专利名称：测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置及方法，具体涉及一种利用照相机采集块煤在加热条件下的图像从而间接测量块煤膨胀和收缩性能的装置和方法。
背景技术：
我国拥有丰富的煤资源，在能源的利用过程中，对煤的依赖性比重较大。对于煤的加工和利用，煤工作者们开展了很多方面的工作。煤在工业领域的利用途径主要在三个方面，利用煤进行气化得到合成气(CN1721511A，CN86105896)用来制备甲醇或者用来作为还原气；利用煤进行高温干馏生产焦炭(CN1171807A，CN1465656A)用于高炉炼铁生产；由于石油资源的缺乏，利用煤直接液化制备油(CN1676572A)代替石油也受到越来越多的重视。在生产过程中，不管是煤的气化、液化还是煤的焦化亦或是熔融还原过程，都需要使用到大量的块煤。块煤都要经过一个煤的热解过程，从而煤的热解过程成为煤化工研究所关注的一个重要问题。尤其随着环保要求的不断严格，熔融还原技术因不需要焦化和烧结两道工序受到广泛关注。而熔融还原中必须使用到块煤，且对块煤的各项性能指标的要求比较苛刻。煤在热解过程中伴随着一系列复杂的物理变化和化学反应的进行，会出现膨胀和收缩现象。对于用于熔融还原的块煤来讲，块煤的热爆裂性能指标至关重要。以前的检测方法都不能用肉眼来直观的观察煤的膨胀、收缩现象和热爆裂性能，为了能直观反应熔融气化炉中块煤随温度的变化所表现出的膨胀和收缩及热爆裂现象过程，为熔融气化炉的顺行选择合适的块煤提供保证，有必要找到一种检测块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的新方法。

发明内容
针对熔融还原中块煤在熔融气化炉中随温度变化而变化的各种性能包括膨胀、收缩和热爆裂性的不可见性，本发明的目的在于提供一种通过影像采集来测量块煤膨胀和收缩性能的可视化装置，并提供利用该装置来测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的方法。本发明的技术方案是，一种测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，所述装置包括加热系统、照相机、计算机、光源调节系统和气氛系统；所述加热系统包括炉管、石英窗、样品基板和样品以及测温热电偶，所述热电偶的顶端与所述样品基板紧密接触；所述的照相机的镜头为长焦距CCD镜头，所述加热系统安置在所述CCD镜头的正
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目丨J万。在测量时，块煤样品通过加热炉来进行加热，样品放于样品基板的上方，一起置于炉管的中央，热电偶的顶端与基板紧密接触，控制样品所需要的加热温度。根据本发明所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，较好的是，所述的照相机为数码照相机，并通过数据线与计算机连接。根据本发明所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，较好的是，所述光源调节系统包括光源和光强度控制器，所述光强度控制器在所述炉管一侧。通过光强度控制器来调节光的明暗程度拍得清晰的照片。根据本发明所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，较好的是，所述气氛系统通路包括进气口和出气口。根据本发明所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，较好的是，在所述炉管上装有水冷却系统。水冷却系统可以起到保护石英窗的作用，也防止石英窗被一些污染物所粘上，影响照片的效果。根据本发明所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，在一个优选的实施方案中，所述C⑶镜头的分辨率> 300万像素，可调焦距> 1. lm。根据本发明所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，较好的是，所述 CXD镜头与照相机主体之间用老虎皮连接；所述CXD镜头加载有滤光片和滤波片。本发明还提供了一种测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的方法，该方法按以下步骤进行((1)煤样的制备将原煤煤块磨制成不同颗粒大小的单颗粒块状煤，或将煤在常温常压下先磨制成粉末状，然后利用压样机分别压制成不同密度的粉压煤；(2)将制好的煤样置入权利要求1所述的样品基板中，调节光强度控制器和C⑶镜头，使图像清晰；(3)在氩气环境下程序控制升温至目标温度，当煤样品在加热炉中按给定的温度升温加热时将发生膨胀和收缩，在加热过程中选择合适的温度点利用照相机对煤样品进行实时在线图像采集；(4)处理过程图像得到该温度下煤样的线性膨胀和收缩值，计算得到体积膨胀和收缩率，并观察样品的热爆裂性。步骤(1)中粉压煤的粒径< 0. 05mm ；放有样品的基板处于加热炉中心恒温区内， 确保样品均勻受热。采集图像时，通过调节炉管另一侧背光灯的光强度控制器及CCD镜头， 使得照相机能够采集到清晰的过程图像。处理过程图像得到该温度下煤样的线性膨胀和收缩值，然后通过如下计算及换算方法得到体积膨胀和收缩率。同时可以直接观察图像分析其热爆裂行为。根据本发明所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的方法，较好的是，所述升温速率在300-500°C阶段设定为1. 50C /min，其余温度阶段为3°C /min。以下是本发明块煤体积膨胀和收缩率的计算公式 r— R (Vt-V0)xlV0(1)X=-DfxHt(2)V。=^Dgx H。(幻式中Rv代表体积膨胀和收缩率(％ )，Dt，Ht和Vt分别代表在任意温度下样品直径、高度和体积的计算机像素值，D0, Htl和Vtl分别代表在加热前样品直径、高度和体积的计算机像素值。
本发明的有益效果是，采用实时图像采集可以重现过程行为特性，使过程可视化， 从而可以观测到直观、形象的膨胀收缩及热爆裂过程，可以提高对块煤在加热过程中膨胀收缩特性及煤焦形态变化的认识，利用计算机图像处理技术可以方便准确的得到所需数据。通过测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的可视化方法能够很好的检测块煤在不同温度条件下的热解和脱气过程，膨胀和收缩行为及热爆裂特性，从而为熔化气化炉中块煤的使用提供指导，同时也为熔融还原煤种的选择过程中热爆裂性能的检测提供了一种新的方法。


图1是本发明的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置示意图。图中，1.光强度控制器，2.光源，3.炉管，4.水冷却系统，5.加热炉，6.样品，7.样品基板，8.出气口，9.进气口，10.石英窗，11. CXD镜头，12.照相机，13.计算机，14.热电偶。
具体实施例方式实施例1本发明的装置包括加热系统、照相机12、计算机13、光源调节系统和气氛系统；所述加热系统包括炉管3、石英窗10、样品基板7和样品6以及测温热电偶14，在所述炉管上装有水冷却系统4。上述气氛系统包括进气口 9和出气口 8 ；；上述光源调节系统包括光源2和光强度控制器1。光强度控制器1在炉管3—侧。所述热电偶14的顶端与样品基板7紧密接触。照相机12为数码照相机，其镜头为长焦距CXD镜头11，所述加热系统安置在CXD 镜头的正前方。CXD镜头的分辨率> 300万像素，可调焦距> 1. lm。CXD镜头11与照相机 12主体之间用老虎皮连接；所述CXD镜头11加载有滤光片和滤波片。将灰分为13. 11%，固定碳含量为61. 93%，挥发份含量为23. 87%，水分含量为 1. 09%的煤A破碎到0. 05mm以下，压制成直径20. 5mm高度14. 3mm的块状。将块状煤放于Al2O3样品基板上放于炉子中央，调节CCD镜头和光源使相机看到的图像最清晰，通入氩气和冷却水炉子开始升温，在300-50(TC阶段升温速率设定为1. 5°C / min，其余阶段为3°C /min。在此过程中，根据图像的变化进行多次拍摄，通过热电偶选择适当的温度点拍摄照片，通过计算机处理，得到块煤的最大膨胀率为4. 5%，最大收缩率为 36. 2%。实施例2将灰分为16. 27 %，固定碳含量为59. 67 %，挥发份含量为23. 21 %，水分含量为 0. 85%的煤B破碎到0. 05mm以下，压制成直径20. 5mm高度12. Imm的块状。将块状煤放于Al2O3基板上放于炉子中央，调节C⑶镜头和光源使相机看到的图像最清晰，通入氩气和冷却水炉子开始升温，在300-500°C阶段升温速率设定为1. 50C /min, 其余阶段为3°C /min，通过热电偶选择适当的温度点拍摄照片，通过计算机处理，得到块煤的最大膨胀率4. 1%，最大收缩率为35.4%。
其他同实施例1.实施例3将灰分为13. 11%，固定碳含量为61. 93%，挥发份含量为23. 87%，水分含量为 1. 09%的自然大块煤C通过加工磨削成直径10. 3mm高度10. 2mm的形状。将块状煤放于Al2O3基板上放于炉子中央，调节CCD镜头和光源使相机看到的图像最清晰，通入氩气和冷却水炉子开始升温，在300-500°C阶段升温速率设定为1. 50C /min, 其余阶段为3°C /min，通过热电偶选择适当的温度点拍摄照片，通过计算机处理就可以得到块煤的最大膨胀率为4. 7%和最大收缩率为37. 5%。其他同实施例1.实施例4将灰分为21. 10%，固定碳含量为66.对％，挥发份含量为11. 39%，水分含量为 1. 27%的自然大块煤D通过加工磨削成直径6. Omm高度6. Omm的形状。将块状煤放于Al2O3基板上放于炉子中央，调节CCD镜头和光源使相机看到的图像最清晰，通入氩气和冷却水炉子开始升温，在300-500°C阶段升温速率设定为1. 50C /min, 其余阶段为3°C /min，通过热电偶选择适当的温度点拍摄照片，通过计算机处理就可以得到块煤的最大膨胀率为3. 5%和最大收缩率为32. 2%。其他同实施例1.本发明的通过提供一种可视化装置和测量方法，可以直观地观察块煤在不同温度条件下的热解和脱气过程，同时通过图像采集，可以间接测量块煤的膨胀和收缩行为及热爆裂特性，从而为熔化气化炉中块煤的使用提供指导依据。
权利要求
1.一种测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，其特征在于，所述装置包括加热系统、照相机(12)、计算机(13)、光源调节系统和气氛系统；所述加热系统包括炉管(3)、石英窗(10)、样品基板(7)和样品(6)以及测温热电偶(14)，所述热电偶(14)的顶端与所述样品基板(7)紧密接触；所述的照相机(12)的镜头为长焦距CCD镜头(11)，所述加热系统安置在所述CCD镜头 (11)的正前方。
2.根据权利要求1所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，其特征在于， 所述的照相机(12)为数码照相机，并通过数据线与计算机(13)连接。
3.根据权利要求1所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，其特征在于， 所述光源调节系统包括光源( 和光强度控制器(1)，所述光强度控制器(1)在所述炉管 (3) 一侧。
4.根据权利要求1所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，其特征在于， 所述气氛系统通路包括进气口(9)和出气口(8)。
5.根据权利要求1所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，其特征在于， 在所述炉管(3)上装有水冷却系统(4)。
6.根据权利要求1所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，其特征在于， 所述CXD镜头的分辨率> 300万像素，可调焦距> 1. lm。
7.根据权利要求2所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置，其特征在于， 所述CCD镜头(11)与照相机(1 主体之间用老虎皮连接；所述CCD镜头(11)加载有滤光片和滤波片。
8.一种测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行(1)煤样的制备将原煤煤块磨制成不同颗粒大小的单颗粒块状煤，或将煤在常温常压下先磨制成粉末状，然后利用压样机分别压制成不同密度的粉压煤；(2)将制好的煤样置入权利要求1所述的样品基板(7)中，调节光强度控制器(1)和 C⑶镜头(11)，使图像清晰；(3)在氩气环境下程序控制升温至目标温度，当煤样品在加热炉中按给定的温度升温加热时将发生膨胀和收缩，在加热过程中选择合适的温度点利用照相机对煤样品进行实时在线图像采集；(4)处理过程图像得到该温度下煤样的线性膨胀和收缩值，计算得到体积膨胀和收缩率，并观察样品的热爆裂性。
9.根据权利要求8所述的测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩生能的方法，其特征在于， 所述升温速率在300-500°C阶段设定为1. 50C /min，其余温度阶段为3°C /min。
全文摘要
本发明提供了一种测量块煤热爆裂性及膨胀和收缩性能的装置及方法。本发明的装置包括加热系统、照相机、计算机、光源调节系统和气氛系统；所述加热系统包括炉管、石英窗、样品基板和样品以及测温热电偶，热电偶的顶端与样品基板紧密接触；照相机的镜头为长焦距CCD镜头，加热系统安置在CCD镜头的正前方。本发明的方法是将块煤样品在上述装置中加热，在图像清晰时选择合适的温度点采集图像，计算得到体积膨胀和收缩率。本发明通过提供一种可视化装置和测量方法，可以直观地观察块煤在不同温度条件下的热解和脱气过程，同时通过图像采集，可以间接测量块煤的膨胀和收缩行为及热爆裂特性，从而为熔化气化炉中块煤的使用提供指导依据。
文档编号G01N25/54GK102156149SQ20101011027
公开日2011年8月17日 申请日期2010年2月11日 优先权日2010年2月11日
发明者张群, 李肇毅, 王玉明, 钱晖 申请人:宝山钢铁股份有限公司