專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置及方法，具體涉及一種利用照相機(jī)采集塊煤在加熱條件下的圖像從而間接測(cè)量塊煤膨脹和收縮性能的裝置和方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)擁有豐富的煤資源，在能源的利用過(guò)程中，對(duì)煤的依賴(lài)性比重較大。對(duì)于煤的加工和利用，煤工作者們開(kāi)展了很多方面的工作。煤在工業(yè)領(lǐng)域的利用途徑主要在三個(gè)方面，利用煤進(jìn)行氣化得到合成氣(CN1721511A，CN86105896)用來(lái)制備甲醇或者用來(lái)作為還原氣；利用煤進(jìn)行高溫干餾生產(chǎn)焦炭(CN1171807A，CN1465656A)用于高爐煉鐵生產(chǎn)；由于石油資源的缺乏，利用煤直接液化制備油(CN1676572A)代替石油也受到越來(lái)越多的重視。在生產(chǎn)過(guò)程中，不管是煤的氣化、液化還是煤的焦化亦或是熔融還原過(guò)程，都需要使用到大量的塊煤。塊煤都要經(jīng)過(guò)一個(gè)煤的熱解過(guò)程，從而煤的熱解過(guò)程成為煤化工研究所關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。尤其隨著環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格，熔融還原技術(shù)因不需要焦化和燒結(jié)兩道工序受到廣泛關(guān)注。而熔融還原中必須使用到塊煤，且對(duì)塊煤的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求比較苛刻。煤在熱解過(guò)程中伴隨著一系列復(fù)雜的物理變化和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，會(huì)出現(xiàn)膨脹和收縮現(xiàn)象。對(duì)于用于熔融還原的塊煤來(lái)講，塊煤的熱爆裂性能指標(biāo)至關(guān)重要。以前的檢測(cè)方法都不能用肉眼來(lái)直觀的觀察煤的膨脹、收縮現(xiàn)象和熱爆裂性能，為了能直觀反應(yīng)熔融氣化爐中塊煤隨溫度的變化所表現(xiàn)出的膨脹和收縮及熱爆裂現(xiàn)象過(guò)程，為熔融氣化爐的順行選擇合適的塊煤提供保證，有必要找到一種檢測(cè)塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)熔融還原中塊煤在熔融氣化爐中隨溫度變化而變化的各種性能包括膨脹、收縮和熱爆裂性的不可見(jiàn)性，本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)影像采集來(lái)測(cè)量塊煤膨脹和收縮性能的可視化裝置，并提供利用該裝置來(lái)測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，所述裝置包括加熱系統(tǒng)、照相機(jī)、計(jì)算機(jī)、光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氣氛系統(tǒng)；所述加熱系統(tǒng)包括爐管、石英窗、樣品基板和樣品以及測(cè)溫?zé)犭娕?，所述熱電偶的頂端與所述樣品基板緊密接觸；所述的照相機(jī)的鏡頭為長(zhǎng)焦距CCD鏡頭，所述加熱系統(tǒng)安置在所述CCD鏡頭的正
、廣.> .
目丨J萬(wàn)。在測(cè)量時(shí)，塊煤樣品通過(guò)加熱爐來(lái)進(jìn)行加熱，樣品放于樣品基板的上方，一起置于爐管的中央，熱電偶的頂端與基板緊密接觸，控制樣品所需要的加熱溫度。根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，較好的是，所述的照相機(jī)為數(shù)碼照相機(jī)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，較好的是，所述光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括光源和光強(qiáng)度控制器，所述光強(qiáng)度控制器在所述爐管一側(cè)。通過(guò)光強(qiáng)度控制器來(lái)調(diào)節(jié)光的明暗程度拍得清晰的照片。根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，較好的是，所述氣氛系統(tǒng)通路包括進(jìn)氣口和出氣口。根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，較好的是，在所述爐管上裝有水冷卻系統(tǒng)。水冷卻系統(tǒng)可以起到保護(hù)石英窗的作用，也防止石英窗被一些污染物所粘上，影響照片的效果。根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述C⑶鏡頭的分辨率> 300萬(wàn)像素，可調(diào)焦距> 1. lm。根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，較好的是，所述 CXD鏡頭與照相機(jī)主體之間用老虎皮連接；所述CXD鏡頭加載有濾光片和濾波片。本發(fā)明還提供了一種測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的方法，該方法按以下步驟進(jìn)行((1)煤樣的制備將原煤煤塊磨制成不同顆粒大小的單顆粒塊狀煤，或?qū)⒚涸诔爻合孪饶ブ瞥煞勰?，然后利用壓樣機(jī)分別壓制成不同密度的粉壓煤；(2)將制好的煤樣置入權(quán)利要求1所述的樣品基板中，調(diào)節(jié)光強(qiáng)度控制器和C⑶鏡頭，使圖像清晰；(3)在氬氣環(huán)境下程序控制升溫至目標(biāo)溫度，當(dāng)煤樣品在加熱爐中按給定的溫度升溫加熱時(shí)將發(fā)生膨脹和收縮，在加熱過(guò)程中選擇合適的溫度點(diǎn)利用照相機(jī)對(duì)煤樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)在線圖像采集；(4)處理過(guò)程圖像得到該溫度下煤樣的線性膨脹和收縮值，計(jì)算得到體積膨脹和收縮率，并觀察樣品的熱爆裂性。步驟(1)中粉壓煤的粒徑< 0. 05mm ；放有樣品的基板處于加熱爐中心恒溫區(qū)內(nèi)， 確保樣品均勻受熱。采集圖像時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)爐管另一側(cè)背光燈的光強(qiáng)度控制器及CCD鏡頭， 使得照相機(jī)能夠采集到清晰的過(guò)程圖像。處理過(guò)程圖像得到該溫度下煤樣的線性膨脹和收縮值，然后通過(guò)如下計(jì)算及換算方法得到體積膨脹和收縮率。同時(shí)可以直接觀察圖像分析其熱爆裂行為。根據(jù)本發(fā)明所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的方法，較好的是，所述升溫速率在300-500°C階段設(shè)定為1. 50C /min，其余溫度階段為3°C /min。以下是本發(fā)明塊煤體積膨脹和收縮率的計(jì)算公式 r— R (Vt-V0)xlV0(1)X=-DfxHt(2)V。=^Dgx H。(幻式中Rv代表體積膨脹和收縮率(％ )，Dt，Ht和Vt分別代表在任意溫度下樣品直徑、高度和體積的計(jì)算機(jī)像素值，D0, Htl和Vtl分別代表在加熱前樣品直徑、高度和體積的計(jì)算機(jī)像素值。
本發(fā)明的有益效果是，采用實(shí)時(shí)圖像采集可以重現(xiàn)過(guò)程行為特性，使過(guò)程可視化， 從而可以觀測(cè)到直觀、形象的膨脹收縮及熱爆裂過(guò)程，可以提高對(duì)塊煤在加熱過(guò)程中膨脹收縮特性及煤焦形態(tài)變化的認(rèn)識(shí)，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)可以方便準(zhǔn)確的得到所需數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的可視化方法能夠很好的檢測(cè)塊煤在不同溫度條件下的熱解和脫氣過(guò)程，膨脹和收縮行為及熱爆裂特性，從而為熔化氣化爐中塊煤的使用提供指導(dǎo)，同時(shí)也為熔融還原煤種的選擇過(guò)程中熱爆裂性能的檢測(cè)提供了一種新的方法。


圖1是本發(fā)明的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置示意圖。圖中，1.光強(qiáng)度控制器，2.光源，3.爐管，4.水冷卻系統(tǒng)，5.加熱爐，6.樣品，7.樣品基板，8.出氣口，9.進(jìn)氣口，10.石英窗，11. CXD鏡頭，12.照相機(jī)，13.計(jì)算機(jī)，14.熱電偶。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本發(fā)明的裝置包括加熱系統(tǒng)、照相機(jī)12、計(jì)算機(jī)13、光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氣氛系統(tǒng)；所述加熱系統(tǒng)包括爐管3、石英窗10、樣品基板7和樣品6以及測(cè)溫?zé)犭娕?4，在所述爐管上裝有水冷卻系統(tǒng)4。上述氣氛系統(tǒng)包括進(jìn)氣口 9和出氣口 8 ；；上述光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括光源2和光強(qiáng)度控制器1。光強(qiáng)度控制器1在爐管3—側(cè)。所述熱電偶14的頂端與樣品基板7緊密接觸。照相機(jī)12為數(shù)碼照相機(jī)，其鏡頭為長(zhǎng)焦距CXD鏡頭11，所述加熱系統(tǒng)安置在CXD 鏡頭的正前方。CXD鏡頭的分辨率> 300萬(wàn)像素，可調(diào)焦距> 1. lm。CXD鏡頭11與照相機(jī) 12主體之間用老虎皮連接；所述CXD鏡頭11加載有濾光片和濾波片。將灰分為13. 11%，固定碳含量為61. 93%，揮發(fā)份含量為23. 87%，水分含量為 1. 09%的煤A破碎到0. 05mm以下，壓制成直徑20. 5mm高度14. 3mm的塊狀。將塊狀煤放于Al2O3樣品基板上放于爐子中央，調(diào)節(jié)CCD鏡頭和光源使相機(jī)看到的圖像最清晰，通入氬氣和冷卻水爐子開(kāi)始升溫，在300-50(TC階段升溫速率設(shè)定為1. 5°C / min，其余階段為3°C /min。在此過(guò)程中，根據(jù)圖像的變化進(jìn)行多次拍攝，通過(guò)熱電偶選擇適當(dāng)?shù)臏囟赛c(diǎn)拍攝照片，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，得到塊煤的最大膨脹率為4. 5%，最大收縮率為 36. 2%。實(shí)施例2將灰分為16. 27 %，固定碳含量為59. 67 %，揮發(fā)份含量為23. 21 %，水分含量為 0. 85%的煤B破碎到0. 05mm以下，壓制成直徑20. 5mm高度12. Imm的塊狀。將塊狀煤放于Al2O3基板上放于爐子中央，調(diào)節(jié)C⑶鏡頭和光源使相機(jī)看到的圖像最清晰，通入氬氣和冷卻水爐子開(kāi)始升溫，在300-500°C階段升溫速率設(shè)定為1. 50C /min, 其余階段為3°C /min，通過(guò)熱電偶選擇適當(dāng)?shù)臏囟赛c(diǎn)拍攝照片，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，得到塊煤的最大膨脹率4. 1%，最大收縮率為35.4%。
其他同實(shí)施例1.實(shí)施例3將灰分為13. 11%，固定碳含量為61. 93%，揮發(fā)份含量為23. 87%，水分含量為 1. 09%的自然大塊煤C通過(guò)加工磨削成直徑10. 3mm高度10. 2mm的形狀。將塊狀煤放于Al2O3基板上放于爐子中央，調(diào)節(jié)CCD鏡頭和光源使相機(jī)看到的圖像最清晰，通入氬氣和冷卻水爐子開(kāi)始升溫，在300-500°C階段升溫速率設(shè)定為1. 50C /min, 其余階段為3°C /min，通過(guò)熱電偶選擇適當(dāng)?shù)臏囟赛c(diǎn)拍攝照片，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理就可以得到塊煤的最大膨脹率為4. 7%和最大收縮率為37. 5%。其他同實(shí)施例1.實(shí)施例4將灰分為21. 10%，固定碳含量為66.對(duì)％，揮發(fā)份含量為11. 39%，水分含量為 1. 27%的自然大塊煤D通過(guò)加工磨削成直徑6. Omm高度6. Omm的形狀。將塊狀煤放于Al2O3基板上放于爐子中央，調(diào)節(jié)CCD鏡頭和光源使相機(jī)看到的圖像最清晰，通入氬氣和冷卻水爐子開(kāi)始升溫，在300-500°C階段升溫速率設(shè)定為1. 50C /min, 其余階段為3°C /min，通過(guò)熱電偶選擇適當(dāng)?shù)臏囟赛c(diǎn)拍攝照片，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理就可以得到塊煤的最大膨脹率為3. 5%和最大收縮率為32. 2%。其他同實(shí)施例1.本發(fā)明的通過(guò)提供一種可視化裝置和測(cè)量方法，可以直觀地觀察塊煤在不同溫度條件下的熱解和脫氣過(guò)程，同時(shí)通過(guò)圖像采集，可以間接測(cè)量塊煤的膨脹和收縮行為及熱爆裂特性，從而為熔化氣化爐中塊煤的使用提供指導(dǎo)依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，其特征在于，所述裝置包括加熱系統(tǒng)、照相機(jī)(12)、計(jì)算機(jī)(13)、光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氣氛系統(tǒng)；所述加熱系統(tǒng)包括爐管(3)、石英窗(10)、樣品基板(7)和樣品(6)以及測(cè)溫?zé)犭娕?14)，所述熱電偶(14)的頂端與所述樣品基板(7)緊密接觸；所述的照相機(jī)(12)的鏡頭為長(zhǎng)焦距CCD鏡頭(11)，所述加熱系統(tǒng)安置在所述CCD鏡頭 (11)的正前方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，其特征在于， 所述的照相機(jī)(12)為數(shù)碼照相機(jī)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)(13)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，其特征在于， 所述光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括光源( 和光強(qiáng)度控制器(1)，所述光強(qiáng)度控制器(1)在所述爐管 (3) 一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，其特征在于， 所述氣氛系統(tǒng)通路包括進(jìn)氣口(9)和出氣口(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，其特征在于， 在所述爐管(3)上裝有水冷卻系統(tǒng)(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，其特征在于， 所述CXD鏡頭的分辨率> 300萬(wàn)像素，可調(diào)焦距> 1. lm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置，其特征在于， 所述CCD鏡頭(11)與照相機(jī)(1 主體之間用老虎皮連接；所述CCD鏡頭(11)加載有濾光片和濾波片。
8.一種測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的方法，其特征在于，該方法按以下步驟進(jìn)行(1)煤樣的制備將原煤煤塊磨制成不同顆粒大小的單顆粒塊狀煤，或?qū)⒚涸诔爻合孪饶ブ瞥煞勰?，然后利用壓樣機(jī)分別壓制成不同密度的粉壓煤；(2)將制好的煤樣置入權(quán)利要求1所述的樣品基板(7)中，調(diào)節(jié)光強(qiáng)度控制器(1)和 C⑶鏡頭(11)，使圖像清晰；(3)在氬氣環(huán)境下程序控制升溫至目標(biāo)溫度，當(dāng)煤樣品在加熱爐中按給定的溫度升溫加熱時(shí)將發(fā)生膨脹和收縮，在加熱過(guò)程中選擇合適的溫度點(diǎn)利用照相機(jī)對(duì)煤樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)在線圖像采集；(4)處理過(guò)程圖像得到該溫度下煤樣的線性膨脹和收縮值，計(jì)算得到體積膨脹和收縮率，并觀察樣品的熱爆裂性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮生能的方法，其特征在于， 所述升溫速率在300-500°C階段設(shè)定為1. 50C /min，其余溫度階段為3°C /min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測(cè)量塊煤熱爆裂性及膨脹和收縮性能的裝置及方法。本發(fā)明的裝置包括加熱系統(tǒng)、照相機(jī)、計(jì)算機(jī)、光源調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氣氛系統(tǒng)；所述加熱系統(tǒng)包括爐管、石英窗、樣品基板和樣品以及測(cè)溫?zé)犭娕?，熱電偶的頂端與樣品基板緊密接觸；照相機(jī)的鏡頭為長(zhǎng)焦距CCD鏡頭，加熱系統(tǒng)安置在CCD鏡頭的正前方。本發(fā)明的方法是將塊煤樣品在上述裝置中加熱，在圖像清晰時(shí)選擇合適的溫度點(diǎn)采集圖像，計(jì)算得到體積膨脹和收縮率。本發(fā)明通過(guò)提供一種可視化裝置和測(cè)量方法，可以直觀地觀察塊煤在不同溫度條件下的熱解和脫氣過(guò)程，同時(shí)通過(guò)圖像采集，可以間接測(cè)量塊煤的膨脹和收縮行為及熱爆裂特性，從而為熔化氣化爐中塊煤的使用提供指導(dǎo)依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N25/54GK102156149SQ20101011027
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者張群, 李肇毅, 王玉明, 錢(qián)暉 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司