CN111044400B - 高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，包括烟道、加热装置、给料装置、颗粒回收系统、离心引风机、保温系统和数据采集系统，烟道包括加速段和试验段。给料装置控制给料速度；加速段由充分长直管道构成，同时设置加热装置；试验段由可拆卸顺排管式换热器构成，外接恒温水浴设备；颗粒回收系统设置布袋除尘器，后接可变频高压离心引风机作为动力；数据采集系统设置浓度表、差压表、热电阻、流速表和数据采集设备。本发明可以模拟锅炉尾部烟道高灰低温的环境特点，通过改变气固两相流流速、颗粒浓度、颗粒硬度来加速换热器冲蚀磨损现象，从而在较短时间内研究高灰低温烟气下中间介质管式换热器的冲蚀磨损问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，属于余热利用领域。
背景技术
近年来，国家对环保的要求不断提高，火电厂烟气排放标准日益严格，燃煤电厂大气污染物的超低排放技术的研究及其应用得到快速发展。相关研究表明，采用中间介质换热器(MGGH)技术具有提高脱硫系统效率等优点，甚至可以实现烟气零泄漏。在相关环保政策的推动下，MGGH技术已经成为被燃煤电厂广泛考虑的实现电厂大气污染超低排放目标的一项热点技术。
在实际应用中，脱硫装置的最佳工作温度往往低于其所在烟道位置的烟气温度；另一方面，为避免低温腐蚀，锅炉尾部烟道内的烟气温度不宜过低。这就需要在脱硫装置之前和之后增设MGGH来冷却和再热烟气，提高脱硫效率，避免低温腐蚀，减少污染物排放。然而锅炉烟道中脱硫装置一般布置在除尘器之前，因此未经除尘器除尘的烟气具有较高的颗粒浓度，使MGGH容易出现磨损、腐蚀、积灰、堵塞等现象，其中烟气冷却段的冲蚀磨损问题尤为严重。这些都直接影响了MGGH的换热效果和使用寿命，进而影响电厂脱硫设备的效率。因此，研究烟气冷却段MGGH高灰低温环境下的冲蚀磨损机理及强化传热技术是解决上述问题的关键。
完全模拟MGGH换热器真实环境下的冲蚀磨损现象具有较高的时间成本，需要试验装置连续运转数天甚至数月才可以观察到明显现象，而这在试验室条件下几乎是不可行的；另一方面，锅炉现场实地开展试验进行研究是极其不方便且很难保障安全性的。国内已经开展的研究冲蚀磨损的试验大多是针对某一特定材料，研究其在特定颗粒材料、特定颗粒冲角、特定流速等变量影响下的冲蚀磨损特性，但这不能将传热性能、烟气环境等研究内容和可变因素考虑在内，其研究结果不能反映实际应用场景下的冲蚀磨损机理和实际性能。因此，通过合理设计与创新，发明并建立一套可以试验室条件下进行，模拟实际环境下中间介质换热器的加速冲蚀磨损试验装置是十分必要的。
综上所述，建立高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，研究MGGH在特定环境下的冲蚀磨损机理及强化换热技术，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种在试验室条件下可行的，可以模拟高灰低温烟气环境的，半封闭式的，流道方向可变的，冷热态两用的，具有高加速比的，中间介质管式换热器冲蚀磨损试验装置。利用该试验装置，可以通过改变气固两相流流速、颗粒浓度和颗粒硬度等参数来加速管式换热器表面冲蚀磨损现象，同时半封闭式的流程设计可以回收再利用固体颗粒，从而在较短时间内方便、有效地研究高灰低温烟气环境下中间介质管式换热器的冲蚀磨损机理。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明提供了一种高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，其特征在于包括烟道、加热装置、给料装置、颗粒回收系统、离心引风机、保温系统和数据采集系统；所述的烟道包括顺次相连的加速段和试验段，加速段入口为进气口，所述的加速段由若干长直管道串联构成，加速段的前端沿烟气流向顺次设有所述加热装置和给料装置，所述给料装置用于向烟道内输送固体颗粒；
所述的试验段内设有顺排管式换热器，换热器的管束朝向与所处烟道的轴线垂直；换热器外接恒温水浴；
颗粒回收系统为布袋除尘器，试验段烟气出口与布袋除尘器相连，布袋除尘器后接离心引风机，离心引风机的出口为出气口；所述保温系统用于烟道的保温；
所述数据采集系统包括数据采集设备和与数据采集设备分别相连的浓度表、差压表、热电阻、流速表；浓度表和流速表布置在加速段的中段，分别用来监测气固两相流流速和固体颗粒浓度；差压表布置在试验段用于表征顺排管式换热器部分烟道的压损；试验段还布置有用于测量MGGH烟气侧进出口温度的热电阻；顺排管式换热器每根管道的进出口各布置有热电阻用于测量MGGH中间介质侧进出口温度；数据采集设备对采集数据进行收集和存储。
作为本发明的优选方案，所述的试验段包括第一入口支路、第二入口支路、第一出口支路、第二出口支路和换热段；其中换热段为竖直管段；所述的第一入口支路、第二入口支路的一端均分别与加速段出口相连，第一入口支路的另一端与换热段的上端相连，第二入口支路的另一端与换热段的下端相连；第一出口支路、第二出口支路的一端均与布袋除尘器的入口通过同一管道相连，第一出口支路的另一端与换热段的下端相连，第二出口支路的另一端与换热段的上端相连；所述的第一入口支路、第二入口支路、第一出口支路、第二出口支路内均设有可开闭的阀门，所述的可开闭的阀门组成流动调节系统。
所述流动调节系统具体包括设置在第一入口支路上的第一可开闭阀门、设置在第二入口支路的第三可开闭阀门、设置在第一出口支路的第二可开闭阀门、设置在第二出口支路的第四可开闭阀门。通过对上述阀门的开闭组合，即可使烟气由下至上通过换热段，也可使烟气由上至下通过换热段。
作为本发明的优选方案，所述的用于表征顺排管式换热器部分烟道的压损的差压表布置在换热段的两端；用于测量MGGH烟气侧进出口温度的热电阻布置在换热段的两端。
作为本发明的优选方案，所述的加热装置由若干电加热棒组成，其加热功率可调。
作为本发明的优选方案，所述的给料装置包括给料漏斗和可变频螺旋给料机；可变频螺旋给料机的入口处设置给料漏斗，出口与加速段管壁相通。
作为本发明的优选方案，所述的保温系统由石棉材料构成，石棉材料包裹在整个烟道的外部。
作为本发明的优选方案，离心引风机为可变频高压离心风机。
可变频螺旋给料机控制固体颗粒的给料速度，进而控制烟道内固体颗粒的浓度。加速段由若干充分长直管道构成，确保所选用固体颗粒可以被加速到与气流相同的速度，并在流道截面内均匀分布；在加速段的前端设置高功率的加热装置，可以将快速通过的气固两相流加热到实际烟气温度；同时，通过选取投入使用的加热棒数量，调节加热装置提供的功率，进而满足不同的加热需求。
布袋除尘器后接可变频高压离心引风机作为动力源，提供烟道的负压，防止烟气泄露，确保给料装置可以顺利进料，同时布袋除尘器也为引风机的正常使用提供了安全保障。
本发明的有益效果是：
(1)采用可变频高压离心风机，高功率加热设备，合理设计流道，可以模拟中间介质管式换热器高灰低温烟气环境下的现实情况，通过改变气固两相流流速、颗粒浓度、颗粒硬度，提供足够的冲蚀磨损加速比，进而试验室条件下和较短时间内研究其冲蚀磨损机理。
(2)加速段设置的加热装置具有可分离功能，可以进行冷态试验和热态试验，进而可以达到同时研究MGGH在特定环境下的冲蚀磨损机理及强化换热技术的目的。
(3)通过阀门的控制可以实现试验段工质流动方向的改变，可以研究自上而下和自下而上两个方向的冲蚀磨损问题，增加可以实现的试验工况。
(4)半封闭式的流道设计为气体气流提供开式循环，为固体颗粒提供了闭式循环，达到回收流道内的固体颗粒并实现其重复循环利用的目的。
(5)引风机的设置可以提供装置的整体负压，从而达到防止流道内颗粒的泄露，并便于给料段进料的目的。
附图说明
图1是本发明中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置的示意图；
图2是本发明试验段的布置示意图
图中：进气口1、加热装置2、给料漏斗3、可变频螺旋给料机4、直管道5、流速表6、浓度表7、可拆卸顺排管式换热器8、恒温水浴9、热电阻10、差压表11、布袋除尘器12、可变频高压离心引风机13、出气口14、一号可开闭阀门15、二号可开闭阀门16、三号可开闭阀门17、四号可开闭阀门18、第一入口支路19、第一出口支路20、第二入口支路21、第二出口支路22、换热段23。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置包括烟道、加热装置、给料装置、颗粒回收系统、离心引风机、保温系统和数据采集系统；所述的烟道包括顺次相连的加速段和试验段，加速段入口为进气口1，所述的加速段由若干长直管道串联构成，加速段的前端沿烟气流向顺次设有所述加热装置2和给料装置，所述给料装置用于向烟道内输送固体颗粒；
所述的试验段内设有顺排管式换热器8，换热器8的管束朝向与所处烟道的轴线垂直；换热器8外接恒温水浴9；
回收动力系统为布袋除尘器12，试验段烟气出口与布袋除尘器12相连，布袋除尘器12后接离心引风机13，离心引风机13的出口为出气口14；所述保温系统用于烟道的保温；
所述数据采集系统包括数据采集设备和与数据采集设备分别相连的浓度表7、差压表11、热电阻10、流速表6；浓度表7和流速表6布置在加速段的中段，分别利用静电原理和皮托管原理，来监测固体颗粒浓度和气固两相流流速；差压表11采用波纹管式差压表，布置在试验段，用来表征顺排管式换热器8部分烟道的压损；试验段还布置有用于测量MGGH烟气侧进出口温度的热电阻10；顺排管式换热器8每根管道的进出口各布置有热电阻10用于测量MGGH中间介质侧进出口温度；数据采集设备对采集数据进行收集和存储。
本实施例试验段经相似理论设计，布置3×6(纵向×横向)顺排管道作为换热器，可以模拟高灰低温烟气环境下中间介质管式换热器。
加速段应由充分长直管道构成，在流道不可避免的弯头内设置导流装置，减小流动阻力损失，确保气固两相流在流道截面内均匀分布。
布袋除尘器可以回收流道内的固体颗粒并实现其重复循环利用，实现装置的半封闭结构。离心引风机布置在布袋除尘器之后，整个装置的出口，从而为整个烟道提供负压环境，防止烟道内颗粒的泄露，并便于给料段进料。离心引风机可以在试验装置内提供20m/s或更高的最大流速，尽可能提高冲蚀磨损加速比。
如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的试验段包括第一入口支路19、第二入口支路21、第一出口支路20、第二出口支路22和换热段23；其中换热段23为竖直管段；所述的第一入口支路19、第二入口支路22的一端均分别与加速段出口相连，第一入口支路19的另一端与换热段23的上端相连，第二入口支路21的另一端与换热段23的下端相连；第一出口支路20、第二出口支路22的一端均与布袋除尘器12的入口通过同一管道相连，第一出口支路20的另一端与换热段23的下端相连，第二出口支路22的另一端与换热段23的上端相连；所述的第一入口支路19、第二入口支路21、第一出口支路20、第二出口支路22内均设有可开闭的阀门，所述的可开闭的阀门组成流动调节系统。所述的用于表征顺排管式换热器8部分烟道的压损的差压表11布置在换热段的两端；用于测量MGGH烟气侧进出口温度的热电阻10布置在换热段的两端。
流动调节系统通过调节各个位置的阀门来实现试验段工质流动方向的变化，从而为多工况试验提供了可能。开启一号可开闭阀门15和二号可开闭阀门16，打通第一入口支路19和第一出口支路20，关闭三号可开闭阀门17和四号可开闭阀门18，关闭第二入口支路21和第二出口支路22，实现试验段23换热器部位“自上而下”的冲蚀磨损模拟效果；开启三号可开闭阀门17和四号可开闭阀门18，打通第二入口支路21和第二出口支路22，关闭一号可开闭阀门15和二号可开闭阀门16，关闭第一入口支路19和第一出口支路20，实现试验段23换热器部位“自下而上”的冲蚀磨损模拟效果。
保温系统可以由石棉材料构成，包裹在整个烟道的外部，确保热态试验的可靠性。
加热装置应具备将烟道内快速通过的工质加热到所需试验温度的能力，本实施例中所述的加热装置最大加热功率为50kW。同时为了满足不同情况下的加热量需求，加热装置由5根电加热棒组成，其加热功率可以通过开关控制在0、10kW、20kW、30kW、40kW、50kW的范围内进行选取调节。加热装置不开启时可以实现冷态试验，即本发明可以实现冷态试验和热态试验之间的转变。
所述的给料装置包括给料漏斗3和可变频螺旋给料机4；可变频螺旋给料机4的入口处设置给料漏斗3，出口与加速段管壁相通。给料装置的给料口布置在加速段加热装置之后，流速表和浓度表之前。离心引风机为可变频高压离心风机。所述给料段的可变频螺旋给料机与所述回收动力段的可变频高压离心引风机可以配合实现流道内颗粒浓度的调节。
在本发明的一个具体实施例中，一部分热电阻布置在换热段两端的烟道内，每端根据截面形状平均布置四个热电阻，两端共八个，用来测量MGGH烟气侧进出口温度。另一部分热阻电布置在换热器每一根管道的进出口处，每根管道的进口和出口各布置两个热电阻，用于测量MGGH中间介质侧进出口温度，从而根据两部分热电阻的测量数据计算传热效果；数据采集设备实现数据的自动收集并由电脑存储，方便后期数据处理。
本发明可以模拟锅炉尾部烟道高灰低温的环境特点，通过改变固、气两相流流速，颗粒浓度，颗粒硬度来加速换热器冲蚀磨损现象，从而在较短时间内方便、有效地研究高灰低温烟气下中间介质管式换热器的冲蚀磨损问题。
试验过程前，选用与实际烟道该处粒径分布相似，但硬度更高的试验颗粒二氧化硅。将换热器8所有管道拆除，对每一根管道进行打磨和抛光处理，清理管道表面氧化层，利用无水酒精和压缩空气对其进行进一步清理，然后对其进行称重并记录，使用电镜观察其表面微观形貌并做记录，随后将管道安装在试验段构成换热器8。开启一号可开闭阀门15和二号可开闭阀门16，打通第一入口支路19和第一出口支路20，关闭三号可开闭阀门17和四号可开闭阀门18，关闭第二入口支路21和第二出口支路22，实现试验段23换热器部位“自上而下”的冲蚀磨损模拟效果。启动数据采集系统，将流速表6、浓度表7、差压表11以及热电阻10的测量数据通过数据采集设备导入电脑，实现对所测量参数实时测量的功能，同时方便后期导出和保存。启动可变频高压离心引风机13和布袋除尘器12，根据流速表6的示数调节流速，流速可调节范围为0-15m/s。打开加热设备2，观测烟道内热电阻10示数，根据其显示的工质温度和所要求达到的加热温度，选取投入使用的加热棒根数。将固体颗粒投入到给料漏斗3，打开可变频螺旋给料机4，根据浓度表示数7调节螺旋给料机4转速至浓度为50g/m3。实验开始，开始计时，数据采集系统会根据设定,每间隔一定的时间记录一次试验数据，并将其通过折线图的方式可视化显示在电脑屏幕上。试验过程中，将布袋除尘器12所回收的固体颗粒转运到给料漏斗进行回收利用，一定时间(例如6小时)后结束试验。试验过程后，先关闭螺旋给料机4，停止加热设备2，保持可变频离心式引风机13的运转至烟道内热电阻10示数降至常温后停止，同时关闭布袋除尘器12，关闭数据采集系统，将换热器8所有管道拆除，利用无水酒精和压缩空气对其进行清理，然后对其进行称重并记录，使用电镜观察其表面微观形貌并做记录。导出数据采集系统所收集的数据，通过换热器10管道冲蚀磨损试验前后的质量差以及微观形貌对比差异，以及冲蚀磨损试验过程中换热效果的变化。，改变气固两相流流速、颗粒浓度，以及选用不同种类的固体颗粒以改变其颗粒硬度，重复上述试验，研究气固两相流流速、颗粒浓度、颗粒硬度对高灰低温烟气下中间介质管式换热器的冲蚀磨损机理和换热机理。
用于高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损冷试验，其技术方案与热态试验的技术方案相比，只需保持加热设备2始终关闭，其余完全相同。数据处理时可以忽略热电阻10的测量值，在不考虑换热效果的前提下，研究气固两相流流速、颗粒浓度、颗粒硬度对高灰低温烟气下中间介质管式换热器的冲蚀磨损机理。相比与热态试验，由于没有投入加热设备2，节省下的功率可以用于可变频引风机13来进一步提高烟道内流速，从而进一步提高冲蚀磨损加速比。
下表给出一组冷态试验的预试验数据，该冷态试验的预试验选用普通煤灰作为固体颗粒，试验工况为：颗粒浓度44g/m3，流速7m/s，试验周期7.5h。试验工况并没有启用任何加速，选取从上往下数第一排的三根管子质量随试验时间变化的数据展示如下表，每根管子每次秤量三次，记录在同一列的，可以看出，在没有加速的情况下，MGGH每根管子每7.5小时大约可以被冲蚀磨损掉0.1g的质量，属于可观测范围，证明试验可行性。
Claims (6)
1.一种高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，其特征在于包括烟道、加热装置、给料装置、颗粒回收系统、离心引风机、保温系统和数据采集系统；所述的烟道包括顺次相连的加速段和试验段，加速段入口为进气口（1），所述的加速段由若干长直管道串联构成，加速段的前端沿烟气流向顺次设有所述加热装置（2）和给料装置，所述给料装置用于向烟道内输送固体颗粒；
所述的试验段内设有顺排管式换热器（8），换热器（8）的管束朝向与所处烟道的轴线垂直；换热器（8）外接恒温水浴（9）；
颗粒回收系统为布袋除尘器（12），试验段烟气出口与布袋除尘器（12）相连，布袋除尘器（12）后接离心引风机（13），离心引风机（13）的出口为出气口（14）；所述保温系统用于烟道的保温；
所述数据采集系统包括数据采集设备和与数据采集设备分别相连的浓度表（7）、差压表（11）、热电阻（10）、流速表（6）；浓度表（7）和流速表（6）布置在加速段的中段，分别用来监测气固两相流流速和固体颗粒浓度；差压表（11）布置在试验段用于表征顺排管式换热器（8）部分烟道的压损；试验段还布置有用于测量中间介质换热器MGGH烟气侧进出口温度的热电阻（10）；顺排管式换热器（8）每根管道的进出口各布置有热电阻（10）用于测量中间介质换热器MGGH中间介质侧进出口温度；数据采集设备对采集数据进行收集和存储；
所述的试验段包括第一入口支路（19）、第二入口支路（21）、第一出口支路（20）、第二出口支路（22）和换热段（23）；其中换热段（23）为竖直管段；所述的第一入口支路（19）、第二入口支路（22）的一端均分别与加速段出口相连，第一入口支路（19）的另一端与换热段（23）的上端相连，第二入口支路（21）的另一端与换热段（23）的下端相连；第一出口支路（20）、第二出口支路（22）的一端均与布袋除尘器（12）的入口通过同一管道相连，第一出口支路（20）的另一端与换热段（23）的下端相连，第二出口支路（22）的另一端与换热段（23）的上端相连；所述的第一入口支路（19）、第二入口支路（21）、第一出口支路（20）、第二出口支路（22）内均设有可开闭的阀门，所述的可开闭的阀门组成流动调节系统。
2.根据权利要求1所述的高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，其特征在于所述的用于表征顺排管式换热器（8）部分烟道的压损的差压表（11）布置在换热段的两端；用于测量MGGH烟气侧进出口温度的热电阻（10）布置在换热段的两端。
3.根据权利要求1所述的高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，其特征在于所述的加热装置（2）由若干电加热棒组成，其加热功率可调。
4.根据权利要求1所述的高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，其特征在于所述的给料装置包括给料漏斗（3）和可变频螺旋给料机（4）；可变频螺旋给料机（4）的入口处设置给料漏斗（3），出口与加速段管壁相通。
5.根据权利要求1所述的高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，其特征在于所述的保温系统由石棉材料构成，石棉材料包裹在整个烟道的外部。
6.根据权利要求1所述的高灰低温烟气下中间介质管式换热器加速冲蚀磨损试验装置，其特征在于离心引风机为可变频高压离心风机。
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