[科普中国]-加热氧化试验法

煤加热氧化试验法

为模拟研究煤火燃烧污染物产出特征与燃烧工况的内在关联特性，设计并构建了一种煤加热氧化综合实验系统1。

实验系统构成煤加热氧化综合实验系统由炉体、热源装置、空压机(供氧)、流量计、压差计及温度巡检系统等组成。

（1）炉体结构

实验系统炉体由硬质壳体与聚氨酯保温隔热材料构成。炉体一侧沿高度方向均匀布置10个热电偶温度检测孔，另一侧沿高度方向均匀布置4个煤样采样孔，炉体中部布置2个加热器线缆孔，底部布置空气分布器使供氧截面气流均匀。炉体上、下分别设有外盖，外盖与炉体采用螺栓、石棉垫密封连接。盖体中部分别连接三通，用于供气、出气及流量、压差测量。

（2）热源装置

实验系统热源装置由电加热丝构成，考虑加热效果、绝缘等因素选用陶瓷履带式加热器作为加热热源。加热功率为2.5kW，供电电压为55V，以硬质钢丝网固定放置于炉体中部。

（3）供氧系统及烟气分析

采用空气压缩机给实验系统供氧，空气压缩机与炉体间采用软胶管连接，供氧速率根据实验需要确定。采用烟气分析仪及色谱分析仪分析炉体排除烟气的成分，采集的炉体内煤样可用X射线衍射仪、原子吸收分光光度计、原子荧光光度计等仪器，分析其物质成分及痕量重金属元素的变化。

（4）参数在线巡检系统

该实验系统主要监测的参数有:炉体内温度场分布、空气供给流量、烟气排出流量、热源加热功率、炉体上下端流体压差。这些参数用于模拟研究炉体内煤样反应热量生成、热量传递等过程，是实验系统的重要组成部分。该巡检系统基于WebAccess开发。参数巡检系统的功能主要有:动态画面、历史趋势、实时趋势、报警摘要、报表查询、系统介绍、退出功能等。动态画面:动态画面可显示20路温度(实际安装了10路)、2路流量、1路压差值。在常态下字体为绿色显示，在达到设定报警值时字体为红色显示。历史趋势:分为4个图，分别显示23路传感器数据的粗略历史走势，数据记录是以时间为标准进行数据记录的(X轴为时间)，一个数据记录趋势群组显示10个点。

实验原理该实验系统主要用于模拟研究煤氧化燃烧过程宏观热量传递、燃烧产物、痕量元素富集与煤氧化燃烧工况的动态演化过程。实验时首先将煤样装入炉体内，密封;开启参数巡检系统，开启热源加热装置，开启空气压缩机，连续监测记录温度、功率、流量、压差等参数至炉体内实验温度达到最高值。实验过程中，根据需要可在不同温度段采集炉体内不同位置煤样(记录该处温度)，分析其痕量元素的富集情况。采用烟气分析仪实时分析烟气成分及浓度。根据烟气温度、流量、成分、组分，空气流量、组分，炉体温度场、加热热量等参数数据，基于能量守恒、质量守恒原理，结合前期煤火燃烧系统热动力特性相关模型，模拟研究煤火热动力演化过程及其污染物产出规律。

炉体温度场数值模拟基于实际实验条件，在给定热源功率条件下，模拟研究不同供气流量炉体内温度场分布。

边界条件中设定上下盖为绝热条件，无热量释放;炉壁设定为一定热通量，有部分热量释放;炉体下部空气入口与上盖烟气出口间设定一定压差以提供空气流动的动力。不考虑进、出气区域流速，炉体内温度分布总体呈上部区域温度大于下部区域温度，上部区域流速高于下部区域流速。在入口压力100、200、300Pa条件下，炉体内能达到的最高温度分别为1126、959、852℃，即随入口压力(流量)增加，炉体内最高温度降低，而达到最高温度的时间缩短。通过模拟，可初步了解给定压差(即给定流量)条件下炉体内温度场、流场分布情况，可为了解实际实验过程炉体内温度场、流场分布提供一定依据2。