CN105699281B - 原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置及方法，装置包括烟道机构、燃烧炉、供油管路机构和供气管路机构，燃烧炉包括炉体、炉盖、油槽和油嘴，烟道机构包括高温管式炉、试样挂架和烟气联接管，供油管路机构包括储油罐、压油气管和供油油管，供气管路机构包括供气管和压气气管，本发明的试验装置用于原油燃烧锅炉所适用的超临界材料的高温腐蚀试验，将原油在燃烧炉中直接燃烧，燃烧后的烟气进入烟道机构，用烟道机构来专门控制烟气温度。本发明的试验装置成功地应用于超临界材料的实验室研究中，数据真实、可靠，和企业工业应用现状数据吻合度高，满足了企业对燃油锅炉锅炉钢超临界材料高温腐蚀性能预测的需要。

Description

原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置及方法

技术领域

本发明涉及高温试验设备技术领域，具体涉及原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置及方法。

背景技术

目前世界的电站主要以燃煤电站、燃油电站、燃气电站、核电站和水电站为主。日本、中东、俄罗斯、美国加州西部沿海地区、新英格兰中部濒临大西洋地区、佛罗里达和美国东南及西南地区、以及我国的沿海经济发达省份大量地使用燃油电站。自2011年日本福岛核电站泄漏以来，日本陆续关停了全部核电站，重新启用燃油电站。中东国家，如沙特、伊朗、伊拉克等国石油储量丰富，其电力供应主要靠燃油电站。尤其是伊拉克在海湾战争之后，其国内的电站受到破坏，电力资源紧缺，对燃油电站的需求量更大。随着国内燃油蒸汽电站项目逐渐增多，目前在伊朗、伊拉克等国的燃油电站项目业务发展良好，同时为了不断开拓沙特、阿联酋等国的高端市场，加紧解决燃油蒸汽电站的关键性技术难题已经刻不容缓。目前，中东市场的燃油蒸汽机组逐步向大型化，高参数化的方向发展，特别在高端市场超临界燃油锅炉的开发需求日益迫切。

自20世纪80年代，现代超临界火力发电机组问世以来，超临界设备已在日本、德国、丹麦等国家大批投产使用。随着人类向21世纪的迈进，节能和环保已经成为现代工业发展的两大主题。世界各国纷纷采用提高蒸汽参数的方法来提升火力发电机组的热效率。火力发电机组的蒸汽压力不断提高，过热蒸汽温度已经达到600℃，高温过热器和再热器的金属温度达到650℃。未来火电机组的蒸汽温度将超过700℃，届时高温过热器和再热器的金属温度将达到750℃或更高，高温腐蚀问题将更为严重。

因此开展原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀研究具有重要价值。目前国内外对锅炉钢材料的高温腐蚀研究方法主要分为3种：第1种是混合气体模拟法；第2种是工业规模试验；第3种是废弃零件的腐蚀失效部位的检测试验。混合气体模拟法是根据燃烧烟气的主要成分和百分比，用纯的组元气体混合接近燃烧气体的成分。这种方法目前在实验室使用的最为广泛，但是针对原油燃烧烟气而言，其最大的缺点是，由于燃油组分非常复杂，其中的S、Ni、V、Na等元素对金属腐蚀影响最大，这些元素就混合在烟气里，因此用混合气体模拟法，不能够得到令人信服的数据。工业规模试验是利用现有工厂设备，试验时间长达1年甚至数年。工业规模试验尽管是数据最准确、最可靠的试验方法，但其缺点也是明显的，因为设备、人员、场地、能耗最大，最主要的是试验周期很长。目前一些新型高性能超临界钢种制造的锅炉已经运行了10~20年之久。但是市场环境是不允许对一种新钢种验证这么长时间的。对新材料而言，废弃零件的腐蚀失效部位的检测试验不是一个可以预测性能的试验方法，因此不适用。

由上述分析可知，对于原油燃烧锅炉所适用的超临界材料的高温腐蚀，开展相关的腐蚀性能预测试验，采用上述的试验方法是不合适的。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置及方法，直接燃烧原油，利用原油燃烧所产生的高温烟气对锅炉钢的高温腐蚀行为进行研究，能够满足企业对燃油锅炉锅炉钢超临界材料高温腐蚀性能预测的需要。

本发明为解决上述技术问题，所提供的技术方案是：原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置，包括烟道机构、燃烧炉、供油管路机构和供气管路机构，所述燃烧炉包括炉体、炉盖、油槽和油嘴，炉盖设置在炉体的顶部，油槽设置在炉体的底部，炉体的侧壁设置有向外凸起的油/气进料腔，油嘴穿设在炉体的油/气进料腔内，用于向油槽内注入原油，所述烟道机构包括高温管式炉、试样挂架和烟气联接管，高温管式炉具有一个管式炉工作管，用于固定待测试样的试样挂架可置于管式炉工作管内，管式炉工作管通过烟气联接管与燃烧炉的炉体内部联通，所述供油管路机构包括储油罐、压油气管和供油油管，储油罐通过压油气管与空气压缩机连接，储油罐的出油口通过供油油管与燃烧炉的油嘴连接，所述供气管路机构包括供气管和压气气管，供气管通过压气气管与空气压缩机连接，供气管的出气口连接至炉体的油/气进料腔。

作为本发明原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置的进一步改进：所述烟道机构的烟气联接管上设置有流量计Ⅰ和流量阀Ⅰ。

作为本发明原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置的进一步改进：所述供油管路机构的供油油管上设置有流量阀Ⅱ。

作为本发明原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置的进一步改进：所述供气管路机构的供气管上设置有带压力表的流量计和流量阀Ⅲ。

作为本发明原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置的进一步改进：所述烟道机构的管式炉工作管具有一个出气口，出气口处设置有流量阀Ⅳ和压力表。

作为本发明原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置的进一步改进：所述燃烧炉的炉体顶部还设置有泄压阀。

利用上述装置进行原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验的方法，包括以下步骤：

a、取待测样品，用铁丝将样品固定到试样挂架上，然后将试样挂架置入到管式炉工作管中；

b、打开燃烧炉的炉盖，将油槽放置在炉体的底部，然后通过油嘴向油槽内注入原油，待接近填满油槽后，放入棉纱布，使棉纱布浸泡并悬浮在原油表面，用明火点燃棉纱布，通过供气管路机构向炉体内通入压缩空气，待燃烧稳定后盖上炉盖，通过泄压阀使炉体内部压力保持在1.1个大气压；

c、通过燃烧炉与高温管式炉之间的烟气管道将燃烧后的烟气直接输送到管式炉工作管中，利用高温管式炉对管式炉工作管进行加热并保温在650±1℃或700℃±1℃，对样品进行高温腐蚀试验。

作为本发明原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验方法的进一步改进：在向管式炉工作管内通入烟气之前，先将管式炉工作管内的温度加热到工作温度，并且控制管式炉工作管内的压力为1.1个大气压。

有益效果

本发明的试验装置用于原油燃烧锅炉所适用的超临界材料的高温腐蚀试验，将原油在燃烧炉中直接燃烧，由于原油在燃烧时，要释放出大量的燃烧热量，使烟气温度很快提高，超过试验允许的温度值，因此为对烟气的温度实施有效控制，本发明的试验装置将燃烧炉与烟道机构分离，用烟道机构来专门控制烟气温度，使温度精度保持在650±1℃和700℃±1℃两个温度上。本发明的试验装置成功地应用于超临界材料的实验室研究中，数据真实、可靠，和企业工业应用现状数据吻合度高，满足了企业对燃油锅炉锅炉钢超临界材料高温腐蚀性能预测的需要。

附图说明

图1是本发明高温腐蚀试验装置的结构示意图；

图中标记：1、炉体，2、炉盖，3、油槽，4、油嘴，5、油/气进料腔，6、高温管式炉，7、试样挂架，8、烟气联接管，9、管式炉工作管，10、储油罐，11、压油气管，12、供油油管，13、空气压缩机，14、供气管，15、压气气管。

具体实施方式

如图所示：原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置，包括烟道机构、燃烧炉、供油管路机构和供气管路机构，所述燃烧炉包括炉体1、炉盖2、油槽3和油嘴4，炉盖2设置在炉体1的顶部，炉体1顶部还设置有泄压阀，油槽3设置在炉体1的底部，炉体1的侧壁设置有向外凸起的油/气进料腔5，油嘴4穿设在炉体1的油/气进料腔5内，用于向油槽3内注入原油，所述烟道机构包括高温管式炉6、试样挂架7和烟气联接管8，高温管式炉6具有一个管式炉工作管9，用于固定待测试样的试样挂架7可置于管式炉工作管9内，管式炉工作管9通过烟气联接管8与燃烧炉的炉体1内部联通，管式炉工作管9具有一个出气口，出气口处设置有流量阀Ⅳ和压力表。烟气联接管8上设置有流量计Ⅰ和流量阀Ⅰ。所述供油管路机构包括储油罐10、压油气管11和供油油管12，储油罐10通过压油气管11与空气压缩机13连接，储油罐10的出油口通过供油油管12与燃烧炉的油嘴4连接，供油油管12上设置有流量阀Ⅱ。所述供气管路机构包括供气管14和压气气管15，供气管14通过压气气管15与空气压缩机13连接，供气管14的出气口连接至炉体1的油/气进料腔5，供气管14上设置有带压力表的流量计和流量阀Ⅲ。

利用本发明的试验装置进行原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验的方法，包括以下步骤：

a、取待测样品，用铁丝将样品固定到试样挂架上，然后将试样挂架置入到管式炉工作管中；

b、打开燃烧炉的炉盖，将油槽放置在炉体的底部，然后通过油嘴向油槽内注入原油，待接近填满油槽后，放入棉纱布，使棉纱布浸泡并悬浮在原油表面，用明火点燃棉纱布，通过供气管路机构向炉体内通入压缩空气，待燃烧稳定后盖上炉盖，通过泄压阀使炉体内部压力保持在1.1个大气压；

c、通过燃烧炉与高温管式炉之间的烟气管道将燃烧后的烟气直接输送到管式炉工作管中，利用高温管式炉对管式炉工作管进行加热并保温在650±1℃或700℃±1℃，对样品进行高温腐蚀试验。

具体为：（本试验系统工作技术参数要求是，直接在燃烧炉2中燃烧原油，燃烧时间2000h，气体压力1.1大气压，将试验用的试样悬挂于燃油产生的烟气环境中，检测其在650℃和700℃的烟气中的高温腐蚀行为。）

由于原油在燃烧时，要释放出大量的燃烧热量，使烟气温度很快提高，超过试验允许的温度值。为对烟气的温度实施有效控制，本装置将燃烧炉与烟道机构分离，用烟道机构来专门控制烟气温度，温度精度保持在650±1℃和700℃±1℃两个温度上。使用烟气联接管将燃烧炉与烟道机构连接在一起。在设备的实际运行中，我们发现原油在燃烧炉中燃烧所产生的高温、高压烟气的温度要远远低于试验需要的温度，因此在燃烧炉和烟道机构之间不用设置冷却水套，将燃烧后的烟气直接输送到烟道机构内的管式炉工作管中，此时烟气的温度远远低于650℃和700℃两个工作温度，需要利用高温管式炉对管式炉工作管101进行加热并保温在650±1℃或700℃±1℃两个温度上，这样就实现了燃烧烟气温度的精确控制。烟气联接管上设置有流量计Ⅰ和流量阀Ⅰ，用于监测从燃烧炉中输出的燃烧烟气的压力及流量。

将试样做好标记后，用铁丝将试样固定到试样挂架上。接着将试样挂架102推入到管式炉工作管中，管式炉工作管本身自带有热电偶，通过热电偶和高温开启式管式炉自带的电气装置实施监控温度和调整。管式炉工作管左侧出口端安装有流量阀Ⅳ和压力表，用来控制管式炉工作管内烟气的压力，使其保持在1.1大气压上。

燃烧炉为双圆柱体空腔结构，在圆柱体右侧的小圆柱体上，开槽，安装有油嘴，原油和压缩空气可以直接流入到燃烧炉中。燃烧炉的底部放置一个长条形的油槽，油槽内可以盛放从油嘴中流出的原油。本实施例中试验使用的是塔河重质原油，因此如果直接点燃燃油的话，试验观察发现，燃油可持续燃烧时间不超过2min，因此在原油上安放一块漂浮在油面上的棉纱布，这样点燃棉纱布，原油就可以保持持续燃烧。但是由于塔河原油在长时间燃烧后会出现粘稠的渣油，需要及时更换油槽，并清理渣油，更换时间大约为24h左右。燃烧炉上端设置有炉盖，炉盖和燃烧炉炉体之间为螺纹连接。打开炉盖，放入油槽，将原油通过油嘴注入到油槽中，待接近填满油槽后，放入棉纱布，使之浸泡并悬浮在原油表面，用明火点燃棉纱布，通入压缩空气，待燃烧稳定后盖上炉盖。燃烧炉上端还设置有泄压阀，由于燃油压力很大，要大大超过1.1大气压，因此泄压阀始终开启，从而保证燃气压力为1.1大气压，同时由于燃烧的烟气温度非常高，因此通过用手接触泄压阀排出的热气，可以感知炉体中的气体是否在持续燃烧。

燃烧炉右端与供油管路机构、供气管路机构相连接。供油管路机构、供气管路机构的右端与空气压缩机相连接，空气压缩机有两个出气端口，一个出气端口通过压油气管、油罐和供油油，把空气压入到供油管路机构中，保证燃烧室连续供油；另一个出气端口通过供气管、压气气管直接与燃烧炉相连，给原油燃烧提供连续的压缩空气供应。在燃烧炉内，燃油与压缩空气充分混合，并保证持续燃烧。

需试验装置在使用时，为保证实验安全，要将管式炉工作管的温度加热到工作温度后，才能通入原油燃烧后的气氛。根据管式炉工作管出口压力表的压力情况，调整流量阀Ⅰ、流量阀Ⅳ和泄压阀，以确保系统压力为1.1个大气压和控制烟气中的含碳量。用白纸放系统左端的出气端处，当白纸变黑，表明烟气中含碳，为不完全燃烧；如果白纸不变黑，表明碳已完全燃烧。继续调整流量阀Ⅰ、流量阀Ⅳ和泄压阀，以烟气中刚好不含碳为最宜。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，,但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置，其特征在于：包括烟道机构、燃烧炉、供油管路机构和供气管路机构，所述燃烧炉包括炉体（1）、炉盖（2）、油槽（3）和油嘴（4），炉盖（2）设置在炉体（1）的顶部，油槽（3）设置在炉体（1）的底部，炉体（1）的侧壁设置有向外凸起的油/气进料腔（5），油嘴（4）穿设在炉体（1）的油/气进料腔（5）内，用于向油槽（3）内注入原油，所述烟道机构包括高温管式炉（6）、试样挂架（7）和烟气联接管（8），高温管式炉（6）具有一个管式炉工作管（9），用于固定待测试样的试样挂架（7）可置于管式炉工作管（9）内，管式炉工作管（9）通过烟气联接管（8）与燃烧炉的炉体（1）内部联通，烟道机构的烟气联接管（8）上设置有流量计Ⅰ和流量阀Ⅰ，所述供油管路机构包括储油罐（10）、压油气管（11）和供油油管（12），储油罐（10）通过压油气管（11）与空气压缩机（13）连接，储油罐（10）的出油口通过供油油管（12）与燃烧炉的油嘴（4）连接，供油油管（12）上设置有流量阀Ⅱ，所述供气管路机构包括供气管（14）和压气气管（15），供气管（14）通过压气气管（15）与空气压缩机（13）连接，供气管（14）的出气口连接至炉体（1）的油/气进料腔（5）。

2.如权利要求1所述的原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置，其特征在于：所述供气管路机构的供气管（14）上设置有带压力表的流量计和流量阀Ⅲ。

3.如权利要求1所述的原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置，其特征在于：所述烟道机构的管式炉工作管（9）具有一个出气口，出气口处设置有流量阀Ⅳ和压力表。

4.如权利要求1所述的原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验装置，其特征在于：所述燃烧炉的炉体（1）顶部还设置有泄压阀。

5.利用权利要求1所述装置进行原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、取待测样品，用铁丝将样品固定到试样挂架上，然后将试样挂架置入到管式炉工作管中；

b、打开燃烧炉的炉盖，将油槽放置在炉体的底部，然后通过油嘴向油槽内注入原油，待接近填满油槽后，放入棉纱布，使棉纱布浸泡并悬浮在原油表面，用明火点燃棉纱布，通过供气管路机构向炉体内通入压缩空气，待燃烧稳定后盖上炉盖，通过泄压阀使炉体内部压力保持在1.1个大气压；

c、通过燃烧炉与高温管式炉之间的烟气联接管将燃烧后的烟气直接输送到管式炉工作管中，利用高温管式炉对管式炉工作管进行加热并保温在650±1℃或700℃±1℃，对样品进行高温腐蚀试验。

6.如权利要求5所述原油燃烧锅炉超临界材料高温腐蚀试验的方法，其特征在于：在向管式炉工作管内通入烟气之前，先将管式炉工作管内的温度加热到工作温度，并且控制管式炉工作管内的压力为1.1个大气压。