專利名稱：自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及任何一種需要對固體顆粒樣品的燒失量和/或熱分解反應(裂解)進行測量進而對過程進行監控和優化并且對特定的粉末產品進行質量控制的領域。
背景技術：
本發明的目的，如其標題所示，在于提供一種自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應(裂解)的裝置，所述固體顆粒自動由導管內導入并且在導管內通過氣流被運輸。燒失量(LOI)是在樣品顆粒在有氧環境中的受控溫度下燃燒后質量減少量百分比表現形式。該參數通常與樣品顆粒中的固定碳組分有關。當在缺氧環境下受控溫度提高時，發生熱分解反應或裂解，并在上述條件下產生的質量損失與固體顆粒樣品中揮發性物質組分相關。本發明特別適用于使用固體粉末狀燃料(煤或生物質)的鍋爐或爐子，或在流化床上使用。在上述情況下，灰燼的未燃物質組分(燃料燃燒后的固體殘留)通過測定LOI 的值來得到確定。在同樣的環境中，本發明允許自動對運送給鍋爐的燃料的灰燼組分以及在特定升溫并缺氧的條件下的揮發性物質組分的燒失量這一燃燒參數進行測定。上述參數為了對固體燃料進行質量控制而在實驗室中被周期性測量。用于評價燃燒固體燃料(煤或生物質)的表現的一個最重要的參數是在作為生成的燃燒殘余物的灰燼中的未燃物質組分。對該參數的控制對于建立消耗優化的操作策略和后續的CO2排放來說都是至關重要的。測量上述參數的好處還在于對于灰燼的特性的足量監控的可能性有利于其作為水泥工業的添加劑的銷售并且有助于確定控制NOx的操作策略的界限。上述重要參數以前都通過每天的手動提取樣本并對其在實驗室中進行后續分析來進行測定，上述樣品通常從連接電除塵器灰塵收集斗和簡倉的氣動傳輸導管中取得。上述分析通常遵循各種不同標準中的步驟來進行，如標準ISO 1171 “固體物質燃料-灰燼的測定”或者其與在其他國家中與其等同的標準，如西班牙的標準UNE32-004-84“固體燃料的灰分測定”或者ASTM C311-07 “用于波特蘭水泥混凝土的粉煤灰或天然火山灰的取樣和測試的標準檢測方法”。上述標準中所述的操作過程均十分相似，包括在分析天平上對冷坩堝進行稱重，對裝有灰燼樣品的坩堝進行稱重，將樣品加熱到特定溫度直至質量恒定(在ISO 中是815°C，在ASTM中是750°C，或者其他任何在有氧環境下使得固體顆粒可以充分進行熱分解反應的溫度)，在干燥器中冷卻并對裝有加熱后的樣品的坩堝進行稱重。另外，上述通過受控的溫度升高而進行測量的方式用于測定固體燃料中的灰燼組分。下文所述的在有氧環境下進行熱分解反應的方法和標準與上文提到測定灰燼中未燃物質的方法和標準非常類似，只是在進行熱分解反應的情況下測定灰燼組分時，殘余物質的質量增加而不是減少。
在同樣的背景下，通常情況下在受控的溫度升高后測定重量的減少，但在無氧環境下，通常都對固態燃料中的揮發性物質組分進行測定。上述測定的示例可以參照標準ISO 562,UNE 32-019-84或ASTM D 3175中的方法。在上述標準中確定的步驟與測定LOI的十分類似，不同之處在于在加熱過程中坩堝上設置有一個蓋并且對每種燃料都設有不同的加熱程序(溫度和時間)。目前，已經有自動實驗裝置可以簡化分析過程，將人工操作降至最低，特別是涉及到稱重和加熱過程。上述裝置的大幅應用意味著針對其設計和使用的標準的誕生ASTM D5142 “使用儀器化的過程進行煤和焦炭的工業分析的標準檢測方法”，上述標準用于使用自動實驗室裝置對煤進行快速分析。此種裝置的示例可以為商業系統，如FERCo生產的s Hot Foil LOI Instrument 或者 LECO 生產的 MAC400。類似地，美國專利文件US 4，846，292描述了手動將多組樣品放入一系列的容器中并依次對其進行分析來測定未燃物質的自動裝置。另外還有一種實驗室裝置通過燃燒已知質量的樣品并測量生成的C02來測定灰燼樣品中的碳組分。由于灰燼中大部分未燃物質是碳，所以上述測量結果與LOI值在數值上非常相似。這些儀器通常對樣品進行元素分析，而主要元素便是碳、氫和氧。具體參照標準ASTM D5373 “儀器檢測實驗室樣品中的碳、氫和氧的標準檢測方法”。在所有上文描述過的情況下，在提取樣品并將其放置至自動實驗分析裝置和在測量完成后將其移除的過程中，操作員的參與是必不可少的。在多數情況下，此種操作將對上述重要參數的監控限定在提取樣品后一天的單一值上，從而使得對燃燒條件的有效調整(作為灰燼中未燃物質含量或燃料性質的改變的結果)變得不可能。考慮到針對灰燼中未燃物質的測量，近幾年開發出了多種管線測量裝置用于測量上述參數并且其對上述參數的測量的響應時間足夠對過程進行有效的控制。通常這種裝置包括一種自動提取樣品、連接到運送導管的系統，以及一個分析提取的灰燼的系統。在所有上述情況下，裝置都是基于非直接的測量方式(電容紅外或微博傳感器)，上述測量方式非常容易受到灰燼中性質的變化的影響。進而導致在灰燼改變時測量值的不確定性較大這一情況的出現頻率增加。
發明內容
本發明提供了一種用于管線測量固體顆粒的燒失量的裝置，其主要用于燃煤熱電廠中的固體燃料鍋爐或者爐子中的灰燼未燃物質的測定，以及揮發性物質和燃料中灰燼的測定。本裝置的測量方法的基本原則與代表灰燼(或未燃物質)的測定的標準ISO 1171 和代表揮發性物質的測定的標準UNE 32-019-84相同，雖然上述過程已經被用于安裝在導管附近的自動測量裝置中，上述兩個標準均指手動參數測量。因此本裝置的測量方法兼具上述基于參照標準進行測量的儀器的精準(但此種儀器對灰燼屬性和物理化學參數的改變不敏感)以及與上述過程相關的管線系統的相應速度。本裝置使得整個測量過程均為全自動的并且不需要任何操作員的參與。其包括必要的部件使得灰燼樣品從導管中被取出，被通過氣流在導管中進行傳送，對待分析的等份樣品進行稱重，根據待測量的參數值而決定在有氧或無氧環境中對樣品在依據特定的程序控制的溫度(舉例來說，在ISO 1171中對灰燼組分或未燃物質檢測時設定在815°C，或者在其他任何溫度或熱曲線下使得其具有更容易確定等份樣品的燒失量和熱分解反應的特征) 下對樣品進行加熱，在加熱后對樣品進行稱重，計算燒失量，將被分析的樣品從其來源的導管內除去，清潔并準備下一循環。本裝置的最基本特性在于可以將顆粒樣本放置于一個始終處于爐子內的受體或圓柱形坩堝中并可以將樣本除去以進行一個新的循環，所述爐子最好是具有溫度控制的電爐；所有上述步驟均自動完成。為了實現上述特性，本裝置具有一個從頂部穿透爐子的導管，所述導管的一端較佳地呈圓頂狀并位于坩堝的靠上部分。樣品在重力作用下通過上述導管并且沉積在坩堝內受熱處。坩堝被一個不接觸爐子側壁穿過坩堝底部并最終依靠在一個分析天平上的桿所支撐。通過這種方式，樣品重量的改變從進入爐子的入口到最終被燃燒的過程中均被持續測量并獲得一個連續的重量值。在分析過后，包括天平、支撐桿和坩堝的組件沿爐子軸線的方向進行直線運動，使得坩堝底部接近顆粒進入的導管釋放部分的圓頂狀部分。與此同時，隨著坩堝接近圓頂狀部分，裝置通過顆粒進入的導管進行抽氣使得燃盡的樣品被全部清除。燃燒所需的空氣在有氧狀態下從爐子底蓋和支撐坩堝的桿之間的自由空間內進入爐子，在自然吸力的作用下進行循環并從爐子頂蓋的開口處排出。對于在無氧狀態下進行加熱的情況來說，由于需要對揮發性物質進行測量，裝置有可能在坩堝上設置一個蓋子以防止空氣進入。上述蓋子最好具為圓形冠形，并且其內圓周被上述導管穿過使得顆粒可以進入爐子內部。所述蓋可以在垂直方向上自由移動使得其依靠自身重量停靠在顆粒進入的導管圓頂狀部分上。上述坩堝在垂直方向上移動使得其可以停靠在某個位置上從而使其邊緣表面與蓋接觸，進而防止空氣的進入。在分析后排出樣品的過程中，坩堝升起將所述蓋送至依靠在導管上的位置上，使得抽氣產生的清潔空氣得以進入。本發明中的上述結構體現了其一個重要特性，測量的精度。坩堝在爐子內處于恒定的溫度上并且從樣品進入坩堝內開始便開始對樣品重量進行了持續性的測量，防止了在加熱后稱重前樣品冷卻情況的發生。在坩堝溫度變化時，其吸收的濕度可能與被分析的樣品的重量數量級相近或大于被分析的樣品的重量，在這種情況下，上述特性就顯得尤為重要。因此，在標準的實驗室過程中，坩堝必須在燃燒前和燃燒后被放置在干燥器中一段時間，使得稱重在與坩堝的濕度相同的條件下進行(實驗室的溫度通常保持恒定)。這在自動裝置中通常是很難控制的，特別是在稱重過程中，冷卻循環可能帶來與環境溫度和濕度條件相關的不確定性。另外在加熱過程中的持續稱重使得確定連續重量在時間上的對應值(在分析后) 成為可能，從而避免了再次進行確定性重量測量的麻煩，并且優化了裝置的響應時間。
附圖示出了本發明的實施例，并與說明書一起，用來解釋本發明的原理。通過以下結合附圖所作的詳細描述，可以更清楚地理解本發明的目的、優點及特征，并非是為了限制本發明，其中圖1顯示了與用于在氣流中運輸顆粒的運輸管相連的裝置組件。在本圖中，坩堝在爐子內部處于將待測樣品放置到坩堝上的狀態。這與使用本裝置測量揮發性物質組分在無氧狀態下加熱的位置相符。圖2顯示了在有氧環境下對未燃物質組分或灰燼組分進行測量的步驟中坩堝在爐子中的位置。圖3顯示了在去除被檢測后的樣品過程中坩堝在爐子中的位置。
具體實施例方式圖1顯示了本發明要保護的一個實施例的圖示。本裝置的結構使得在有氧環境和無氧環境下測量燒失量均成為可能。在顯示的實施例中，用于管線測量燒失量和熱分解反應的裝置通過一個運輸管2 被連接至一個氣動的顆粒傳輸導管1處，上述連接處設置有一個自動關閉閥門3。該裝置使用噴射泵4來吸收由待檢測顆粒和用于傳輸的空氣的混合物組成的雙向氣流，所述噴射泵 4通過一個自動關閉閥門5來供應壓縮空氣。抽出的顆粒由旋流干燥器6分離并被收集至腔室7中，腔室7在下端處被一個自動關閉閥門8所隔離。旋流干燥器6、腔室7和閥門8被垂直并成一直線地設置在電爐子9的上方，電爐子9的溫度即將進行的分析來決定并控制。爐子9內部有圓柱形的坩堝10，坩堝10的容量足夠容納收集的待檢測顆粒。坩堝10由桿11所支撐，桿11通過底蓋12上的開口 13穿出爐子，所述開口 13的直徑要大于桿11的直徑。桿11除了起到提供支撐的作用，其主要功能還在于將待測量樣品的質量傳送到爐子9下方的高精度天平14上去。為防止熱量傳導至天平14上去，桿11連接至制冷機15上，制冷機15包括兩塊由兩塊隔膜連接的平行的平板。制冷機15被穩固地放置在天平14上的方式使得由坩堝10、桿11和制冷機15組成的組件的垂直性被保證，并且在天平盤14和爐子9的組件之間沒有接觸。由腔室7至坩堝10的顆粒樣本的釋放通過一個垂直導管16在重力下完成，導管 16 一端連接隔離閥8而其另一端穿過絕緣材料形成的頂蓋17并且形成圓頂狀部件。顆粒的降落由作用在腔室7上的氣動振蕩器18保證，并且上述氣動振蕩器18在隔離閥8打開的時候被觸發。垂直導管16也是在垂直方向上和桿11的軸對齊，并且圓頂狀部件最寬處的直徑在2至4毫米之間并且小于坩堝10的直徑。坩堝10與垂直導管16的顆粒釋放點之間的距離是相應于測量過程的階段不同而進行變化的。為實現上述功能，天平14和它的全部負荷，包括制冷機15、桿11和坩堝10可以通過垂直移動裝置19、20、21而垂直移動，垂直移動裝置19、20、21至少包括一個直線驅動器19，所述直線驅動器19連接至一個用于支撐整個組件的平臺20上。為了防止天平盤 14與爐子9的側壁發生側向上的接觸，運動的垂直性由垂直移動裝置19、20、21的引導裝置 21來保證，其中所述引導裝置21穿過平臺20。在將樣品卸載至坩堝10的階段中，垂直導管16的顆粒釋放點被提升至其高度的一半使得垂直導管16的顆粒釋放點被引入坩堝10的內部，如圖1所示。在讀取重量值和在有氧環境下加熱的階段中，坩堝10被放置為其邊緣部分距離垂直導管16的顆粒釋放點幾厘米的狀態，如圖2所示。更具體地說，垂直移動裝置19、20、21可以對垂直導管16的顆粒釋放點和坩堝的內部底面之間的距離進行調整，使其至少處于三種不同的垂直位置上在第一種位置上時上述距離小于2毫米，在第二種位置上時上述距離等于或大于2毫米但小于坩堝10的高度，在第三種位置上時上述距離大于坩堝10的高度。爐子9內的空氣循環對于確保燃燒反應所需氧氣的存在是必須的，上述空氣循環由位于爐子頂蓋17上的開口 22形成的天然引力而實現。空氣的更新通過桿11和開口 13 之間環形空間而實現，上述開口 13的直徑大于桿11的直徑，并且桿11通過開口 13穿過爐子的底蓋。為了實現在無氧環境下的加熱，所述裝置包含一個圓形冠狀的蓋23，所述蓋23的外直徑等于或大于坩堝10的外直徑，而其內直徑比釋放顆粒的垂直導管16非圓頂狀區域的外直徑大幾毫米。垂直導管16穿過所述蓋23，而所述蓋23在其自身重力的作用下放置于圓頂狀部件的表面。在加熱并對揮發性物質組成進行分析的過程中，坩堝10被升起直到其邊緣表面與蓋23的下表面重合，如圖1所示。上述運動過程由于蓋23輕輕地被放置于天平盤14上而導致重量的增加，進而被記錄下來。在加熱過程中需要關閉隔離閥8進而形成無氧環境。在上述情況下，蓋23、坩堝10和釋放顆粒的導管16的尺寸被設置為可以滿足下列條件在上述第一種位置時，蓋23依靠在坩堝10上并由其支撐而不與垂直導管16相接觸； 在第二種位置時，蓋23與坩堝10的上部相接觸；在第三種位置時，蓋23由垂直導管16的圓頂狀部件的表面所支持。在有氧環境中的燒失量測量中，由于氧氣的存在不影響所述裝置在測量中的功能，所述裝置不需要使用坩堝10的蓋23。為了在分析后去除樣品，通過向噴射泵4提供壓縮空氣來實現垂直導管16的抽氣，此時保持閥3處于關閉狀態。與此同時，坩堝10被升起直到其內側底部碰觸到垂直導管16的顆粒釋放點，如圖3所示。一旦樣品被清除后，坩堝10被放置到圖1所示的位置， 新的樣品可以被放上從而開始一個新的循環。所述裝置的自動控制通過控制系統24實現，控制系統24通常是一個可編程式邏輯控制器(PLC)，所述控制系統24控制閥3、5和8的打開和關閉，直線驅動器19的觸發和天平14的工作。控制系統24還管理著爐子9的溫度控制裝置25、26，溫度控制裝置25、26 包括一個溫度傳感器25和一個溫度控制模塊26，所述溫度傳感器25和所述控制模塊26電連接。控制系統24另外還進行燒失量的計算，還具有通過遠程監控發送上述數值的裝置或者在可視化顯示裝置上顯示數據的數據顯示裝置。
權利要求
1.一種自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，所述固體顆粒由導管 (1)導入并且在導管(1)內通過氣流被運輸，所述裝置包括-旋流干燥器(6)，其在切向上接收來自導入有上述固體顆粒的導管(1)的輸入，上述旋流干燥器(6)連接至下方的收集腔室(7)中；-爐子(9)，其具有一個頂蓋(17)和底蓋(12)，所述頂蓋(17)和底蓋(12)包含用于外部空氣循環的開口(13，22)；-坩堝(10)，用于收集和點燃來自于收集腔室(7)的顆粒； -分析天平(14)，用于對坩堝(10)進行稱重； 其特征在于，包括_垂直釋放導管(16)，連接收集腔室(7)與始終處于爐子(9)內的坩堝(10)，所述垂直釋放導管(16)穿過爐子(9)的頂蓋(17)并設置有一個靠近坩堝(10)的下端釋放開口 ；_剛性桿(11)，其連接至坩堝(10)，所述剛性桿(11)的軸與導管(16)的軸對齊，并且所述剛性桿(11)穿過爐子的底蓋(12)與分析天平(14)相關聯，使得所述分析天平(14) 至少支持坩堝(10)和桿(U)保持坩堝(10)在水平位置；_噴射泵(4)，連接至進行抽取的旋流干燥器(6)，并促進從導管(1)至旋流干燥器(6) 的樣品抽取和燃燒后坩堝(10)內的殘留物的抽取；-分析天平(14)和其天平盤的垂直移動裝置(19，20，21)，其控制坩堝(10)的內側底面相對于導管(16)的釋放開口的垂直位置；-以及控制系統(24)，其用于自動控制向坩堝(10)進行顆粒的釋放、分析天平(14)的垂直移動裝置(19，20，21)的位置、爐子(9)的溫度控制裝置(25、26)、分析天平(14)的工作、燒失量的計算以及從坩堝(10)內提取燃燒后的顆粒。
2.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，所述釋放導管(16)的下端開口呈圓頂狀。
3.根據權利要求2所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，還包括一個呈冠狀的蓋(23)，所述蓋(23)可關閉所述坩堝(10)的上端開口，其內直徑略大于垂直導管(16)非圓頂狀部分的外直徑，垂直導管(16)穿過所述蓋(23)并且不通過任何方式與之連接，所述蓋(23)通過其自身重量放置于垂直導管(16)的所述圓頂狀部分上。
4.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，所述坩堝(10)是圓柱形的。
5.根據權利要求3或4所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置， 其特征在于，蓋(23)的冠狀部分為圓形并且其外部直徑等于或大于坩堝(10)的外直徑。
6.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，收集腔室(7)下端連接有一個自動關閉閥(8)和一個振動裝置(18)。
7.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，所述爐子(9)的開口(22)在頂蓋(17)上。
8.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，所述爐子(9)的開口(13)在底蓋(12)上。
9.根據權利要求8所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，爐子(9)的底蓋(12)上的開口(13)中穿過桿(11)并形成一個供空氣自由流入的環形空間。
10.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，噴射泵(4)處供給有壓縮空氣。
11.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，垂直移動裝置(19，20，21)包括通過其活塞桿連接至平臺(20)的直線驅動器 (19)，所述天平(14)設置于平臺(20)上，所述垂直移動裝置(19，20，21)可以改變垂直導管(16)的開口和坩堝(10)的底部之間的距離使其處于至少三種位置上在第一種位置上時上述距離小于2毫米，在第二種位置上時上述距離等于或大于2毫米但小于坩堝(10)的高度，在第三種位置上時上述距離大于坩堝(10)的高度。
12.根據權利要求11所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，垂直移動裝置(19，20，21)還包括至少一個引導裝置(21)，所述平臺(20)沿著所述引導裝置(21)滑動。
13.根據權利要求3或11所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，所述蓋(23)、坩堝(10)和釋放顆粒的導管(16)的尺寸被設置為可以滿足下列條件在上述第一種位置時，蓋(23)依靠于坩堝(10)上并由其支撐而不與垂直導管(16)相接觸；在第二種位置時，蓋(23)與坩堝(10)的上部相接觸；在第三種位置時，蓋 (23)由垂直導管(16)的圓頂狀部件的表面所支持。
14.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，還包括一個設置于分析天平(14)和桿(11)之間的制冷機(15)。
15.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，所述爐子(9)的溫度控制裝置(25、26)包括一個溫度傳感器(25)和一個溫度控制模塊(26)。
16.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，控制系統(24)包括一個數據顯示裝置。
17.根據權利要求1所述的自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置，其特征在于，控制系統(24)包括一個通過遠程監控發送上述數值的裝置。
全文摘要
本發明提供了一種自動管線測量固體顆粒的燒失量和熱分解反應的裝置。其中顆粒在管道中被運送并且自動從管道中提取。本方法適用于測定固體燃料中的灰燼組分和揮發性物質組分以及灰燼中的未燃物質。顆粒沉積在坩堝(10)上，坩堝(10)始終處于一個溫度受控的電爐子(9)內。本裝置包含穿過爐子(9)并且一端為圓頂狀的位于坩堝(10)上部的導管(16)。顆粒通過導管(16)在重力作用下沉積在坩堝(10)加熱的部位上。坩堝(10)被穿過爐子底部的桿(11)支撐并停靠在分析天平(14)上。在加熱后，樣品被垂直導管(16)抽取除去出去以進行下一個循環。
文檔編號G01N5/04GK102449461SQ200980159361
公開日2012年5月9日 申請日期2009年5月18日 優先權日2009年5月18日
發明者巴里亞 佛朗西斯科·羅德里格斯, 霍爾加多 恩里克·托瓦, 加萊亞諾 文森特·科爾特斯, A·德爾加多 拉薩諾 米格爾, 塞拉諾 路易斯·卡納達斯, 維爾 馬里亞諾·雷耶斯 申請人:因納克工程和技術咨詢股份有限公司