技术摘要：
本发明公开了一种采集颗粒燃烧图像的装置及使用方法。该装置包括反应器本体、气体氧化剂储罐、加热组件和相机组件；反应器本体包括炉膛、可视化窗口和管道式喷嘴；可视化窗口设于所述炉膛的侧壁；管道式喷嘴垂直穿设于炉膛的底部，管道式喷嘴的一端位于所述炉膛外并与  全部
背景技术：
可燃颗粒在气流中发生燃烧反应的过程是煤燃烧及煤气化过程关注的重点科学 问题之一。该过程通过基于流型类似于活塞流的细长型管式反应器进行研究，其能控制炉 膛内部反应温度及反应气氛。例如滴管炉，被国内外学者广泛应用于煤、燃气、生物质等的 热解、气化和燃烧过程的实验研究，是公认的进行反应动力学研究的重要实验装置。 但由于待燃烧颗粒的重力，其必须依附于惰性支撑件的承托或固定才能保持待燃 烧颗粒空间位置的稳定，但支撑件将影响颗粒附近的气相流场，不能达到理想的颗粒燃烧 反应状态的实验模拟。 中国专利文献CN104634922A公开了一种可拆卸式固体燃料悬浮燃烧试验测试装 置，该装置利用气体使得燃料颗粒悬浮并采用点火针使得燃料颗粒燃烧。点火针是设置在 反应器的内部，当采用伯努利原理使得燃料颗粒燃烧时，点火针会影响燃料颗粒附近的气 流，进而影响颗粒燃烧时的流场结构，且点火针在点火之前也需要一个启动升温的过程，仍 然会影响燃料颗粒燃烧的完整性。 目前，现有技术中还没有一种针对颗粒燃烧图像采集的装置能够克服上述缺陷。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中无法观察到反应器内待燃烧 颗粒的完整的燃烧状态，导致最终观察到的颗粒的燃烧数据难以准确的分析颗粒的燃烧特 性的缺陷，而提供了一种采集颗粒燃烧图像的装置及使用方法。本发明的装置在点燃待燃 烧颗粒前，该待燃烧颗粒不会发生一系列的反应，且反应器内不存在会影响反应器内气相 流场的物质，进而可采集到待燃烧颗粒较完整的图像和燃烧数据。 本发明提供下述技术方案实现上述技术问题的。 本发明还提供了一种采集颗粒燃烧图像的装置，其包括反应器本体、气体氧化剂 储罐、加热组件和相机组件； 所述反应器本体包括炉膛、可视化窗口和管道式喷嘴；所述可视化窗口设于所述 炉膛的侧壁；所述管道式喷嘴垂直穿设于所述炉膛的底部，所述管道式喷嘴的一端位于所 述炉膛外并与所述气体氧化剂储罐相连，用于将所述气体氧化剂储罐中的气体氧化剂导入 所述炉膛内，所述管道式喷嘴用于放置待燃烧颗粒，还用于在气体氧化剂的作用下使得所 述待燃烧颗粒悬浮于所述炉膛内； 所述加热组件用于所述炉膛的加热，进而使得悬浮于所述炉膛内的待燃烧颗粒燃 烧； 所述相机组件用于透过所述的可视化窗口采集所述待燃烧颗粒的燃烧图像。 本发明中，所述反应器本体满足，适合观察所述待燃烧颗粒的燃烧运动即可。例如 4 CN 111579589 A 说　明　书 2/6 页 滴管炉。 本发明中，所述炉膛的形状可为圆柱体或棱柱体。 本发明中，根据所述待燃烧颗粒在所述炉膛的悬浮高度以及燃烧的火焰大小合理 的选择所述可视化窗口的尺寸和形状即可。例如为与所述炉膛的外形一致的弧形，且高度 与所述炉膛的高度相等。 其中，所述可视化窗口与所述炉膛的侧壁的连接方式较佳地为嵌合连接。所述的 嵌合连接例如为所述炉膛的侧壁中与所述可视化窗口相接处设有凹槽，与所述可视化窗口 的厚度相匹配，可将所述的可视化窗口嵌入所述的凹槽内。 其中，所述可视化窗口与所述炉膛的侧壁之间较佳地还设有石棉垫片。 所述石棉垫片的材质较佳地为软材质。将石棉垫片设置为软材质可在炉膛的高温 工作中，可在石英玻璃和炉膛热膨胀时起到缓冲的作用，避免两种炉膛和石英玻璃因热膨 胀率不同导致破损。 本发明中，根据所述用于采集颗粒燃烧图像的组件可知，所述的可视化窗口的材 质较佳地为透明材质，例如石英玻璃。 本发明中，根据所述的管道式喷嘴可知，所述管道式喷嘴的内径通常大于所述待 燃烧颗粒的直径。较佳地，所述管道式喷嘴的内径与所述待燃烧颗粒的直径的比值为4.5：4 ～6：4，例如5：4。例如，当所述管道式喷嘴的内径为5mm时，所述待燃烧颗粒的直径为4mm。 本发明中，所述管道式喷嘴的形状较佳地为直筒形，较佳地为内径相等的直筒形。 本发明中，所述管道式喷嘴的另一端较佳地位于所述炉膛内。更佳地，所述管道式 喷嘴的另一端位于所述炉膛内的高度为H1，所述H1大于等于所述待燃烧颗粒的直径，且小 于等于所述待燃烧颗粒的直径的5倍长度。本发明中，本领域技术人员均知，所述的气体氧 化剂储罐与所述的管道式喷嘴的一端通过气体氧化剂输送管道相连。 本发明中，所述管道式喷嘴内的底部较佳地设有一台阶状结构，所述的台阶状结 构与所述气体氧化剂输送管道相连通，用于承托所述待燃烧颗粒、并防止所述待燃烧颗粒 落入所述的气体氧化剂输送管道中。本发明中，当所述气体氧化剂通过台阶状结构进入所 述管道式喷嘴内，由于管道式喷嘴的内径大于所述台阶状结构的直径，气速降低，可稳定且 缓慢地使颗粒悬浮。 其中，所述台阶状结构较佳地与所述气体氧化剂输送管道相连处的形状相匹配。 其中，所述台阶状结构可为上下开口的筒状结构，例如直筒状结构。 本发明中，所述气体氧化剂储罐中的气体氧化剂可为本领域常规的能够使得所述 的待燃烧颗粒在所述待燃烧颗粒的燃点时能够燃烧即可。例如氧气。 本发明中，根据所述采集颗粒燃烧图像的装置可知，所述的装置还包括第一质量 流量计，所述的第一质量流量计用于控制所述气体氧化剂储罐的向所述管道式喷嘴中通入 气体氧化剂的流量。 本发明中，所述采集颗粒燃烧图像的装置还可包括环境气体输送组件，可针对需 要的不同的模拟状态通入不同的气体环境。当需要模拟气化炉内的气化状态时，所述的环 境气体指的是还原性的气体，例如氢气和一氧化碳。当需要模拟燃烧炉时，所述的环境气体 指的是氧化性的气体。 其中，所述的环境气体输送组件可为本领域常规。较佳地包括依次相连的第二质 5 CN 111579589 A 说　明　书 3/6 页 量流量计、环境气体储罐、环境气体输送管道和环境气体进口，所述的第二质量流量计用于 控制所述环境气体进入所述炉膛内的流量，所述环境气体进口穿设于所述炉膛的底部、且 不同于所述管道式喷嘴处设置的位置。 所述的环境气体进口的个数较佳地为2个以上，例如6个。2个以上的所述环境气体 可将所述的环境气体均匀地通入所述炉膛内。 所述环境气体输送管道上较佳地设有气体分布器，用于将所述的环境气体均匀的 通入所述的炉膛内。例如通过所述的气体分布器将所述环境气体均分为6路再分别通入6个 所述的环境气体进口内。 当所述的环境气体管道上设有气体分布器时，所述的环境气体进口较佳地设有法 兰，所述法兰用于固定、密封所述的环境气体进口。 本发明中，所述的加热组件可为本领域常规的加热组件，能够使得所述炉膛内的 温度达到所述待燃烧颗粒的燃烧温度即可。例如包括电加热棒、可控硅温度控制器和电加 热线缆，所述的电加热棒与所述的可控硅温度控制器通过电加热线缆相连，所述的电加热 棒位于所述炉膛的侧壁上，所述的可控硅温度控制器通过调节流经电加热线缆的电流和电 加热棒的加热功率进而控制所述炉膛内的温度。 本发明中，所述的相机组件较佳地包括相机、相机基座、导轨、电驱动轨道和直流 步进电机，所述导轨与所述电驱动轨道对立竖直放置，所述相机基座的一端与所述导轨相 连、所述相机基座的另一端与所述电驱动轨道相连，所述相机基座用于放置所述的相机，当 所述相机基座沿所述导轨和所述电驱动轨道上下移动时带动所述相机的移动，所述直流步 进电机用于带动所述相机沿所述导轨上下移动。所述的相机通常可为高速相机或高光谱相 机。 本发明中，根据所述用于采集颗粒燃烧图像的组件可知，所述反应器本体通常还 包括气体出口，用于导出所述炉膛内的气体。 其中，所述的气体出口处较佳地还设有取样管道，用于对导出的气体进行取样分 析。 其中，当所述的反应器本体还包括所述的气体出口时，所述采集颗粒燃烧图像的 装置还包括冷却组件，用于对所述的气体出口进行冷却。所述的冷却组件可为本领域常规。 通常可包括依次相连的循环泵、冷却水进口管道、水冷夹套和冷却水出口管道。冷却水经所 述循环泵沿所述的冷却水进口管道进入水冷夹套，将所述的气体出口处冷却后，沿冷却水 管道出口循环回到水槽中。 所述采集颗粒燃烧图像的装置较佳地还包括主控制柜，所述的主控制柜用于所述 组件的供电以及放置各控制系统，所述的各控制系统包括所述的第一质量流量计、第二质 量流量计、循环泵、可控硅温度控制器。 本发明还提供了一种所述采集颗粒燃烧图像的装置的使用方法，其包括将所述的 待燃烧颗粒置于所述管道式喷嘴的底部，开启加热组件使得所述炉膛的温度升温至所述待 燃烧颗粒的燃点，开启所述的气体氧化剂储罐至所述的待燃烧颗粒悬浮于所述的炉膛内即 可； 当所述采集颗粒燃烧图像的装置包括环境气体输送组件时，所述的使用方法包 括，将所述的待燃烧颗粒置于所述管道式喷嘴的底部，开启加热组件使得所述炉膛的温度 6 CN 111579589 A 说　明　书 4/6 页 升温至所述待燃烧颗粒的燃点、开启所述环境气体输送组件向所述炉膛内通入环境气体， 再开启所述的气体氧化剂储罐至所述的待燃烧颗粒悬浮于所述的炉膛内即可。 本发明中，本领域技术人员知晓，所述待燃烧颗粒置于所述管道式喷嘴的底部指 的是置于所述管道式喷嘴中与气体氧化剂输送管道相交处。 本发明中，所述的待燃烧颗粒较佳地为包括惰性颗粒基体和包裹在所述惰性颗粒 基体外的燃料层。该双层的待燃烧颗粒能够使得所述的待燃烧颗粒在开始悬浮于所述的炉 膛内至燃烧完全后的整个过程中，可在无需调节气体氧化剂储罐的流量的前提下能够处于 稳定的高度，操作简单，可观察到完整的燃料层的燃烧状态。且当燃料层燃烧完全后，关闭 所述的气体氧化剂储罐，未燃烧的惰性颗粒基体可落入所述管道式喷嘴内，能够实现所述 惰性颗粒基体的回收。 其中，所述的燃料层指的是需要观察的燃烧运动的燃料颗粒，例如水煤浆或生物 质颗粒。 其中，所述的惰性颗粒基体指的是当所述燃料层燃烧完后仍然不会燃烧且不与所 述的燃料层发生反应，通常为熔点高于所述燃料层燃烧时的温度、以及所述的待燃烧颗粒 燃烧时所述炉膛内的温度。 在本发明某一较佳实施例中，所述的待燃烧颗粒中所述的燃料层为水煤浆，所述 的惰性颗粒基体为氮化硅。 所述的待燃烧颗粒中，所述惰性颗粒基体的形状可为球体。 当所述惰性颗粒基体的形状为球体时，所述惰性颗粒基体的直径与所述待燃烧颗 粒的直径的比值较佳地为0.5：1～0.95：1，例如0.7：1。 本发明中，所述待燃烧颗粒在所述炉膛内的悬浮高度为H2，所述H2较佳地在大于 等于所述管道式喷嘴的另一端位于所述炉膛内的高度H1，且小于等于所述待燃烧颗粒的直 径的5倍。例如当所述待燃烧颗粒的直径为4mm时，所述待燃烧颗粒在所述炉膛内悬浮的高 度为5mm。其中，在所述炉膛内的悬浮高度指的是当所述待燃烧颗粒在所述炉膛内悬浮时， 从所述炉膛的底部竖直向上至所述待燃烧颗粒的底部的高度。 本发明中，所述待燃烧颗粒的制备方法较佳地包括以下步骤：将所述燃料层的原 料涂覆在所述惰性颗粒基体的表面之后，置于烘箱中干燥即可。 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实 例。 本发明的积极进步效果在于：本发明的装置在点燃待燃烧颗粒前，该待燃烧颗粒 不会发生一系列的反应，且反应器内不存在会影响反应器内气相流场的物质，进而可采集 到待燃烧颗粒较完整的图像和燃烧数据。通过数据处理，可获得燃料燃烧反应过程中的形 态、形状、温度分布、反应光谱等数据。 附图说明 图1为实施例1中颗粒燃烧的图像采集装置的结构示意图。 图2为实施例1中颗粒燃烧前喷嘴及环境气体进口处的法兰剖面图。 图3为实施例1中颗粒燃烧时喷嘴及环境气体进口处的法兰剖面图。 附图标记说明 7 CN 111579589 A 说　明　书 5/6 页 主控制柜1、气体氧化剂储罐2、环境气体储罐3、环境气体输送管道4、气体分布器 5、气体氧化剂输送管道6、管道式喷嘴7、法兰8、炉膛9、电加热棒10、可视化窗口11、电加热 线缆12、水冷夹套13、冷却水进口管道14、冷却水出口管道15、出口气体取样管道16、气体出 口17、导轨18、相机19、电驱动轨道20、环境气体进口21、待燃烧颗粒22、燃烧的颗粒23。