一种利用微波加热的煤自燃程序控温系统及方法

技术领域

本发明属于煤自燃特性研究技术领域，具体涉及一种利用微波加热的煤自燃程序控温系统及方法。

背景技术

煤自燃是影响矿井安全的危害之一，它不仅会释放有毒有害气体，造成大气污染，还会引起瓦斯爆炸，危害矿井工人的安全与健康，损害煤炭资源及生产设备，造成巨大的经济损失。煤自燃是一个自加速煤氧复合放热过程，氧分子首先在煤表面形成物理化学吸附热，导致煤体温度升高，进而促使氧分子与煤分子表面活性官能团发生氧化分解反应，释放大量反应热，而热量在煤体内部积聚，最终导致煤炭自燃。煤氧复合过程的放热特性受多种因素的影响，例如温度、煤体变质程度以及煤体与空气接触的表面积等，因此煤的自燃发火期和指标气体必须通过实验研究才能加以确定。

程序控温装置是研究煤自燃发火期和指标气体常用的实验装置。现有程序控温装置的加热方式一般是加热管加热煤样或者通过高温甲基硅油和食用油，利用热传递使煤样罐中的煤样由表及里升温，并在特定温度下采集气体。然而，利用上述方式加热煤样，达到设定温度时所需时间长，且普遍存在煤样罐中煤样温度分布不均匀，升温速率难以控制的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种利用微波加热的煤自燃程序控温系统及方法，以能够对煤样高效快速均匀升温，并实现升温速率可控的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种利用微波加热的煤自燃程序控温系统，包括加热机构、煤样承载机构、电控机构和气体采集分析机构；所述加热机构包括微波发生器、微波能应用器以及用于连接微波发生器和微波能应用器并实现微波传导的微波传输器，其中，煤样承载机构设于微波能应用器内；

所述电控机构包括控温模块和气体流量控制模块；所述控温模块包括温度控制器以及设于煤样承载机构中的温度传感器；所述气体流量控制模块包括与煤样承载机构底部相连通的气瓶，设于气瓶内的压力控制器以及设于连接管路上的流量控制器；

所述气体采集分析机构包括与煤样承载机构顶部相连通的气相色谱仪。

作为本发明的限定，微波能应用器为由非铁磁材料制成的谐振腔；所述谐振腔上开设有箱门，腔体内涂覆有保温涂层。

作为本发明的进一步限定，微波发生器包括设于微波电器控制箱内的磁控管和变压器；所述变压器与温度控制器电连接；所述微波电器控制箱内还设有用于器件降温的散热风扇。

作为本发明的另一种限定，温度控制器包括与计算机相连接的速率电动机和功率调节器电动机。

作为本发明的进一步限定，气相色谱仪与煤样承载机构相连通的管路上还设有用于控制气体通断的电磁阀。

作为本发明的第三种限定，煤样承载机构包括通过煤样罐托盘设于微波能应用器内部的煤样罐；所述煤样罐底部设有煤样托架，顶部设有可拆卸的端盖，其中，端盖上固设有深入煤样罐内部的温度传感器套管。

作为本发明的进一步限定，煤样托架为覆设有石棉网的通孔隔板。

作为本发明的进一步限定，煤样罐为由陶瓷材料制成的筒状结构，直径为30～50mm。

作为本发明的再进一步限定，煤样罐顶部还与水槽相连通。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：

（1）本发明采用微波加热方式，对煤样加热时，煤中的极性分子受外部交变电磁场的影响发生偏转，进而内部震动产热，与传统利用加热棒加热煤样的方式相比，本系统在实现煤样快速升温的同时，还相应提高了煤样受热的均匀性；另一方面，微波的穿透力强、加热惯性小，因此能对温度的变化进行快速控制，本发明利用电控机构中的控温模块，实现了微波发生器加热功率的可调性，可根据不同的实验条件设置相应的加热功率和升温速率，满足了不同的实验需求，并大幅提高了实验结果的准确性。

（2）本发明中的微波发生器利用微波传输器（波导管）向微波能应用器传输微波，进行煤样加热，微波发生器不与煤样直接接触，可避免煤样局部受热升温进而逐渐扩散的情况发生，进一步提高了煤样受热的均匀性，保证了实验的准确合理性；另一方面，利用波导管进行微波传输，在微波传输过程中能尽可能的减少损耗，保证加热速率的高效性。

（3）本发明中微波能应用器（谐振腔）上所开设的箱门，便于取放煤样承载机构，进行煤样的更换；而谐振腔腔体内涂覆的保温涂层，在煤样达到加热温度后便于实现并保持煤样的恒温状态。

（4）本发明中微波电器控制箱内设置的散热风扇，能够为变压器和磁控管等高功率元件散热降温，保证设备长期正常的运行。

（5）本发明温度控制器中所设置的速率电动机和功率调节器电动机，在计算机的控制下，能够实现对微波发生器（磁控管）升温速率和加热功率的精准控制，可有效保证实验条件的精准可控性，减少实验结果的偏差。

（6）本发明中气相色谱仪与煤样承载机构相连通管路上设置的电磁阀，在实验过程中可实现气相色谱仪的间隔取样，可保证气体采集的合理性和气体分析的准确性；而煤样承载机构额外连通的水槽，在电磁阀断开时可及时处理释放通过煤样承载机构的气体，能够保证煤样承载机构中气体良好的流通性，避免气体长期滞留进而影响后续气相色谱仪气样采集精确性的情况发生。

（7）本发明煤样罐底部所设置的煤样托架，可保证煤样装填的合理性；而顶部所设置的端盖，则便于煤样的装填更换，端盖上所设置的温度传感器套管还便于温度传感器的插入并保证温度传感器与煤样接触的良好性。

（8）本发明煤样罐底部煤样托架上所覆设的石棉网，则能够防止煤样堵塞管路，保证气体在煤样中流动的均匀性。

（9）经对大量实验过程的分析和研究，本发明中煤样罐的直径设为30～50mm，以保证煤样罐内煤样受热的均匀性及后续对气体采集的合理精确性。

本发明还公开了一种利用微波加热的煤自燃程序控温方法，利用如上所述的一种微波加热的煤自燃程序控温系统，包括按顺序依次进行的以下步骤：

S1、煤样填充：将煤样填充至煤样承载机构后，插入温度传感器，并保证电控机构和气相色谱仪均与计算机实时通信；

S2、程序升温：向煤样承载机构内通入气体，并通过计算机控制气体流量；然后利用微波发生器对煤样承载机构加热升温，并通过计算机设定微波的频率值为2.45GHz，加热功率值为1.2～1.6kw；同时保证3～5s的升温时间；

S3、控温模式：关闭微波发生器，停止加热，通过温度传感器对煤样温度进行监控，每隔10～15℃抽取一次气样，并利用气相色谱仪对气体进行分析后，将数据结果传输至计算机内。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：

（1）本发明煤自燃程序控温方法中，通过计算机即可实现对煤样升温和控温恒温的快速控制，操作简单且耗时短，可大幅减轻操作人员的实验工作量，所产生的过程数据及实验结果可直观显现在计算机上，便于操作人员后续的分析处理。

（2）本发明煤自燃程序控温方法中，设定微波的频率值为2.45GHz，加热功率值为1.2～1.6kw，可有效解决微波加热实际效果与工业中能耗比的问题，保证对煤样最佳的加热效果。

综上所述，本发明结构合理、操作简单且安全稳定性高，可保证对煤样快速、均匀的升温，并实现升温速率可控性，进而可满足不同实验需求，大幅提高实验结果的准确性。

本发明适于在对煤自燃特性研究时使用，用于分析研究不同变质程度、不同粒径煤样在不同氧浓度及程序升温条件下的耗氧情况和气体生成量。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1加热机构的结构示意图；

图3为本发明实施例1煤样罐的局部结构示意图；

图4为本发明实施例1控温模块的电路连接示意图；

图中：1、加热机构；2、煤样承载机构；3、微波电器控制箱；4、磁控管；5、变压器；6、散热风扇；7、谐振腔；8、波导管；9、煤样罐；10、煤样罐托盘；11、端盖；12、温度传感器套管；13、气瓶；14、气相色谱仪；15、水槽；S1、主开关；S2、速率电动机开关；S3、功率调节器电动机开关，MD、速率电动机；MV、功率调节器电动机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本发明，并不用于限定本发明。

实施例1 一种利用微波加热的煤自燃程序控温系统

如图1至图4所示，本实施例包括相互配合工作的加热机构1、煤样承载机构2、电控机构和气体采集分析机构。本实施例采用微波加热方式，实现煤样快速升温，保证煤样受热均匀性的同时，还实现了对煤样升温速率的可调、可控性。

一、加热机构1

加热机构1为本实施例的核心部件，用于发射微波，进而实现煤样的加热。如图2所示，加热机构1包括微波发生器、微波能应用器和微波传输器。其中，微波发生器包括置于微波电器控制箱3内的磁控管4和变压器5，变压器5与磁控管4电连接，为磁控管4提供所需电压。为保证供电的安全稳定性，本实施例中，变压器5和磁控管4的连接线路上还设有高压二极管。由于磁控管4和变压器5均为高功率元件，工作时会产生大量的热量，因此本实施例微波电器控制箱3内还布置有用于为元器件散热的散热风扇6。

微波能应用器，即谐振腔7，用于放置煤样承载机构2，并实现对微波能的高效应用。谐振腔7整体由非铁磁材料制成，正面开设有箱门，以便煤样承载机构2的取放；谐振腔7腔体内涂覆有保温涂层，以便煤样达至加热温度后能够保持恒温状态。

微波传输器用于将磁控管4产生的微波传送至谐振腔7内，实现煤样在谐振腔7内的加热。为尽可能减少微波在传送过程中的损耗，本实施例采用波导管8作为微波传输器，具体如图2所示，波导管8设于微波电器控制箱3和谐振腔7相连通的上端。

二、煤样承载机构2

煤样承载机构2整体设置于谐振腔7内，用于承载煤样，在加热机构1的作用下实现对煤自燃现象的模拟。如图1或图2所示，煤样承载机构2包括煤样罐9和煤样罐托盘10，煤样罐托盘10与谐振腔7的底部固定连接，煤样罐9则置于煤样罐托盘10上。其中，煤样罐9由可透射微波的陶瓷材料制成，为筒状结构，并考虑到煤样罐9的直径会影响温度分布的均匀性，直径过大或过小都会导致煤样受热不均匀，故本实施例中，煤样罐9的直径选定为30～50mm。为减少实验过程中热量的散失，本实施例在煤样罐9的内侧壁上还布置有保温层。

更具体的，为保证煤样在煤样罐9内填装分布的合理性，煤样罐9底部焊接有煤样托架；而为保证气体能与煤样罐9内的煤样均匀接触，并防止煤样堵塞管路，本实施例采用通孔隔板作为煤样托架，且通孔隔板上覆设有一层石棉网。如图3所示，为便于煤样的装填，煤样罐9的顶部设有可拆卸的端盖11，端盖11上开设有能够与气体采集分析机构相连通的出气口，还固设有便于温度传感器插入的温度传感器套管12。温度传感器套管12一端与端盖11气密性焊接，另一端向煤样罐9内部延伸。因本实施例采用热电偶作为温度传感器，故本实施例中的温度传感器套管12也就是热电偶套管。

三、电控机构和气体采集分析机构

电控机构包括控温模块和气体流量控制模块，控温模块用于检测煤样温度并实现对煤样加热功率的控制，气体流量控制模块则用于控制通入煤样中的气体流量。其中，控温模块包括温度控制器以及通过温度传感器套管12设于煤样承载机构2中的温度传感器。温度控制器包括与计算机相连接，由计算机控制的速率电动机MD和功率调节器电动机MV，其具体电路连接关系如图4所示。实验过程中，通过计算机控制速率电动机MD和功率调节器电动机MV，能够实现对煤样升温速率和加热功率的精确控制。本实施例中，温度传感器即为与计算机相连接的热电偶。

气体流量控制模块包括通过管路与煤样承载机构2中煤样罐9底部相连通的气瓶13，以及设于气瓶13内部的压力控制器和设于气瓶13和煤样罐9连接管路上的流量控制器，压力控制器和流量控制器均分别与计算机相连接，实验过程中，通过计算机能够实现对气体放散速度的监测和控制。

气体采集分析机构用于对通过煤样罐9的气样进行采集和分析工作。气体采集分析机构包括通过管路与煤样承载机构2中煤样罐9顶部相连通的气相色谱仪14，其中，气相色谱仪14与煤样罐9的连接管路上还设有电磁阀，电磁阀与计算机相连接，用于对气体的通、断进行控制，以在实验过程中，实现气相色谱仪14的间隔取样。

为了在电磁阀断开状态下也能及时将煤样罐9内的气体排出，避免气体长期滞留而影响后续气相色谱仪14取样的精准性、实时性，本实施例中，煤样罐9的顶部还通过管路与水槽15相连通，具体结构如图1所示。

实施例2 一种利用微波加热的煤自燃程序控温方法

本实施例利用如实施例1所述的煤自燃程序控温系统，包括按顺序依次进行的以下步骤：

步骤S1、煤样填充

打开微波能应用器（即谐振腔7）的箱门，取出煤样罐9后，将破碎到一定粒径的煤样均匀填充至煤样罐9中，再在煤样上方布置一层石棉网后，盖上端盖11，插入温度传感器（即热电偶），然后将煤样罐9放入微波能应用器内。同时保证电控机构中的各部件和气相色谱仪14均可与计算机实时通信。

S2、程序升温

将气瓶13内气体通入煤样承载机构2的煤样罐9中，并根据实际实验所需，在计算机中设定相应的气体流量，计算机即通过压力控制器和流量控制器实现对气体流量的精确控制。

利用微波发生器（即磁控管4）对煤样承载机构2加热升温，具体为：首先通过计算机设定微波发生器的微波频率值为2.45GHz，加热功率值为1.2～1.6kw，同时设定3～5s的升温时间；再闭合主开关S1，此时微波发生器处于待机状态；然后，通过计算机将功率调节器电动机MV调至所需档位后，闭合功率调节器电动机开关S3，将速率电动机MD调至所需升温速率后，闭合速率电动机开关S2。此时，变压器5为微波发生器供电，产生2.45GHz的微波能，并经微波传输器传入微波能应用器内，煤样罐9中煤样的极性分子受外部交变电磁场的影响会发生偏转，进而内部震动产热，达到升温效果。

S3、控温模式

3～5s升温时间完成后，计算机自动关闭微波发生器，停止加热；同时通过温度传感器对煤样温度进行监控，温度每变化10～15℃，即通过计算机控制电磁阀短暂开启，抽取一次气样，并利用气相色谱仪14对气体进行分析后，将数据结果传输保存至计算机内，供操作人员进行下一步的分析。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。