CN111707698B - 一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法 - Google Patents
一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法，包括原料煅烧设备、高温空气输送***、空气冷却***、若干温度和压力传感器以及数据采集控制***。本发明既可以实现恒定加热条件也可以实现交变加热条件下的原料煅烧反应特性的研究，探讨气体流量、温度、原料尺寸、加热策略等对高温煅烧反应强化及均化的影响机制，并能够开展加热策略与原料煅烧产物性能的内在关系研究。本发明能够克服现有实验***加热方式单一的不足，具有较大的实验温度和流量区间，操作简便，易于控制。本发明能够对不同的反应强化和均化技术进行实验测试，对新型煅烧工艺及新型煅烧窑的设计与开发提供指导。
Description
技术领域
本发明属于冶金、化工等行业原料煅烧反应强化技术领域，特别涉及一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法。
背景技术
原料煅烧过程是冶金、化工领域的常见生产过程，能源消耗量大。以石灰生产过程为例，据国际石灰协会统计，2017年中国石灰产量为2.30亿吨，生产这些石灰至少需要0.23亿吨标煤。原料煅烧窑内普遍存在非等温的特点，导致了能源利用率低，产物质量参差不齐，产物品质有待进一步提升。因此，如何测试不同煅烧条件下煅烧窑内部散料床层的温度均匀性和原料煅烧反应特性，进而优选并设计出能够均匀加热物料并生产高质量煅烧产物的煅烧窑，已成为了冶金化工领域亟待解决的重大问题。
目前对散料床层原料煅烧设备的研究较少，设备尺寸较小，同时只能进行定工况测试。有文献表明，交变加热方式能够提高颗粒内部的分解，而在均温过程，颗粒表面高温区域向核心低温区域传递热量，因此在颗粒核心充分反应时产物外壳不易由于长期处于高温下而发生过烧。但是目前研究仅局限于理论和数值模拟阶段，且与实际存在较大的简化，亟需试验测试。同时交变加热方式对于散料床层温度均匀性的影响尚不明晰，因此，亟需一个可实现交变加热方式下散料床层煅烧测试的综合实验装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法，能够研究传统持续加热方式、流量或温度交变加热方式以及流量和温度协同交变加热方式下不同气体流量、气体进口温度、颗粒尺寸等对原料煅烧反应特性以及散料床层温度均匀性的影响规律。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，包括：
原料煅烧设备，其主要包括首尾相连的颗粒填充罐11和旁通管道7，颗粒填充罐11的入口设置有切换阀门一10，旁通管道7的入口设置有切换阀门二9，在颗粒填充罐11内的不同位置设置有多个温度传感器；
与原料煅烧设备相连向其提供高温煅烧气体的高温空气输送***，其包括风机2以及通过进气管路与风机2相连的空气加热器6，空气加热器6的出口通过原料煅烧设备的连接管路8与切换阀门一10和切换阀门二9相连，在所述进气管路上设置有进气阀5、流量传感器4和温度传感器；
与原料煅烧设备相连对其出口气体进行冷却降温的空气冷却***，其包括冷却器13，在冷却器13的冷却介质出入口均设置温度传感器；
以及，
与所述空气加热器6、进气阀5、流量传感器4和各温度传感器连接的数据采集控制***12。
所述颗粒填充罐11由自下而上依次通过螺栓及法兰20连接的渐扩段19、不锈钢筒体18和渐缩段17组成。
所述法兰20间安装有用于密封渐扩段19和渐缩段17与不锈钢筒体18间的缝隙的石墨垫片。
所述渐扩段19和渐缩段17带有整流栅。
所述不锈钢筒体18内部不同的轴向和径向位置上，以及渐扩段19和渐缩段17内部均布置有温度传感器。
所述空气冷却***包括依次相连构成闭合循环回路的冷却器13、冷却塔14、水箱15和水泵16，冷却器13与原料煅烧设备的出口相连，原料煅烧设备出口的高温空气通过冷却器13后排入大气。
所述风机2入口安装有过滤器1，出口通过三通管接头分別与排气管路和所述进气管路连接，其中排气管路上安装有排气阀3。
本发明还提供了基于所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置的测试方法，步骤如下：
1)在颗粒填充罐11内放满一定尺寸的原料颗粒并密封；
2)打开进气阀5，启动风机2并调节流量传感器4，启动并使空气冷却***稳定运行，打开切换阀门一10，闭合切换阀门二9；
3)设定煅烧温度并打开空气加热器6，利用数据采集控制***12实时记录颗粒填充罐11内不同轴向和径向位置的温度；
4)加热至指定温度后，调节数据采集控制***12使切换阀门一10和切换阀门二9进入自动调节模式，并设定流量交变方式以及温度交变方式，其中流量交变方式是设定切换阀门一10和切换阀门二9切换的时间间隔及开合度变化曲线，温度交变方式是设定气体进口温度变化曲线，通过切换阀门一10和切换阀门二9的开合度变化，高温空气在颗粒填充罐11和旁通管道7间的流量分配周期性变化；通过空气加热器6功率的变化，气体进口温度周期性变化，从而实现气体流量和空气进口温度协同交变，颗粒填充罐11内部原料在空气进口温度和流量协同交变的作用下重复经历加热和均温过程；
5)达到设定的煅烧时间后，关闭空气加热器6，使切换阀门一10打开，切换阀门二9闭合；
6)颗粒填充罐11内部物料冷却至室温后，在颗粒填充罐11内部不同位置处取出煅烧产物，测量产物性能；
7)通过调节设定的空气进口温度、空气流量、流量和温度交变参数以及装入的颗粒尺寸，多次重复步骤1至步骤6，以获得不同参数如空气进口温度、空气流量、交变间隔、颗粒直径等对原料煅烧特性和散料床层温度均匀性的影响规律。
步骤4)中设定的流量和温度交变方式，常见交变方式如正弦式、和方波式，通过调节阀门一10和阀门二9的开合度，使流经颗粒填充罐的空气流量呈正弦或方波式变化；通过设定空气温度变化曲线，空气加热器加热功率自动调节，使空气进口温度呈正弦或方波式变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法，可以研究不同气体流量、气体进口温度、颗粒尺寸等对高温煅烧反应过程影响规律，同时可以进行不同种类物料的高温煅烧实验。气体进口温度最高可到800℃，气体流量最高可到270kg/h，拓宽了实验研究的范围。
2、本发明一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法，不仅可以进行传统持续加热方式的原料煅烧实验，通过阀门开合度以及空气加热器功率的周期性变化，还可以进行交变加热方式下的原料煅烧实验，能够实现流量和温度的单独交变加热，也能够实现流量和温度协同交变加热，阀门与空气加热器自动调节，交变参数可调，操作方便。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是颗粒填充罐示意图。
图3是颗粒填充罐内部径向温度传感器的安装位置。
图4为空气流量与温度恒定的加热方式，左图为空气温度设定曲线，右图为阀门开合度曲线。
图5为空气流量或温度呈方波式的交变加热方式，左图为空气温度设定曲线，右图为阀门开合度曲线。
图6为空气流量或温度呈正弦式的交变加热方式，左图为空气温度设定曲线，右图为阀门开合度曲线。
图7为实施例中持续加热和方波式交变加热方式在不同加热时间下煅烧的产物柠檬酸值变化曲线。
图8为颗粒填充罐中心位置不同高度处颗粒间空隙温度随时间变化情况。其中(a)为持续加热方式的温度变化曲线，(b)为交变加热方式的温度变化曲线。
图中：1-过滤器，2-风机，3-排气阀，4-流量传感器，5-进气阀，6-空气加热器，7-旁通管道，8-进气管路，9-切换阀门二、10-切换阀门一，11-颗粒填充罐，12-数据采集控制***，13-冷却器，14-冷却塔，15-水箱，16-水泵，17-渐缩段，18-不锈钢筒体，19-渐扩段，20-法兰。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参见图1，本发明的实验装置包括原料煅烧设备和与原料煅烧设备相连的高温空气输送***、空气冷却***以及数据采集控制***12；
原料煅烧设备包括颗粒填充罐11、旁通管道7以及切换阀门二9、切换阀门一10，颗粒填充罐11与旁通管道7首尾相连；
高温空气输送***包括风机2以及通过进气管路与风机2相连的空气加热器6，风机2入口安装有过滤器1，风机2出口通过三通管接头分別与排气管路和进气管路连接，其中排气管路上安装有排气阀3，进气管路上安装有与数据采集控制***12相连的温度传感器、压力传感器、进气阀5和流量传感器4；空气加热器6的出口通过原料煅烧设备的连接管路8与原料煅烧设备的入口相连；空气加热器6与数据采集控制***12相连；
空气冷却***包括依次相连构成闭合循环回路的冷却器13、冷却塔14、水箱15和水泵16，冷却器13与原料煅烧设备的出口相连，原料煅烧设备出口的高温空气通过冷却器13后排入大气。冷却器13入口及出口管路上分别安装有与数据采集控制***12相连的温度传感器。
参见图2和图3，本发明的颗粒填充罐11包括带有整流栅的渐扩段19、渐缩段17以及不锈钢筒体18，渐扩段19和渐缩段17与不锈钢筒体18通过螺栓及两侧的法兰20相连，法兰20间安装有石墨垫片密封渐扩段19和渐缩段17与不锈钢筒体18间的缝隙。不锈钢筒体18内部不同的轴向和径向位置上，以及渐扩段19和渐缩段17内部布置有与数据采集控制***12相连的温度传感器。
根据以上结构，本发明用于测试交变加热方式下原料高温煅烧反应特性及床层温度均匀性的方法，通过以下步骤进行实施：
1)取下渐扩段19，在颗粒填充罐11内放满一定尺寸的原料颗粒，并密封渐扩段19两侧法兰20；
2)打开进气阀5，启动风机2并调节流量传感器4；打开冷水塔14风扇和水泵16，使空气冷却***稳定运行；使切换阀门一10打开，切换阀门二9闭合；
2)待***稳定运行后，设定煅烧温度并打开空气加热器6，利用数据采集控制***实时记录颗粒填充罐11内不同轴向和径向位置的温度；
3)加热至指定温度后，调节数据采集控制***12使切换阀门一10和切换阀门二9进入自动调节模式，并设定流量交变方式(切换阀门一10和切换阀门二9切换的时间间隔及开合度变化曲线)以及温度交变方式(气体进口温度变化曲线)。通过切换阀门一10和切换阀门二9的开合度变化，高温空气在颗粒填充罐11和旁通管道7间的流量分配周期性变化；通过空气加热器6功率的变化，气体进口温度周期性变化，从而实现气体流量和空气进口温度协同交变，颗粒填充罐11内部原料在空气进口温度和流量协同交变的作用下重复经历加热和均温过程；
4)达到设定的煅烧时间后，关闭空气加热器6，使切换阀门一10打开，切换阀门二9闭合；
5)颗粒填充罐11内部物料冷却至室温后取下渐扩段19，在颗粒填充罐11内部不同位置处取出煅烧产物，依据煅烧产物的种类和要求测量产物性能。
6)通过调节设定的空气进口温度、空气流量、交变间隔以及装入的颗粒尺寸，多次重复步骤1至步骤5，以获得不同参数(如空气进口温度、空气流量、交变间隔、颗粒直径等)下原料煅烧特性和散料床层温度均匀性的影响规律。
流量和温度可恒定也可交变，参考图4、图5、图6，常见交变方式如正弦式、和方波式，通过调节阀门一10和阀门二9的开合度，使流经颗粒填充罐的空气流量呈正弦或方波式变化；通过设定空气温度变化曲线，空气加热器加热功率自动调节，使空气进口温度呈正弦或方波式变化。
具体地，以水镁石矿石为例，在670℃恒定空气进口温度、270kg/h空气流量、3cm颗粒直径的条件下，以持续加热和方波式交变加热方式(空气进口温度恒定，阀门一10、阀门二9以10分钟为间隔开关，使进入颗粒填充罐11的空气流量呈方波式变化)在不同的加热时间下煅烧，煅烧结束后测量产物活性。
具体地，以柠檬酸值作为评价指标，柠檬酸酸值越低，产物更容易参与反应，活性越好。柠檬酸值测试方法：在100ml的烧杯中放入搅拌子，称取0.1mol/L柠檬酸溶液50mL，倒入烧杯内，在烧杯内滴入两滴酚酞指示剂，将烧杯置于650r/min的磁力搅拌器上，30℃恒温水浴加热，称取1g煅烧后的经0.125μm的筛网过滤后的水镁石原料，待烧杯内柠檬酸溶液温度达到29.2℃时，将试料倒入烧杯内，同时开始计时，待酚酞刚开始变红时停止计时，重复进行平行实验。
持续加热和方波式交变加热方式在不同加热时间下煅烧的产物柠檬酸值变化曲线如图7所示，可以看出，随着煅烧时间的增大，产物柠檬酸值不断增大，且增大幅度显著，这是由于产物持续处于高温气氛下发生烧结，导致活性下降。对比持续加热和交变加热方式下柠檬酸值的变化曲线可以看出，在相同的加热时间下，交变加热方式下的柠檬酸值低于持续加热方式下的柠檬酸值，分别降低3.0％、7.7％、4.7％和4.0％。这是由于在交变加热方式下，颗粒重复经历加热和均温两个过程。在加热过程，颗粒表层被高温气体加热并首先发生反应。在均温过程，颗粒外壳已经反应的部分通过导热将热量传递给未反应核心，导致内外温度更均匀，产物外壳温度较低，使颗粒充分反应时外壳不易发生过烧，因此产物活性得到改善。
具体地，在颗粒填充罐11内装满直径2-6cm的水镁石矿石，在持续和交变加热方式(空气进口温度恒定，阀门一10、阀门二9以10分钟为间隔开关，使进入颗粒填充罐11的空气流量呈方波式变化)下分别开展煅烧实验，对比床层温度分布及变化情况，以探究交变加热方式对散料床层温度均匀性的影响。空气质量流量为260kg/h，气体入口温度为500℃、加热时间为2h，交变间隔为10min。
图8为颗粒填充罐11中心位置不同高度处颗粒间空隙温度随时间变化情况。从持续和交变加热方式的温度变化曲线均可以看出，气体进口处水镁石矿石温度最高，出口处温度最低，这是由于高温气体首先接触进口处位置，最后经过出口处床层，导致沿着空气流动方向产生了温度梯度。还可以看出，加热到一定温度后，升温速率变得平缓，这是由于床层温度达到水镁石分解温度后，发生分解反应，吸收了大量的热。从图8(b)交变加热方式的温度变化曲线可以看出，床层温度随时间呈锯齿状变化，在加热过程温度升高而在均温过程温度降低。同时可以看出，散料床层轴向温差在加热过程增大，而在均热过程减小。之所以产生这样的现象，是因为在加热阶段，高温气体流过实验段将热量传递给矿石导致床层温度升高，而在均热阶段，由于反应的吸热和罐体壁面的散热，导致床层温度降低，从而形成了锯齿状温度变化。对比图8(a)和图8(b)可以发现，交变加热方式下床层轴向温差较持续加热方式小，这是由于在均热阶段进口处高温矿石通过热传导的形式向出口处低温矿石传递热量，导致床层轴向温差减小。
另外，本发明可以调节气体流量、气体进口温度、交变间隔和颗粒尺寸，研究不同参数对高温煅烧反应过程的影响规律，同时可以进行不同种类物料的高温煅烧实验。气体进口温度最高可到800℃，气体流量最高可到270kg/h，拓宽了实验研究的范围。本发明所使用的循环工质为空气，绿色环保无污染。
本发明不仅可以进行传统持续加热方式的原料煅烧实验，通过阀门开合度以及空气加热器功率的周期性变化，还可以进行交变加热方式下的原料煅烧实验，能够实现流量和温度的单独交变加热，也能够实现流量和温度协同交变加热，阀门与空气加热器自动调节，交变参数可调，操作方便。
Claims (9)
1.一种流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，包括：
原料煅烧设备，其主要包括首尾相连的颗粒填充罐(11)和旁通管道(7)，颗粒填充罐(11)的入口设置有切换阀门一(10)，旁通管道(7)的入口设置有切换阀门二(9)，在颗粒填充罐(11)内的不同位置设置有多个温度传感器；
与原料煅烧设备相连向其提供高温煅烧气体的高温空气输送***，其包括风机(2)以及通过进气管路与风机(2)相连的空气加热器(6)，空气加热器(6)的出口通过原料煅烧设备的连接管路(8)与切换阀门一(10)和切换阀门二(9)相连，在所述进气管路上设置有进气阀(5)、流量传感器(4)和温度传感器；
与原料煅烧设备相连对其出口气体进行冷却降温的空气冷却***，其包括冷却器(13)，在冷却器(13)的冷却介质出入口均设置温度传感器；
以及，
与所述空气加热器(6)、进气阀(5)、流量传感器(4)和各温度传感器连接的数据采集控制***(12)。
2.根据权利要求1所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述颗粒填充罐(11)由自下而上依次通过螺栓及法兰(20)连接的渐扩段(19)、不锈钢筒体(18)和渐缩段(17)组成。
3.根据权利要求2所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述法兰(20)间安装有用于密封渐扩段(19)和渐缩段(17)与不锈钢筒体(18)间的缝隙的石墨垫片。
4.根据权利要求2所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述渐扩段(19)和渐缩段(17)带有整流栅。
5.根据权利要求2所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述不锈钢筒体(18)内部不同的轴向和径向位置上，以及渐扩段(19)和渐缩段(17)内部均布置有温度传感器。
6.根据权利要求1所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述空气冷却***包括依次相连构成闭合循环回路的冷却器(13)、冷却塔(14)、水箱(15)和水泵(16)，冷却器(13)与原料煅烧设备的出口相连，原料煅烧设备出口的高温空气通过冷却器(13)后排入大气。
7.根据权利要求1所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述风机(2)入口安装有过滤器(1)，出口通过三通管接头分別与排气管路和所述进气管路连接，其中排气管路上安装有排气阀(3)。
8.基于权利要求1-7任一权利要求所述流量与温度协同交变加热方式下高温煅烧反应特性的实验装置的测试方法，其特征在于，步骤如下：
1)在颗粒填充罐(11)内放满一定尺寸的原料颗粒并密封；
2)打开进气阀(5)，启动风机(2)并调节流量传感器(4)，启动并使空气冷却***稳定运行，打开切换阀门一(10)，闭合切换阀门二(9)；
3)设定煅烧温度并打开空气加热器(6)，利用数据采集控制***(12)实时记录颗粒填充罐(11)内不同轴向和径向位置的温度；
4)加热至指定温度后，调节数据采集控制***(12)使切换阀门一(10)和切换阀门二(9)进入自动调节模式，并设定流量交变方式以及温度交变方式，其中流量交变方式是设定切换阀门一(10)和切换阀门二(9)切换的时间间隔及开合度变化曲线，温度交变方式是设定气体进口温度变化曲线，通过切换阀门一(10)和切换阀门二(9)的开合度变化，高温空气在颗粒填充罐(11)和旁通管道(7)间的流量分配周期性变化；通过空气加热器(6)功率的变化，气体进口温度随时间周期性变化，从而实现气体流量和空气进口温度协同交变，颗粒填充罐(11)内部原料在空气进口温度和流量协同交变的作用下重复经历加热和均温过程；
5)达到设定的煅烧时间后，关闭空气加热器(6)，使切换阀门一(10)打开，切换阀门二(9)闭合；
6)颗粒填充罐(11)内部物料冷却至室温后，在颗粒填充罐(11)内部不同位置处取出煅烧产物，测量产物性能；
7)通过调节设定的空气进口温度、空气流量、流量和温度交变参数以及装入的颗粒尺寸，多次重复步骤1)至步骤6)，以获得不同参数对原料煅烧特性和散料床层温度均匀性的影响规律。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述步骤4)中，通过调节阀门一(10)和阀门二(9)的开合度，使流经颗粒填充罐的空气流量随时间呈正弦或方波式变化；通过设定空气温度变化曲线，空气加热器加热功率自动调节，使空气进口温度随时间呈正弦或方波式变化。
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