外部横向气流；气瓶提供内部纵向气流；
甲烷水合物调节支撑装置，包括盛放装置和升降装置，盛放装置包括筒体和筛板，筛板活动封装于筒体的底部，用于为甲烷水合物提供支撑；升降装置位于筛板的底部，且与筛板连接；
筛板上设置有进气口，气源与筛板上的进气口连通；
风洞，位于筒体的上方，风洞的底部与筒体相互连通，且平齐；风洞的端部设置风机；
以及数据采集单元，包括高速摄像机、传感器组件和数据采集模块，传感器组件分布设置于筒体内部和筒体上部，高速摄像机设置于盛放装置的侧面，高速摄像机和传感器组件均与数据采集模块信号连接。
在盛放装置的筒体的底部设置筛板，甲烷水合物燃烧时滴下的水可以通过筛板流下，可以有效防止水积累在盛放装置的底部，对甲烷水合物的燃烧造成不利影响。
在一些实施例中，所述升降装置为精密手动升降台。
升降装置对筛板提供支撑力，在甲烷水合物的燃烧过程中，对筛板的位置进行实时调整，保证甲烷水合物颗粒层的上表面与风洞底板平齐，以保证甲烷水合物的燃烧稳定性。
进一步的，升降装置上放置有电子天平，电子天平上放置支架，支架的顶部与筛板连接。
支架可以将筛板的总重量传递给电子天平，通过电子天平可以实时测定甲烷水合物的质量变化。
进一步的，筛板的底部放置有盛水盘，盛水盘的底部设置有称重传感器。
盛水盘可以对从筛板滴落的水滴进行收集，并利用称重传感器实时测定水的质量变化，以求得燃烧过程中的气体释放速率(水合物质量损失＝释放气体质量+滴落水质量)。
更进一步的，所述盛水盘安装于升降装置上。
在一些实施例中，所述筛板的上方设置有纵向气流均流网。
纵向气流均流网便于将通入的空气均匀分散在盛放装置的横截面上，有利于实现甲烷水合物颗粒的均匀燃烧。
在一些实施例中，所述风洞的端部设置有横向气流均流网，横向气流均流网设置于风机的下游。
进一步的，风洞的燃烧区采用透明材质制成。形成可视区。
进一步的，风洞的末端设置排烟管道，排烟管道为弧形，末端朝上。
在一些实施例中，还包括烟气采样探管，烟气采样探管设置于火焰的末端位置，且与烟气分析仪连接。
烟气采样探管将采集到的烟气样品输送到烟气分析仪中进行检测，可以检测燃烧烟气中的成分，进而有利于对甲烷水合物燃烧的微观因素进行分析。
进一步的，还包括点火器，点火器位于盛放装置的下风侧，且靠近盛放装置的上表面设置。
第二方面，本发明提供了一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试方法，包括如下步骤：
设计正交试验方案，将影响水合物燃烧的变量作为控制因子，设置各因子水平数值，形成因子水平表，形成正交试验方案表；
制备不同粒度水平的甲烷水合物颗粒；
将设定粒度水平的甲烷水合物颗粒填充于盛放装置内，通过调整升降装置来调整盛放装置中甲烷水合物的颗粒层厚度；
开启风洞端部的风机，为甲烷水合物颗粒燃烧提供横向强制气流；开启气源，为甲烷水合物燃烧提供纵向强制气流；
点燃甲烷水合物，进行燃烧试验，利用高速摄像机采集水合物颗粒表面形态与火焰影像，利用热电偶采集燃烧过程中火焰温度、水合物颗粒层内部温度分布，利用烟气分析仪分析烟气成分、测算燃烧效率及过量空气系数。
优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***及方法，可制备不同组合形式的强制气流，满足水合物颗粒不同几何参数的实验要求，实时获取颗粒与火焰图像、火焰温度、水合物颗粒温度及水合物解离速率等参数，能够实现对复杂气流环境下水合物颗粒燃烧特性的全面表征。该实验测试***功能完备，实用性强，所采用的测试方法科学严谨，操控性强，易于投入到实验应用中，将为甲烷水合物高效燃烧技术基础研究给予有力支持。
具体测试方法，如下：
首先设计正交试验方案。将影响水合物燃烧的多个变量作为主要控制因子，合理设置各因子水平具体数值，形成因子水平表，并参照相应的正交表形式，最终形成正交试验方案表。
依据试验方案进行实验测试准备。制备高含气率甲烷水合物，并在其平衡温度下将其粉碎、筛分，获得不同粒度水平的甲烷水合物颗粒；调整升降台高度，使水合物颗粒装载深度与预设颗粒层厚一致；合理布置热电偶测量点位置，使其能够较好地反映空间温度场；调节变频风机转速、气瓶出气阀开度，由风速探测仪及气体流量计示数，判断能否获得与预设流速条件相符的强制气流；调整高速摄像机，确保能够捕获水合物颗粒及其火焰的动态特征。
依据试验方案逐次开展燃烧测试。取用特定粒度的水合物颗粒装载于玻璃槽中，保证水合物颗粒上表面与风洞底板齐平；快速调控气流设置单元，创造预设强制气流环境，以颗粒层某一位置处的温度为点火初始温度，当其升至预设温度时，用点火器引燃水合物；完成对整个燃烧过程的影像采集、温度监测、质量监测、烟气分析等工作，正交试验全部完毕后对各项燃烧测试数据进行整理与评价。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，以使本技术领域人员更好地理解其技术细节。
如图1所示，优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，主要包括气流设置单元、燃烧测试单元、数据采集单元。
气流设置单元包括变频风机1、风洞2、风速探测仪4、空气瓶19、气体流量计22等装置。变频风机1出口通向风洞2入口，用于供给水合物颗粒表面横掠气流，通过转速调控来改变气流输入强度。风洞2为一截面呈矩形的狭长通道，是输送横向强制气流、支持水合物燃烧的场所，其主体部分采用不锈钢板制成(内壁黑色)，燃烧发生位置前侧则采用透明玻璃板形成可视区域。风洞入口通过变截面结构与主体通道连接，通道前段设有均流网以改善横向气流的均匀性，通道中段为燃烧发生位置，风洞2出口为特制弧形向上的排烟通道。风速探测仪4设置于风洞前段、横向气流均流网3之后，用于实时测定横向气流的流速。空气瓶19通过管路与燃烧测试单元的筛板13联通，用于提供水合物颗粒内部纵向气流，气体流量计作为纵向气流强度的度量。
燃烧测试单元包括热电偶、烟气采样探管9、点火器10、玻璃槽、筛板13、盛水盘14、称重传感器16、高精度电子天平17、精密手动升降台18等装置。热电偶采用适于高温测量的B型热电偶和适于低温测量的K型热电偶，分别测取火焰温度及水合物颗粒温度变化，依据实验情况可自由调节数量及排布位置。烟气采样探管设置于燃烧位置下风侧一定高度处，用于采集燃烧生成的烟气并进行燃烧状况分析。
点火器10设置于燃烧位置下风侧、水合物颗粒近表面，用于引燃水合物。玻璃槽截面呈矩形，且上下敞口，上口与风洞可视区域底板固结，作为水合物颗粒充装容器。筛板、盛水盘、称重传感器、高精度电子天平等装置组成差重测试***，是燃烧测试单元核心部分，其中筛板可在玻璃槽中上下滑动，用于承载水合物颗粒层，并起到纵向导气、排水的作用；盛水盘14采取中空设计，置于筛板13正下方，用于收集燃烧中滴落的液态水，称重传感器16实时测定其质量变化；采用顶杆结构穿过盛水盘中空部分，将筛板13总重量传递给高精度电子天平17，可实时测定水合物颗粒质量变化。精密手动升降台18承载整个差重测试***，采用螺杆控制升降，可实现对水合物颗粒层厚度的自由调节。
数据采集单元包括高速摄像机、温度数据采集模块24、烟气分析仪25及专用计算机26等设备。高速摄像机用于采集颗粒与火焰影像，实现对宏观现象的有效观测。温度数据采集模块24用于实时采集热电偶所测温度值，采取数据多通道同步采集模式，可借助配套的DAQ中心软件，在计算机上实时显示并记录温度变化情况，形成温度-时间曲线。烟气分析仪作为烟气采样探管的后处理器，用于分析烟气成分、测算燃烧效率及过量空气系数。
现采用该实验测试***，完成强制气流条件下甲烷水合物颗粒的燃烧试验，其具体的实验测试流程如下：
1.设计正交试验方案。将水合物颗粒粒度、水合物颗粒层厚、点火时的初始温度、表面横掠气流流速、内部纵向气流流速等5个变量作为主要控制因子，每个因子选定4个水平数值(如层厚取1cm、2cm、3cm、4cm)，制定因子水平表，再将因子水平安排在L16(45)正交表上，译成试验方案表，总计16次独立试验。
2.材料准备与装置调试。以某次独立试验为例(粒度0.2-0.3mm，层厚1cm，点火起始温度-60℃，横掠气流1m/s，纵向气流0.1m/s)：筛选粒度为0.2-0.3mm的水合物颗粒，置于液氮中特定容器内低温保存；手动调节升降台高度，测量筛板表面与风洞底板间的高差，使其达到1cm，随后将升降台固定；在筛板以上1mm、5mm、9mm高度处各设一支K型热电偶，偶丝测点位于玻璃槽竖直中心轴上，以监测颗粒层底部、中部及表面温度变化；在风洞底板以上1cm、3cm、5cm高度处各设一支B型热电偶，偶丝测点位于玻璃槽竖直中心轴上，以监测火焰不同位置处温度变化；逐步增大变频风机转速并观察风速探测仪示数，确保风速能够达到1m/s并维持稳定后，关闭风机；缓慢打开空气瓶出气阀并观察气体流量计示数，确保气流能够达到由0.1m/s折算出的流量值并维持稳定后，关闭阀门；在风洞可视区域前方调整高速摄像机视效，保证能够获取清晰完整的水合物颗粒及其火焰影像。
3.开展燃烧测试。从液氮中取出水合物颗粒快速装载于玻璃槽中，保证颗粒均匀充满空间，用刮板将其上表面修齐整平；启动高速摄像机及各传感器，实时采集监测不同数据信息；调节风机转速、出气阀开度，使各强制气流流速达到预设值，以颗粒层表面温度为参照，当其升至点火初始温度-60℃时，用点火器引燃水合物颗粒层；燃烧过程中，影像采集、温度监测、质量监测、烟气分析等工作同步进行，完成对各项燃烧测试数据的获取与记录。
4.数据整理与评价。处理高速摄像机获取的影像信息，可得到燃烧时长、颗粒相态演变规律、火焰结构演变规律、火焰脉动频率及火焰传播速率；分析热电偶测温数据，可得到燃烧中颗粒层及火焰的空间离散点温度演变特性；根据差重数据，可计算燃烧过程中各组分的质量变化速率；根据烟气分析数据可得到烟气组成、燃烧效率、过量空气系数，有助于燃烧微观机理的探究。完成16次试验后，将某一参量(如燃烧效率)作为评价指标进行比较，获得最优的颗粒几何参数、强制气流参数及点火温度条件，并可依据正交试验统计原理对5因子的影响力进行主次排序。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：包括：
气流设置单元，变频风机与风洞连接，提供外部横向气流；气瓶提供内部纵向气流；
甲烷水合物调节支撑装置，包括盛放装置和升降装置，盛放装置包括筒体和筛板，筛板活动封装于筒体的底部，用于为甲烷水合物提供支撑；升降装置位于筛板的底部，且与筛板连接；
筛板上设置有进气口，气源与筛板上的进气口连通，筛板的上方设置有纵向气流均流网；
风洞，位于筒体的上方，风洞的底部与筒体相互连通，且平齐；风洞的端部设置风机，风洞的端部设置有横向气流均流网，横向气流均流网设置于风机的下游；
气流设置单元还包括风速探测仪，风速探测仪设置于风洞前段、横向气流均流网之后；
以及数据采集单元，包括高速摄像机、传感器组件和数据采集模块，传感器组件分布设置于筒体内部和筒体上部，高速摄像机设置于盛放装置的侧面，高速摄像机和传感器组件均与数据采集模块信号连接；
所述甲烷水合物的形态为粉末颗粒。
2.根据权利要求1所述的优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：所述升降装置为精密手动升降台。
3.根据权利要求1所述的优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：升降装置上放置有电子天平，电子天平上放置支架，支架的顶部与筛板连接。
4.根据权利要求1所述的优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：筛板的底部放置有盛水盘，盛水盘的底部设置有称重传感器，盛水盘安装于升降装置上。
5.根据权利要求1所述的优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：风洞的燃烧区采用透明材质制成。
6.根据权利要求1所述的优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：风洞的末端设置排烟管道，排烟管道为弧形，末端朝上。
7.根据权利要求1所述的优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：还包括烟气采样探管，烟气采样探管设置于火焰的末端位置，且与烟气分析仪连接。
8.根据权利要求1所述的优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试***，其特征在于：还包括点火器，点火器位于盛放装置的下风侧，且靠近盛放装置的上表面设置。
9.一种优化甲烷水合物燃烧效率的实验测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
设计正交试验方案，将影响水合物燃烧的变量作为控制因子，设置各因子水平数值，形成因子水平表，形成正交试验方案表；
制备不同粒度水平的甲烷水合物颗粒；
将甲烷水合物颗粒填充于盛放装置内，通过调整升降装置来调整甲烷水合物的颗粒层厚度；
开启风洞端部的风机，为甲烷水合物颗粒燃烧提供横向强制气流；开启气源，为甲烷水合物燃烧提供纵向强制气流；
点燃甲烷水合物，进行燃烧试验，利用高速摄像机采集水合物颗粒表面形态与火焰影像，利用热电偶采集燃烧过程中火焰温度、水合物颗粒层内部温度分布及，利用烟气分析仪分析烟气成分、测算燃烧效率及过量空气系数。
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