本發(fā)明屬于教學實驗裝置領(lǐng)域，更具體地，涉及一種生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化教學實驗裝置。

背景技術(shù)：

生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油、天然氣而位居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)作為自然界唯一可再生循環(huán)的含炭燃料，以其碳的零排放而受到世界各國的重視，目前開發(fā)生物質(zhì)能已成為世界各國碳減排及環(huán)境保護的重要手段?！笆濉逼陂g，我國各類生物質(zhì)年利用量約為3500萬噸標準煤，“十三五”規(guī)劃提出，到2020年，我國生物質(zhì)能年利用量要達到5800萬噸標準煤，出于市場、能源戰(zhàn)略、環(huán)境保護及行業(yè)健康發(fā)展考慮，我國急需大力培養(yǎng)生物質(zhì)能開發(fā)的技術(shù)人才。目前，國內(nèi)很多高校均已開設(shè)新能源專業(yè)，生物質(zhì)能利用作為新能源專業(yè)主要的二級學科之一而備受重視，但目前簡單實用的教學實驗設(shè)備還幾乎處于空白狀態(tài)。

生物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化是生物質(zhì)利用技術(shù)的主流方向，生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化技術(shù)主要包含燃燒、氣化、熱解、提質(zhì)等技術(shù)，其中燃燒溫度在800℃以上，主要是將燃料完全燃燒，釋放出熱量用作發(fā)電或供熱；氣化主要是指將燃料變?yōu)槿細馐褂?，燃料在氣化爐內(nèi)主要經(jīng)歷四個過程:燃料干燥(100-300℃)、燃料揮發(fā)分析出即熱解(400-600℃)、燃料炭的氣化(600-800℃)、殘?zhí)康娜紵?>800℃)；熱解主要是指在無氧或少氧的氣氛下，在400-800℃溫度條件下燃料揮發(fā)分析出，冷凝部分形成生物油，未冷凝部分形成可燃氣，余下部分炭化形成生物炭；提質(zhì)主要是在低溫(<400℃)的條件下，對燃料進行深度干燥及初步反應(yīng)消除不穩(wěn)定基團，降低燃料水分及氧含量，提高燃料品質(zhì)。生物質(zhì)能熱轉(zhuǎn)化過程較為復雜，各反應(yīng)過程以特定的溫度范圍為主要特征，簡單實用，目前適用研究范圍廣的生物質(zhì)能教學實驗設(shè)備應(yīng)該具有以下缺點點：

1)組裝復雜，拆卸不方便，設(shè)備占用面積較大，難以放到桌上進行操作和演示；2)各反應(yīng)裝置溫度調(diào)節(jié)不靈活，溫度調(diào)節(jié)速度慢；3)對工業(yè)反應(yīng)爐內(nèi)復雜反應(yīng)過程進行分段拆分演示不是很直觀，對于研究不同反應(yīng)間的交互及耦合作用并不方便；3)沒有對氣體產(chǎn)物在線監(jiān)測的功能，反應(yīng)后各交互反應(yīng)產(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物不易于區(qū)分，觀察及測試均不方便；4)設(shè)置對照試驗不是很方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化教學實驗裝置，適用于生物質(zhì)能教學及研究實踐過程，通過溫度調(diào)節(jié)器形成一個溫降區(qū)域，該裝置擁有多個彼此串聯(lián)的反應(yīng)筒，可以在此溫降區(qū)域內(nèi)上下移動匹配目標溫度，并可快速進行微調(diào)，解決了反應(yīng)裝置溫度快速調(diào)節(jié)及反應(yīng)串聯(lián)耦合問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化教學實驗裝置，其特征在于，包括多級反應(yīng)器和溫度調(diào)節(jié)器,其中，

所述多級反應(yīng)器包括按從下至上的順序依次設(shè)置的多個反應(yīng)筒，各反應(yīng)筒依次連接，并且相鄰兩個反應(yīng)筒的內(nèi)腔通過管道連通，每個所述反應(yīng)筒的底部在對應(yīng)于管道的位置分別設(shè)置有孔板，孔板上布置有石英棉或石英濾膜，從而實現(xiàn)各反應(yīng)筒之間的相互通氣及各反應(yīng)筒的試驗原料的相互隔絕，并且按照從下至上的順序，各反應(yīng)筒適用的試驗原料的反應(yīng)溫度依次遞減；

所述溫度調(diào)節(jié)器用于對各反應(yīng)筒進行加熱，以使各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度達到試驗原料反應(yīng)所需的溫度。

優(yōu)選地，所述溫度調(diào)節(jié)器包括燃燒爐、煙氣筒和風扇，所述燃氣爐的頂部安裝所述煙氣筒，以用于使煙氣從下向上流動，所述多級反應(yīng)器的下端和上端分別伸入所述燃燒爐和所述煙氣筒內(nèi)，所述風扇位于所述煙氣筒外，以用于向所述煙氣筒吹風并使各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度達到試驗原料反應(yīng)所需的溫度。

優(yōu)選地，所述煙氣筒高度方向等間距布置有至少三支熱電偶，和溫度顯示器II相連，用于監(jiān)測煙氣筒內(nèi)溫度梯度區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述溫度調(diào)節(jié)器包括多個電爐并且這些電爐的數(shù)量與所述反應(yīng)筒的數(shù)量一致，每個所述反應(yīng)筒分別通過一所述電爐進行加熱，以使各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度達到試驗原料反應(yīng)所需的溫度。

優(yōu)選地，相鄰的兩個所述反應(yīng)筒通過金屬伸縮管或金屬軟管連接。

優(yōu)選地，最上方的反應(yīng)筒通過軟管依次連接冷凝裝置、過濾裝置和干燥裝置，所述干燥裝置與氣體分析儀連接，經(jīng)過凈化的反應(yīng)氣體通入所述氣體分析儀進行檢測后排出。

優(yōu)選地，所述干燥裝置與所述氣體分析儀之間設(shè)置有流量計和抽氣泵。

優(yōu)選地，最下方的反應(yīng)筒與進氣管連接，所述進氣管用于通入預定量的空氣、水蒸氣、氮氣、富氧空氣或欠氧空氣。

優(yōu)選地，每個所述反應(yīng)筒分別通過航空插頭與一中空支撐桿連接，每根所述中空支撐桿均水平設(shè)置，每根所述中空支撐桿分別滑動連接在一豎直桿上，從而可上下移動，進而實現(xiàn)各反應(yīng)筒的上下移動及固定。

優(yōu)選地，每根所述中空支撐桿內(nèi)均布置有連接到反應(yīng)筒內(nèi)的熱電偶絲，所述熱電偶絲與所述航空插頭連接，以用于測量對應(yīng)的反應(yīng)筒內(nèi)的溫度，并且每根熱電偶絲分別通過導線與溫度顯示器Ⅰ進行連接，以用于監(jiān)測各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發(fā)明可以實現(xiàn)反應(yīng)筒內(nèi)溫度的快速調(diào)節(jié)，有利于控制反應(yīng)條件；

2)本發(fā)明可以采用多個反應(yīng)筒模擬了從高溫到低溫的各主要生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化技術(shù)類型反應(yīng)的溫度條件，各個反應(yīng)筒彼此串聯(lián)，有利于研究各反應(yīng)的交互和耦合作用；可以通過靈活對各反應(yīng)筒內(nèi)布置試驗原料，比如缺失某個反應(yīng)筒的試驗原料來設(shè)置對照試驗，直接顯示某些反應(yīng)的作用，探究其對工藝的影響，增進對生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化工藝的理解；

3)本裝置擁有在線監(jiān)測儀器，可以在線監(jiān)測反應(yīng)參數(shù)及反應(yīng)物成分，運行結(jié)束后各反應(yīng)筒內(nèi)產(chǎn)物彼此分離，有利于觀察及進一步進行物化測試表征

4)本發(fā)明通過螺紋連接、航空插頭等方式連接，方便拆卸，組裝簡單，設(shè)備布局較為緊湊，可以放到桌面使用及演示，方便作為教學實驗儀器；

5)本發(fā)明的多級反應(yīng)器可根據(jù)學生的自主設(shè)計進行靈活組裝，極大地激發(fā)學生的創(chuàng)造性、創(chuàng)新能力和自主設(shè)計能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)為本發(fā)明中燃燒爐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(b)為圖2(a)的A向視圖；

圖2(c)為圖2(b)沿B-B線的剖視圖；

圖3為本發(fā)明中反應(yīng)筒結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照圖1～圖3，一種生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化教學實驗裝置，包括多級反應(yīng)器和溫度調(diào)節(jié)器,其中，

所述多級反應(yīng)器包括按從下至上的順序依次設(shè)置的多個反應(yīng)筒，各反應(yīng)筒依次連接，并且相鄰兩個反應(yīng)筒的內(nèi)腔通過管道連通，每個所述反應(yīng)筒的底部在對應(yīng)于管道的位置分別設(shè)置有孔板，孔板上布置有石英棉或石英濾膜，從而實現(xiàn)各反應(yīng)筒之間的相互通氣及各反應(yīng)筒的試驗原料的相互隔絕，并且按照從下至上的順序，各反應(yīng)筒適用的試驗原料的反應(yīng)溫度依次遞減；

所述溫度調(diào)節(jié)器用于對各反應(yīng)筒進行加熱，以使各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度達到試驗原料反應(yīng)所需的溫度。

進一步，所述溫度調(diào)節(jié)器包括燃燒爐4、煙氣筒11和風扇12，所述燃氣爐的頂部安裝所述煙氣筒11，以用于使煙氣從下向上流動，所述多級反應(yīng)器的下端和上端分別伸入所述燃燒爐4和所述煙氣筒11內(nèi)，所述風扇12位于所述煙氣筒11外，以用于向所述煙氣筒11吹風并使各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度達到試驗原料反應(yīng)所需的溫度。

進一步，所述煙氣筒11高度方向等間距布置有至少三支熱電偶23，和溫度顯示器II22相連，用于監(jiān)測煙氣筒11內(nèi)溫度梯度區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。

進一步，所述溫度調(diào)節(jié)器包括多個電爐并且這些電爐的數(shù)量與所述反應(yīng)筒的數(shù)量一致，每個所述反應(yīng)筒分別通過一所述電爐進行加熱，以使各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度達到試驗原料反應(yīng)所需的溫度。

進一步，相鄰的兩個所述反應(yīng)筒通過金屬伸縮管或金屬軟管連接。

進一步，最上方的反應(yīng)筒通過軟管14依次連接冷凝裝置16、過濾裝置20和干燥裝置21，所述干燥裝置21與氣體分析儀17連接，經(jīng)過凈化的反應(yīng)氣體通入所述氣體分析儀17進行檢測后排出。冷凝裝置16放置在冷卻介質(zhì)中，冷卻介質(zhì)可以為液氮、冷卻水或冰水混合物等。

進一步，所述干燥裝置21與所述氣體分析儀17之間設(shè)置有流量計19和抽氣泵18。

進一步，最下方的反應(yīng)筒與進氣管26連接，所述進氣管26用于通入預定量的空氣、水蒸氣、氮氣、富氧空氣或欠氧空氣。進氣管26接兩根支管出來，每根支管上分別設(shè)置流量閥24，這樣根支管可以通入不同的氣體。進氣管26穿過煙氣筒11上的軌道，在進氣管26從煙氣筒11頂部放入煙氣筒11底部后使用塊狀耐火材料將煙氣筒11上的軌道塞住，實現(xiàn)煙氣筒11的密封。

進一步，每個所述反應(yīng)筒分別通過航空插頭27與一中空支撐桿28連接，每根所述中空支撐桿28均水平設(shè)置，每根所述中空支撐桿28分別滑動連接在一豎直桿3上，從而可上下移動，進而實現(xiàn)各反應(yīng)筒的上下移動及固定。

進一步，每根所述中空支撐桿28內(nèi)均布置有連接到反應(yīng)筒內(nèi)的熱電偶23絲，所述熱電偶23絲與所述航空插頭連接，以用于測量對應(yīng)的反應(yīng)筒內(nèi)的溫度，并且每根熱電偶23絲分別通過導線6與溫度顯示器Ⅰ7進行連接，以用于監(jiān)測各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度。

參考圖2，所述的燃燒爐4包括燃燒爐主體4-1，燃燒爐主體4-1開有投料口4-3，投料口4-3兼具二次風口的作用，燃燒爐主體4-1中下部裝有爐排4-2，底部設(shè)有出灰口4-4.

所述的燃燒爐4上安裝煙氣筒11，燃燒爐4燃燒生物質(zhì)等原料產(chǎn)生輻射熱量和高溫煙氣，由于輻射角的變化及輻射距離的變化，輻射熱量隨著煙氣筒11高度方向遞減，高溫煙氣經(jīng)煙氣筒11向上流動，對煙氣筒11外進行強制換熱，兩方面的作用使得在煙氣筒11內(nèi)高度方向形成一個溫度遞減梯度區(qū)域，多級反應(yīng)器擁有多個彼此串聯(lián)的反應(yīng)筒，在煙氣筒11內(nèi)的溫度梯度區(qū)域內(nèi)上下移動達到設(shè)定溫度。

參照圖2，本發(fā)明的多級反應(yīng)器具有四個結(jié)構(gòu)相似的反應(yīng)筒，具體為第一級反應(yīng)筒5、第二級反應(yīng)筒8、第三級反應(yīng)筒9、第四級反應(yīng)筒10，參考圖3所示，反應(yīng)筒5具有筒主體5-2，筒主體頂部封蓋中心位置區(qū)域有通孔5-5，底部封蓋中心位置區(qū)域有具有細小孔徑的孔板5-6，孔板5-6上布置有石英棉或石英濾膜，反應(yīng)筒5上下均焊有外螺紋管接頭5-1，罩著通孔5-5及孔板5-6，各個反應(yīng)筒之間通過具有螺紋的金屬伸縮管25或金屬軟管連接，實現(xiàn)了各反應(yīng)筒之間的相互通氣及各反應(yīng)筒的試驗原料的相互隔絕。第一級反應(yīng)筒5適用于溫度大于800℃的反應(yīng)，第二級反應(yīng)筒8適用于溫度600-800℃的反應(yīng)，第三級反應(yīng)筒9適用于溫度400-600℃的反應(yīng)，第四級反應(yīng)筒10適用于溫度小于400℃的反應(yīng)。

所述第一級反應(yīng)筒5、第二級反應(yīng)筒8、第三級反應(yīng)筒9、第四級反應(yīng)筒10均通過航空插頭27與中空支撐桿28進行連接，中空支撐桿28與豎直桿3進行滑動連接，實現(xiàn)各反應(yīng)筒的上下移動及固定，中空支撐桿28內(nèi)絕熱布置有連接到反應(yīng)筒內(nèi)的熱電偶絲5-4，通過導線6與溫度顯示器II7進行連接，監(jiān)測各反應(yīng)筒內(nèi)的溫度，中空支撐桿28穿過煙氣筒11上的軌道，在中空支撐桿28移動后使用塊狀耐火材料將煙氣筒11上的軌道塞住，實現(xiàn)煙氣筒11的密封。

在本實施例中，所述的煙氣筒11高度方向等間距布置有8支熱電偶23，熱電偶23和溫度顯示器I22相連，用于監(jiān)測煙氣筒11內(nèi)溫度梯度區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。

所述的燃燒爐4產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)煙氣筒11向上流動后，經(jīng)抽氣罩13抽出，抽氣罩13為可移動式。

上述裝置大部分均可以放置在實驗桌1上進行操作及展示，并通過耐火絕熱層2實現(xiàn)實驗桌1的絕熱。

本發(fā)明進行教學演示時操作過程如下：

首先將煙氣筒11、燃燒爐4、抽氣罩13組裝成如圖1狀態(tài)，然后從燃燒爐4的投料口4-3投入生物質(zhì)炭塊等原料燃燒，調(diào)整風扇12的風量，通過溫度顯示器II22監(jiān)測煙氣溫度，使得煙氣溫度呈現(xiàn)合理的梯度降。將已預先裝入目標試驗原料的多級反應(yīng)器彼此連接組裝完成后，連接好進氣管26、冷凝裝置16、過濾裝置20、干燥裝置21、流量計19、抽氣泵18、氣體分析儀17，通過進氣管26通入N₂吹掃空氣。然后將抽氣罩13移開，將多級反應(yīng)器從煙氣筒11頂部放入煙氣筒11內(nèi)，通過調(diào)整中空支撐桿28的位置使得各反應(yīng)筒固定到預定反應(yīng)溫度的位置，等多級反應(yīng)器放入煙氣筒11后迅速將抽氣罩13復位，與此同時，通過進氣管26通入試驗設(shè)定的反應(yīng)氣體，試驗過程中通過氣體分析儀17讀出氣體組分數(shù)據(jù)，并記錄試驗數(shù)據(jù)。反應(yīng)結(jié)束后，將抽氣罩13移開，將多級反應(yīng)器從煙氣筒11頂部移出，并將中空支撐桿28以豎直桿3為軸轉(zhuǎn)動一個角度后固定在豎直桿3上，將進氣管3通入的氣體切換為N₂，移出多級反應(yīng)器后迅速將抽氣罩13復位，并逐漸熄滅燃燒爐4。待多級反應(yīng)器冷卻后，將多級反應(yīng)器的各反應(yīng)筒內(nèi)反應(yīng)后的試驗原料取出并分別按照要求存放，通過觀察、測試表征等手段對反應(yīng)后的試驗原料進行分析，除此之外，對冷凝產(chǎn)物進行測試分析，并結(jié)合氣體分析儀數(shù)據(jù)進行試驗分析，得出試驗結(jié)論。試驗過程中注意及時使用塊狀耐火材料將煙氣筒11上的軌道封住，保證煙氣筒11的密閉性，并穿戴耐火道具，做好防護，謹防燙傷。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。