CN101482458B - 一种炉内积灰采样装置 - Google Patents
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Abstract
一种炉内积灰采样装置，主要用于电厂锅炉及相关试验装置的积灰样品采集。装置主体分为枪体、固定采样管和移动采样管三部分。其中枪体为双层套管结构，压缩空气在套管内流动。采样管表面布置热电偶，测量表面温度。气体流量控制器控制压缩空气流量进而控制采样时固定采样管和移动采样管的表面温度。固定采样管采用过盈配合固定在枪体上，移动采样管采用间隙配合布置在枪体前端，采样后可取下。采样管材质可据研究对象的材质选取，采样管尺寸根据炉内流场的参数计算决定。本发明可用于高温下积灰样品的采集，特点在于充分考虑流场条件、金属材质和温度对积灰的影响，可以保证积灰样品的真实性。
Description
技术领域
本发明涉及一种炉内高温积灰采样装置，属于炉内高温燃烧用的实验研究设备。
背景技术
积灰不仅降低锅炉热效率，严重时还会危及锅炉安全运行，是固体燃料燃烧技术发展的主要障碍。《京都议定书》签订后，生物质燃料由于二氧化碳近零排放的特点逐渐成为燃烧技术领域研究的热点，相对于燃煤锅炉生物质锅炉运行时积灰更加严重，这进一步促进了研究者对积灰形成机理的探究。燃料中的成灰物质在燃烧过程中进入高温烟气，以气相和颗粒相两种形式存在，这些成灰物质伴随着复杂的物理化学过程运动到换热器表面并沉积下来便形成积灰。
采集积灰样品进行分析是研究积灰形成机理和控制方法的主要手段。通过对积灰样品的分析可以得到积灰形成速度，成分构成等信息。过去积灰样品的采集方式主要有两种，一是停炉后冷态采集换热器上的积灰，该方法受锅炉运行状况的限制采样不具有实时性，而且不能有计划的控制工况条件开展积灰研究。二是采用积灰装置实时采样，过去使用的枪体设计中对于采样处流场条件、温度条件、表面材质等影响因素缺乏系统完善的考虑，同时采集的积灰由于烧结在枪体表面需要用刀具刮下，这样必然破坏了积灰本身的结构，导致后续研究中不能对积灰形貌和成分分布进行分析。在炉内高温环境下，采集贴近实际工况的积灰样品并保证采集过程积灰不被破坏对于研究积灰形成和发展机理是至关重要的，目前并没有合适的采样设施见诸报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型炉内高温积灰采样装置，可模拟实际流场条件、温度条件，并保证采样管表面材质与待测锅炉换热器材质一致，使积灰采样过程中成灰物质的物理化学转化途径贴近实际工况，从而保证积灰取样的真实性。同时，可拆卸的移动采样管可以无损取样。具有结构简单、可靠、适应范围广等特点。
本发明的技术方案如下：
一种炉内积灰采样装置，其特征在于，该积灰采样装置包括枪体1、固定采样管2和移动采样管3，以及设置在枪体外部的保护套管8；所述的枪体1是由枪体内管10和外管9组成，所述的固定采样管2和移动采样管3套设在枪体外管9的一端上，并在固定采样管2和移动采样管3的表面嵌有热电偶5；在枪体外管的另一端的侧面上设有压缩空气进口6，在与该压缩空气进口同一端的枪体内管10的端部设有压缩空气出口7；在压缩空气入口前设有气体流量控制器4。
本发明的技术特征还在于：该积灰采样装置的固定采样管2和移动采样管3的外径根据公式 确定(其中ρp为飞灰密度、dp为飞灰粒径、Vg为烟气速度、μ为烟气动力粘度、d为采样管外径、St为斯托克斯数)，固定采样管2和移动采样管3的材质与待测锅炉换热器材质一致。
本发明的另一技术特征是：该积灰采样装置还包括计算机11，该计算机11通过信号线与热电偶5和气体流量控制器4连接。
本发明的又一技术特征是：该炉内积灰采样装置在靠近移动采样管3一端，热电偶5伸出固定采样管2的长度为热电偶5直径的1-1.5倍；移动采样管3顶端加工有圆柱形凹槽，凹槽直径与热电偶5外径一致，凹槽的轴向深度为凹槽直径的1.5-2倍。
本发明具有以下优点及突出性效果：首先充分考虑了积灰形成过程的主要影响因素，最大程度地保证采样过程与实际工况近似，这些因素包括流场条件、采样管材质、表面温度等。本发明的采样管外径根据采样当地的流场参数确定，保证积灰采样时流场条件与实际情况一致；采样管材质的选用与待研究积灰处表面材质保持一致；同时采样管表面温度可控，可实时追踪炉内换热器表面温度，保证积灰采样时温度条件与实际情况一致。可拆卸的移动采样管可实现无损积灰采样，样品用于积灰形貌和成分分布的分析。同时固定采样管采集的样品用于积灰速度的测量或总体成分分析。同时可快速拆卸的移动采样管设计，减少了多次采集间的处理时间，大大提高了工作效率。无损的积灰采样方法，使积灰的形貌得以保存进而为研究者提供了更为丰富的信息。综上，该采样装置的出现为积灰的现场测量和实验室研究提供了更为便捷，更为科学，更为准确的采样方法。为积灰机理以及系统的实验研究提供了可能，可以极大的提升工作效率和经济性。
附图说明
图1是本炉内积灰采样管的结构示意图。
图2是本炉内积灰采样管侧视图。
图3是本炉内积灰采样管内部气体流动示意图。
图中，1-枪体；2-固定采样管；3-移动采样管；4-气体流量控制器；5-热电偶；6-压缩空气进口；7-压缩空气出口；8-保护套管；9-枪体外管；10-枪体内管；11-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构、工作原理和工作过程作进一步的说明。
本发明提供的炉内积灰采样装置如图1所示，该炉内积灰采样装置包括枪体1、固定采样管2和移动采样管3，以及设置在枪体外部的保护套管8；所述的枪体1是由枪体内管10和枪体外管9组成，所述的固定采样管2和移动采样管3套设在枪体外管的一端上，
该积灰采样装置的固定采样管2和移动采样管3的外径应根据公式 确定(其中ρp为飞灰密度、dp为飞灰粒径、Vg为烟气速度、μ为烟气动力粘度、d为采样管外径、St为斯托克斯数)，固定采样管2和移动采样管3的材质与待测锅炉换热器材质一致。
该积灰采样装置还包括计算机11，该计算机11通过信号线与热电偶5和气体流量控制器4连接。
本发明提供的一种炉内积灰采样装置，其工作原理如下：
该采样装置能够模拟实际流场条件，根据待测锅炉换热器处流场的St数确定采样管外径。其中， ρp为飞灰密度、dp为飞灰粒径、Vg为烟气速度、μ为烟气动力粘度、d为采样管外径、St为斯托克斯数。一般来说，实际锅炉采样时采样管外径应与待研究的换热器管径保持一致，实验室研究时则需根据待研究工况的St数确定采样管外径。
采样时固定采样管2和移动采样管3的表面温度是可控的，采样管表面布置有精度为0.01K的热电偶5。气体流量控制器4调节枪体1内压缩空气的流量进而控制采样管表面温度。表面温度可以预先设定为固定值，也可实时追踪待研究的换热器表面温度。温度控制过程可由计算机11完成。
热电偶5布置在固定采样管2表面，可快速拆卸。移动采样管3顶端开圆柱形凹槽，热电偶5顶端可以插入以减小接触热阻，保证采样温度测量的准确性。同时，凹槽还起到固定移动采样管3的作用。
采样前应把固定采样管2和移动采样管3插到采样位置预热，并将保护套管8套在枪体上，使其达到预定温度。在此过程中，保护套管8可以避免成灰物质在采样管表面沉积。达到预定工况后，迅速取下保护套管8并将采样装置放回采样位置。
可拆卸的移动采样管3可实现无损积灰采样，保证样品回收过程中积灰样品的形貌不被破坏。这为进一步分析积灰的形貌和成分分布提供了可能。
更换不同材料的移动采样管3为研究换热器材质对积灰的影响提供了便捷的途径。此外采集多个样品时，可更换的移动采样管3可以节省采样间的处理时间，提高工作效率。
下面结合附图进一步说明本发明的工作过程。
首先根据采样处流场条件，确定固定采样管2和移动采样管3的外径。具体方法如下：实际锅炉采样使采样管外径尽量与换热器管径一致。实验室采样时，根据研究工况的St数计算得到采样管外径，公式参照上文。之后根据采样管几何尺寸及采样处实际空 间条件，确定枪体1几何尺寸，为减少流动阻力应使枪体内10和枪体内外管9间的过流面积与枪体内管10的过流面积相同。最后加工枪体1和固定采样管2以及移动采样管3，一般来说枪体1材料选耐高温的不锈钢，两个采样管则根据研究工况选材。采样前固定采样管2、移动采样管3需经过预处理，推荐采用的方式是在大于采样最高温度100-150℃的条件下加热4小时。
根据两个采样管的尺寸，选取外径适宜的热电偶5，根据图1、2所示的结构装配到固定采样管2上，使热电偶5顶端伸出固定采样管靠近移动采样管一端约1-1.5倍热电偶直径的长度。在靠近移动采样管3一端，热电偶5伸出固定采样管2的长度为热电偶5直径的1-1.5倍；移动采样管3顶端加工有圆柱形凹槽，凹槽的直径与热电偶5的外径一致，凹槽的轴向深度为凹槽直径的1.5-2倍。
采样前将移动采样管3装配到枪体1上，热电偶5顶端插入小凹槽。
采样时，经过除湿稳压的压缩空气4由压缩空气进口6进入枪体1，依次通过枪体1内、外套管夹层和枪体内管10，最后通过压缩空气出口7排出。气体流量控制器4调节压缩空气流量进而控制固定采样管2及移动采样管3的表面温度。温度控制可由计算机11自动完成。整个采样装置准备就绪后将保护套管8套在两个采样管上，然后插入炉内采样处预热，待温度达到采样要求后拔出采样装置迅速取下保护套管8并将采样装置插回取样处。
采样完成后，取下移动采样管3，得到形貌保持完好的积灰样品。同时，将固定采样管2的积灰样品收集至容器，留待后续分析。清理固定采样管，更换新的移动采样管后可进行下一次采样。
Claims (4)
1.一种炉内积灰采样装置，其特征在于，该积灰采样装置包括枪体(1)、固定采样管(2)和移动采样管(3)，以及设置在枪体外部的保护套管(8)；所述的枪体(1)是由枪体内管(10)和枪体外管(9)组成，枪体(1)材料选耐高温的不锈钢，所述的固定采样管(2)和移动采样管(3)套设在枪体外管(9)的一端上，并在固定采样管(2)和移动采样管(3)的表面嵌有热电偶(5)；在枪体外管的另一端的侧面上设有压缩空气进口(6)，在与该压缩空气进口同一端的枪体内管(10)的端部设有压缩空气出口(7)；在压缩空气入口(6)前设有气体流量控制器(4)。
2.按照权利要求1所述的炉内积灰采样装置，其特征在于，所述的固定采样管(2)和移动采样管(3)的外径根据公式
确定，固定采样管(2)和移动采样管(3)的材质与待测锅炉换热器材质一致，其中ρp为飞灰密度，dp为飞灰粒径，Vg为烟气速度，μ为烟气动力粘度，d为采样管外径，St为斯托克斯数。
3.按照权利要求1所述的炉内积灰采样装置，其特征在于，所述的积灰采样装置还包括计算机(11)，该计算机(11)通过信号线与热电偶(5)和气体流量控制器(4)连接。
4.按照权利要求1所述的炉内积灰采样装置，其特征在于，在靠近移动采样管(3)一端，热电偶(5)伸出固定采样管(2)的长度为热电偶(5)直径的1-1.5倍；移动采样管(3)顶端加工有圆柱形凹槽，凹槽的直径与热电偶(5)的外径一致，凹槽的轴向深度为凹槽直径的1.5-2倍。
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