CN107219247B - 一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置及方法。本试验装置包括烟风系统、给灰系统、喷雾系统、飞灰沉积系统、尾气处理系统、控温系统和数据采集系统组成。烟风系统提供特定温度和成分的气流，用以模拟烟气；烟气中的飞灰通过给灰系统给入；喷雾系统将不同的碱金属化合物(例如NaCl和Na₂SO₄)以雾滴形式喷入高温烟气，随后迅速蒸发；飞灰沉积系统主要包括飞灰沉积探针，用于收集烟气中的飞灰并分析。飞灰沉积探针上的沉积片表征锅炉受热面，沉积片表面温度通过控温系统控制，并且可拆卸便于沉积灰样的后续分析。

Description

一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置及方法。

背景技术

煤炭在中国的能源消费领域有着举足轻重的作用，尤其是发电行业。目前中部或者东部的许多煤炭基地，经过多年的开采和利用，煤炭资源已经出现枯竭的趋势。因此新疆准东煤田的发现，因为它的储量非常丰富(预测：3900亿吨)，对我国的能源安全非常重要。虽然准东煤是很好的动力煤，具有灰分和硫含量低，挥发分含量高等优点，但是在锅炉燃烧利用过程中，出现了严重的积灰沾污问题，影响锅炉的经济安全运行。

准东煤的积灰沾污问题与其高碱金属含量有密切联系，它是一种典型的高碱煤。在燃烧过程中，煤中的碱金属容易挥发，并且随烟气流动，当遇到温度较低的受热面时，非常容易凝结在上面并且形成具有粘性的积灰初始层，从而导致积灰沾污问题加剧，甚至出现受热面腐蚀。为了解决这一问题，降低挥发到气相中的碱金属含量，采用的方法主要有煤炭预处理(脱钠提质)，添加碱金属吸附剂和混烧等。虽然这些方法能够有效缓解积灰沾污问题，但是距离问题的彻底解决还存在较大差距。因此为了达到这一目标，必须深入了解高碱煤积灰沾污形成机理与特性。

目前对于高碱煤积灰沾污机理的试验研究，主要在一些小型或者中试规模的燃烧试验台上开展。试验过程中，利用积灰装置对烟气中的飞灰进行收集，获得碱金属在燃烧过程中的迁移特性，积灰的形态、成分以及矿物组成等信息，进而分析高碱煤的积灰沾污机理。虽然该类试验方法比较接近锅炉的实际燃烧环境，但由于诸多限制，无法对影响积灰沾污的各个因素进行定向控制，只能在问题形成之后进行反向分析，由此导致对机理的理解不够系统和深入。

发明内容

为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置及方法，以针对高碱煤在燃烧过程中容易出现受热面积灰沾污的问题，研究它们的形成机理。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，包括提供受热面的飞灰沉积系统，所述飞灰沉积系统分别与提供烟气且可控制烟气成分、给定量和温度的烟风系统、提供飞灰且可控制飞灰成分、给定量的给灰系统、提供碱金属且可控制碱金属成分、给定量的喷雾系统；且飞灰沉积系统与数据采集系统相连；

所述飞灰沉积系统包括立式管式炉，所述立式管式炉具有依次设置在下方进口管上的第一进口、第二进口和第三进口，且第一进口、第二进口和第三进口分别与烟风系统、给灰系统和喷雾系统相连；

立式管式炉上方的出口通过出口管与尾气处理系统相连；

立式管式炉内设有用于沉积飞灰和碱金属的飞灰沉积探针，所述飞灰沉积探针包括同轴相套的外管和内管，内管的顶端气密贯穿外管的顶端，且外管的顶端气密贯穿出口管的侧壁；外管和内管的底端延伸至立式管式炉内，且外管的底端贯穿内管的底端；套状沉积探头的一端套设在外管的底端上，另一端通过沉积片密封，且沉积探头与沉积片可拆卸连接；沉积探头、沉积片将外管围合成气密的空腔，且内管的底端开口对准沉积片；内管内同轴设有热电偶，热电偶的底端抵触在沉积片内壁面上，热电偶的顶端气密贯穿内管的顶端端盖并与数据采集系统相连；

所述沉积片还连接有控温系统。

进一步，所述烟风系统包括若干个储放不同种类的气体的气瓶，所述气瓶的出口分别通过气管与气体混合器的进口连通，气体混合器的出口经过电加热预热器与立式管式炉的第一进口连通；且各气管上均设有流量计。

进一步，所述给灰系统包括给料机，给料机的出口与第二进口连通。

进一步，所述喷雾系统包括注射泵，所述注射泵的出口通过雾化器与第三进口连通，且雾化器与第三进口同轴设置。

进一步，所述尾气处理系统包括冷却器、除尘器和引风机，所述出口管依次与冷却器、除尘器和引风机连通。

进一步，所述数据采集系统包括采集仪和计算机，所述热电偶依次与数据采集仪、计算机相连接。

进一步，所述控温系统包括提供冷却介质的冷却源，所述冷却源通过冷却进管与内管连通，且冷却管上设有阀门，内管上设有与冷却进管相连的入口管，所述外管上设有排出冷却介质的出口管。

进一步，沉积探头与外管螺纹连接；沉积片与沉积探头卡扣连接，沉积片与外管底面之间设有密封用垫片，且垫片为铜片。

进一步，内管的顶端气密贯穿外管的顶端，所述热电偶的顶端通过卡套气密贯穿内管的顶端。

采用本发明所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置实施的实验方法，包括以下步骤：

1)打开气瓶、流量计、电加热预热器、立式管式炉、冷却源、阀门、引风机、计算机和数据采集仪；

2)调节各个流量计，以获得预定成分和流量的烟气；

3)调节电加热预热器的加热功率，对烟气进行预热，以便后续喷入的碱金属雾滴能快速气化；

4)调节立式管式炉加热功率，使烟气温度达到设定值；

5)待烟气温度稳定之后，调节冷却进管上的阀门，使飞灰沉积探针上的沉积片温度达到设定值；

6)打开给料机，调节给灰速率，获得设定的飞灰浓度；

7)打开并调节雾化器和注射泵，将预定种类和给定量的碱金属溶液喷入立式管式炉中的烟气中，使烟气中碱金属浓度达到设定值；

8)热电偶实时采集飞灰沉积探针内沉积片的表面温度信息，并将温度信息传输给数据采集仪和计算器，并通过计算机和数据采集仪对试验过程中的温度进行实时记录和保存；

9)试验结束之后，依次关闭给料机、雾化器、注射泵、电加热预热器和立式管式炉；

10)待烟气温度下降之后，然后关闭气瓶、流量计、冷却源、计算机和数据采集仪。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明能够分别控制烟气中碱金属浓度、种类，飞灰浓度、成分，烟气温度、冲刷受热面流速，受热面表面温度，受热面材料与表面特性等参数，全面研究这些因素的影响规律和作用机理，为高效安全地燃烧高碱煤提供理论支持。

2、飞灰沉积探针的沉积探头上的沉积片可拆卸，主要优点有以下方面：1)可单独更换沉积片，不影响飞灰沉积探针其余部分的连续使用；2)沉积片加工方便，也可采用不同材料，研究受热面材质与表面特性对积灰沾污的影响；3)沉积片体积小，对上面积灰样品分析时，非常便利，包括积灰的重量、形态和成分等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为飞灰沉积探针的结构示意图。

具体实施方式

参照附图1-2，一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：包括提供受热面的飞灰沉积系统，所述飞灰沉积系统分别与提供烟气且可控制烟气成分、给定量和温度的烟风系统、提供飞灰且可控制飞灰成分、给定量的给灰系统、提供碱金属且可控制碱金属成分、给定量的喷雾系统；且飞灰沉积系统与数据采集系统相连；

所述飞灰沉积系统包括立式管式炉8，立式管式炉8可调节加热功率，所述立式管式炉8具有依次设置在下方进口管上的第一进口、第二进口和第三进口，且第一进口、第二进口和第三进口分别与烟风系统、给灰系统和喷雾系统相连；

立式管式炉8上方的出口通过出口管与尾气处理系统相连；

立式管式炉8内设有用于沉积飞灰和碱金属的飞灰沉积探针9，所述飞灰沉积探针9包括同轴相套的外管9-5和内管9-4，外管9-5和内管9-4的顶端密封，内管9-4的顶端气密贯穿外管9-5的顶端，且外管9-5的顶端气密贯穿出口管的侧壁；外管9-5和内管9-4的底端延伸至立式管式炉8内，且外管9-5的底端贯穿内管9-4的底端；套状沉积探头9-3的一端套设在外管9-5的底端上，沉积探头9-3的另一端通过沉积片9-1密封，且沉积探头9-3与沉积片9-1可拆卸连接；沉积探头9-3、沉积片9-1将外管围合成气密的空腔，且内管9-4的底端开口对准沉积片9-1；内管内同轴设有热电偶9-6，热电偶9-6的底端抵触在沉积片9-1内壁面上，热电偶9-6的顶端气密贯穿内管9-5的顶端并与数据采集系统相连；

所述沉积片9-1还连接有控温系统；

所述烟风系统包括若干个储放不同种类的气体的气瓶1，所述气瓶1的出口分别通过气管与气体混合器3的进口连通，气体混合器3的出口经过电加热预热器4与立式管式炉8的第一进口连通；且各气管上均设有流量计2。

所述给灰系统包括给料机5，且给料机采用微型给料机，给料机5的出口与第二进口连通。

所述喷雾系统包括注射泵7，所述注射泵7的出口通过雾化器6与第三进口连通，且雾化器6与第三进口同轴设置。

所述尾气处理系统包括冷却器12、除尘器13和引风机14，所述出口管依次与冷却器12、除尘器13和引风机14连通。

所述数据采集系统包括数据采集仪16和计算机15，所述热电偶9-6依次与数据采集仪16、计算机15相连接。

所述控温系统包括提供冷却介质的冷却源10，所述冷却源10通过冷却进管与内管连通，且冷却管上设有阀门11，内管9-4上设有与冷却进管相连的入口管9-8，所述外管上设有排出冷却介质的出口管9-7。

沉积探头9-3与外管9-5螺纹连接；沉积片9-1与沉积探头9-3卡扣连接，沉积片9-1与外管9-5底面之间设有密封用垫片9-2，且垫片9-2为铜片。

内管9-4的顶端气密贯穿外管9-5的顶端，所述热电偶9-6的顶端通过卡套9-9气密贯穿内管9-4的顶端。

采用本发明所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置实施的实验方法，包括以下步骤：

1)打开气瓶1、流量计2、电加热预热器4、立式管式炉8、冷却源10、阀门11、引风机14、计算机15和数据采集仪16；

2)调节各个流量计2，以获得预定成分和流量的烟气；

3)调节电加热预热器4的加热功率，对烟气进行预热，以便后续喷入的碱金属雾滴能快速气化；

4)调节立式管式炉8加热功率，使烟气温度达到设定值；

5)待烟气温度稳定之后，调节冷却进管上的阀门11，使飞灰沉积探针9上的沉积片9-1温度达到设定值；

6)打开给料机5，调节给灰速率，以获得设定的飞灰浓度；

7)打开并调节雾化器6和注射泵7，将预定种类和给定量的碱金属溶液喷入立式管式炉8中的烟气中，使烟气中碱金属浓度达到设定值；

8)热电偶9-6实时采集飞灰沉积探针9内沉积片9-1的表面温度信息，并将温度信息传输给数据采集仪16和计算器，并通过计算机15和数据采集仪16对试验过程中的温度进行实时记录和保存；

9)试验结束之后，依次关闭给料机5、雾化器6、注射泵7、电加热预热器4和立式管式炉8；

10)待烟气温度下降之后，然后关闭气瓶2、流量计3、冷却源10、计算机15和数据采集仪16等。

图2给出了飞灰沉积探针9的结构示意图。飞灰沉积探针9采用套管式结构，内管9-4位于外管9-5的中间，沉积探头9-3通过螺纹安装在外管9-5底端，沉积探头9-3上安装有沉积片9-1，通过垫片(铜垫片)9-2进行密封。热电偶9-6采用K型热电偶，热电偶9-6通过内管9-4插入，并抵触在沉积片9-1内壁面，测量其温度。热电偶9-6与内管9-6通过卡套9-9进行密封。入口管9-8焊接在内管9-4上，出口管9-7焊接在外管9-5上。

飞灰沉积探针9进行积灰试验时，采用由冷却源10提供的冷却介质(流动工质)控制温度。冷却介质通过入口管9-8进入飞灰探针9中的内管9-4，内管9-4的出口直接对着沉积片9-1，进行冲击冷却，冷却效果好。随后冷却介质通过内管9-4与外管9-5之间的间隙，从出口管9-7排出。热电偶9-6能够实时测量沉积片9-1的温度，而且通过阀门11的开度调节冷却介质流量，使沉积片9-1达到设定温度。

所述的烟风系统包括气瓶1、流量计2、气体混合器3、电加热预热器4以及附属管路。气瓶1、流量计2、气体混合器3能够提供试验中所需要特定成分和流量(流速)的气流，模拟烟气。不同气瓶中装有不同的气体(O₂、CO₂和N₂等)，它们各自的流量通过流量计2控制，并按一定比例在气体混合器3内混合均匀，烟气在电加热预热器4中初步加热。

尾气处理系统的冷却器12可以对烟气进行冷却，降低其温度。除尘器13收集冷却之后烟气中的飞灰颗粒，以免将它们直接排入空气，造成污染。

给料机5将飞灰通过第二进口添加到高温烟气中，表征烟气中的飞灰，飞灰给定量通过给料速率调节。

所述喷雾系统由雾化器6和注射泵7组成，将碱金属溶液以雾滴形式喷入烟气中，表征烟气中的碱金属化合物。烟气中的碱金属浓度可以通过调节碱金属溶液的浓度和雾化器的雾化量实现。另外，喷雾系统所处位置的烟气已经经过电加热预热器4预热，雾化的小液滴能够迅速升温变成气态。

所述飞灰沉积系统包括立式管式炉8和飞灰沉积探针9，立式管式炉8可以准确地控制立式管式炉8内的烟气温度，使烟气加热到所需的温度。飞灰沉积探针9从立式管式炉8的上部放入炉内，对烟气中的碱金属和飞灰颗粒进行沉积。

冷却系统中冷却源10的选择根据沉积片9-1需要控制的温度而定，可以采用空气压缩机、循环水泵和蒸汽发生器，它们能提供的冷却介质分别为压缩空气、水和蒸汽。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：包括提供受热面的飞灰沉积系统，所述飞灰沉积系统分别与提供烟气且可控制烟气成分、给定量和温度的烟风系统、提供飞灰且可控制飞灰成分、给定量的给灰系统、提供碱金属且可控制碱金属成分、给定量的喷雾系统；且飞灰沉积系统与数据采集系统相连；

所述飞灰沉积系统包括立式管式炉，所述立式管式炉具有依次设置在下方进口管上的第一进口、第二进口和第三进口，且第一进口、第二进口和第三进口分别与烟风系统、给灰系统和喷雾系统相连；

立式管式炉上方的出口通过出口管与尾气处理系统相连；

立式管式炉内设有用于沉积飞灰和碱金属的飞灰沉积探针，所述飞灰沉积探针包括同轴相套的外管和内管，内管的顶端气密贯穿外管的顶端，且外管的顶端气密贯穿出口管的侧壁；外管和内管的底端延伸至立式管式炉内，且外管的底端贯穿内管的底端；套状沉积探头的一端套设在外管的底端上，另一端通过沉积片密封，且沉积探头与沉积片可拆卸连接；沉积探头、沉积片将外管围合成气密的空腔，且内管的底端开口对准沉积片；内管内同轴设有热电偶，热电偶的底端抵触在沉积片内壁面上，热电偶的顶端气密贯穿内管的顶端端盖并与数据采集系统相连；

所述沉积片还连接有控温系统。

2.如权利要求1所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：所述烟风系统包括若干个储放不同种类的气体的气瓶，所述气瓶的出口分别通过气管与气体混合器的进口连通，气体混合器的出口经过电加热预热器与立式管式炉的第一进口连通；且各气管上均设有流量计。

3.如权利要求2所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：所述给灰系统包括给料机，给料机的出口与第二进口连通。

4.如权利要求3所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：所述喷雾系统包括注射泵，所述注射泵的出口通过雾化器与第三进口连通，且雾化器与第三进口同轴设置。

5.如权利要求4所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：所述尾气处理系统包括冷却器、除尘器和引风机，所述出口管依次与冷却器、除尘器和引风机连通。

6.如权利要求5所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括采集仪和计算机，所述热电偶依次与数据采集仪、计算机相连接。

7.如权利要求6所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：所述控温系统包括提供冷却介质的冷却源，所述冷却源通过冷却进管与内管连通，且冷却管上设有阀门，内管上设有与冷却进管相连的入口管，所述外管上设有排出冷却介质的出口管。

8.如权利要求7所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：沉积探头与外管螺纹连接；沉积片与沉积探头卡扣连接，沉积片与外管底面之间设有密封用垫片，且垫片为铜片。

9.如权利要求8所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置，其特征在于：内管的顶端气密贯穿外管的顶端，所述热电偶的顶端通过卡套气密贯穿内管的顶端。

10.采用如权利要求1至9任一项所述的一种模拟飞灰在受热面沉积的试验装置实施的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)打开气瓶、流量计、电加热预热器、立式管式炉、冷却源、阀门、引风机、计算机和数据采集仪；

2)调节各个流量计，以获得预定成分和流量的烟气；

3)调节电加热预热器的加热功率，对烟气进行预热，以便后续喷入的碱金属雾滴能快速气化；

4)调节立式管式炉加热功率，使烟气温度达到设定值；

5)待烟气温度稳定之后，调节冷却进管上的阀门，使飞灰沉积探针上的沉积片温度达到设定值；

6)打开给料机，调节给灰速率，获得设定的飞灰浓度；

7)打开并调节雾化器和注射泵，将预定种类和给定量的碱金属溶液喷入立式管式炉中的烟气中，使烟气中碱金属浓度达到设定值；

8)热电偶实时采集飞灰沉积探针内沉积片的表面温度信息，并将温度信息传输给数据采集仪和计算器，并通过计算机和数据采集仪对试验过程中的温度进行实时记录和保存；

9)试验结束之后，依次关闭给料机、雾化器、注射泵、电加热预热器和立式管式炉；

10)待烟气温度下降之后，然后关闭气瓶、流量计、冷却源、计算机和数据采集仪。

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