[發(fā)明專利]一種基于原位解耦的氣固反應(yīng)分析裝置及分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510175580.2
• 申請日: 2015-04-14
• 公開（公告）號(hào): CN104749206B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫紹增;郭洋洲;高丁一;趙義軍;岳君容;余劍;許光文
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué);中國科學(xué)院過程工程研究所
• 主分類號(hào): G01N25/00
• 分類號(hào): G01N25/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所23109
• 代理人: 王大為

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種分析裝置及分析方法，具體涉及一種基于原位解耦的氣固反應(yīng)分析裝置及分析方法。

背景技術(shù)

高溫(400～1800℃)氣固反應(yīng)大量存在于工業(yè)實(shí)際中，尤其是固體碳基燃料的高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)。能源的高效利用和低污染排放要求對于高溫氣固反應(yīng)的過程進(jìn)行更精細(xì)的控制。高溫氣固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)機(jī)理的研究是能源、化工領(lǐng)域極其重要的課題。

高溫氣固反應(yīng)過程通常極其復(fù)雜，受溫度、壓力、反應(yīng)氣氛、傳熱、傳質(zhì)、催化效應(yīng)、反應(yīng)物的理化結(jié)構(gòu)、本征反應(yīng)特性等復(fù)雜因素的共同影響。其中，獲得反應(yīng)物本征反應(yīng)特性是重點(diǎn)的研究課題。而具體顆粒反應(yīng)物的高溫氣固反應(yīng)受反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣氛、流場的影響，每一個(gè)因素均可能成為反應(yīng)進(jìn)程的首要控制因素。研究本征反應(yīng)特性需要弱化非本征因素的影響，而研究每一個(gè)因素的影響則需要相應(yīng)地弱化其它因素的影響。

高溫氣固反應(yīng)，特別是固體碳基燃料的反應(yīng)具有階段性，實(shí)際工業(yè)裝置中各個(gè)階段的反應(yīng)通常是緊密耦合或者根據(jù)溫度、氣氛、流場的控制被解耦為多個(gè)階段。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法通常針對某一個(gè)階段的反應(yīng)開展研究，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)研究中各個(gè)階段之間的耦合條件由于引入溫度、氣氛的非原位處理而整體上嚴(yán)重偏離工業(yè)實(shí)際。

例如，煤粉燃燒耦合了煤粉熱解和焦炭燃燒兩個(gè)截然不同的過程。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)通常單獨(dú)分析熱解，而研究燃燒則是通過熱解制焦，再分析焦炭的燃燒。這個(gè)過程相對于緊密耦合的熱解和燃燒過程的巨大差異是，制焦引入了熱解生成焦的降溫處理，且再分析制得焦炭的燃燒則引入了焦炭的再次升溫處理，這種焦炭降溫、再升溫的非原位處理會(huì)影響焦炭的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致本征反應(yīng)性偏移工業(yè)實(shí)際，從而實(shí)驗(yàn)分析出的結(jié)果不準(zhǔn)確。

熱重分析法被廣泛應(yīng)用于氣固反應(yīng)的分析，其突出的優(yōu)點(diǎn)是失重稱量精度高。但在分析固體碳基燃料的高溫氣固反應(yīng)時(shí)，其缺點(diǎn)是：1.熱重中樣品的升溫速率通常為0～300℃/min，遠(yuǎn)低于實(shí)際工業(yè)中高達(dá)10⁴～10⁶℃/s的升溫速率，由于升溫速率嚴(yán)重影響熱解過程，從而反應(yīng)過程與實(shí)際工業(yè)相比產(chǎn)生了質(zhì)的差異；2.熱重的測量原理的是精確稱量失重，這種測量原理限制了熱重中不能采用較強(qiáng)、較大的氣流直接吹掃樣品，樣品的傳熱傳質(zhì)極其容易成為反應(yīng)的控制因素，從而掩蓋了樣品的本征反應(yīng)特性，導(dǎo)致分析結(jié)果不可信；3.熱重分析多階段反應(yīng)時(shí)，原位樣品氣氛切換緩慢而可控性差，非原位樣品引入降溫、再升溫的熱處理，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確；4.熱重失重?cái)?shù)據(jù)無法用于分析污染性氣體的生成機(jī)理；而熱重與其他氣體分析儀聯(lián)用時(shí)，由于氣流量太小、流道復(fù)雜從而返混嚴(yán)重，導(dǎo)致檢測結(jié)果無法代表實(shí)際反應(yīng)的氣體釋放序列從而無法較好分析涉及氣體生成的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理。探索一種可連續(xù)原位分析高溫氣固反應(yīng)，特別是固體碳基燃料高溫?zé)徂D(zhuǎn)化反應(yīng)的方法和儀器，分析樣品的本征反應(yīng)特性，以及本征反應(yīng)特性與反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣氛、流場可控耦合影響下樣品反應(yīng)過程的機(jī)理具有極重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有分析裝置及方法不能較好地分析多階段高溫氣固反應(yīng)的問題，進(jìn)而提出一種基于原位解耦的氣固反應(yīng)分析裝置及分析方法。本發(fā)明原位解耦分析多階段高溫氣固反應(yīng)的原理是使用溫度變化和氣氛變化將碳基燃料的反應(yīng)解耦為多個(gè)原位反應(yīng)階段，使用近似平推流反應(yīng)器和在線氣體檢測器獲得反應(yīng)過程的信息，實(shí)現(xiàn)碳基燃料反應(yīng)的原位解耦分析。具體地：流化床反應(yīng)器或固定床反應(yīng)器在惰性氣流或弱反應(yīng)性氣流的供入狀態(tài)下，使用瞬時(shí)進(jìn)料器將碳基燃料樣品快速送入處于的高溫狀態(tài)的反應(yīng)器中，來模擬實(shí)際工業(yè)裝置中的快速升溫?zé)峤膺^程；碳基燃料樣品快速升溫?zé)峤猓M(jìn)而生成具有原位反應(yīng)性的焦炭；通過氣氛切換程序和反應(yīng)溫度控制程序，來程序地改變原位焦炭顆粒的氣氛和溫度，從而啟動(dòng)新反應(yīng)階段或者停止當(dāng)前反應(yīng)進(jìn)程，碳基燃料的反應(yīng)因溫度和氣氛的程序控制被分成若干個(gè)原位反應(yīng)階段。流化床反應(yīng)器或固定床反應(yīng)器采用近似平推流的氣體流通狀態(tài)，采用氣體檢測器檢測和記錄反應(yīng)全過程中反應(yīng)器尾部生成氣體的組分、濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，從而分析原位反應(yīng)過程。實(shí)現(xiàn)上述原位解耦分析多階段高溫氣固反應(yīng)的技術(shù)核心是對反應(yīng)區(qū)進(jìn)行氣氛和反應(yīng)溫度的程序控制。本發(fā)明在提出前述分析測試原理的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)不同樣品反應(yīng)過程對氣氛和反應(yīng)溫度變化控制的要求，提出兩種技術(shù)路線：技術(shù)路線一的溫度變化是在電加熱爐中設(shè)置冷卻介質(zhì)通道，來拓寬溫度變化速率的范圍；技術(shù)路線二的溫度變化是在電加熱爐中設(shè)置多個(gè)溫度區(qū)域，通過反應(yīng)器在不同溫度區(qū)域的移動(dòng)，來拓寬溫度變化速率的范圍。