CN112096970B - 一种耐沾污抗结焦用异型管 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种耐沾污抗结焦用异型管，涉及耐沾污抗结焦处理技术领域，用滴形管、锥形‑半圆组合管、椭圆管、椭圆‑半圆组合管、椭圆‑滴形组合管、锥形‑滴形组合管等异型管取代传统的圆管从而使迎风侧的烟气入射角自0°开始快速增大，从而有利于径向冲击力F_垂和切向剪切力F_切的分配，既减少F_垂又同时加大F_切，达到减弱甚至是抑制沾污结焦的目的。本发明可内生形成“风刀”，不仅能降低粘附倾向，还增大吹力，更有助于改善烟气流场，增加湍流程度，以达到削弱或抑制结焦倾向；异型管内生“风刀”有利于耐沾污抗结焦，还可增加传热效果。

Description

一种耐沾污抗结焦用异型管

技术领域

本发明涉及耐沾污抗结焦处理技术领域，更具体地指一种耐沾污抗结焦用异型管。

背景技术

沾污结焦是使用化石燃料尤其是燃煤行业的世界性难题，除选用不易产生沾污结焦的优质煤、水洗去除煤中的如碱性金属等易结焦成分等传统优选解决方案外，因地制宜地采取在不结焦煤种掺烧低比例的结焦煤种、添加铝矾土与添加剂等使煤中易结焦成分遗留在炉渣中、改变锅炉结构及工艺等措施，一定程度上合理利用了褐煤等易结焦煤种。

作为我国能源基地，新疆境内煤炭储量预计可够中国使用100年，但如准东煤等基本上是易结焦煤种，严重的几个月就发生如图1所示的结焦，迎风面结焦严重，而背风面轻微，甚至是不结焦。即使采用爆破方式也难于清除。新疆远离疆外优质煤田，再者疆煤出疆或疆外优质煤入疆既不经济，运输通道也难于承受，而且会给疆外造成更大的环境负荷，即采用掺烧方式是不可取的。新疆本身就严重缺水，水洗煤是不现实的。即使采用掺烧铝矾土方式，有效但因当地资源有限而无以为继。尽管掺烧添加剂没有资源限制，但因需持续不间断地使用即对添加剂的依赖性，降低了疆煤的经济性；另外受市场制约，添加剂成本也具有不稳定性，极端情况下可能是用不起。总之，为合理有效使用疆煤，解决结焦难题是无法回避的。

目前方案之一是锅炉结构和工艺的改进，据统计目前也只能达到80％的掺烧比例。方案之二是采用复合管，但寻找耐沾污抗结焦材质是制约瓶颈，根据日方资讯采用镍基涂层，效果也不甚理想。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的在于用椭圆形、滴形及其组合形式等异型管替代现用的圆管，提出一种耐沾污抗结焦用异型管，达到削弱甚至是抑制结焦的目的。

(二)技术方案

一种耐沾污抗结焦用异型管，所述异型管的横截面是非圆形，横截面设有位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，烟气对进气侧管表面产生径向正压力F_垂和切向剪切力F_切，F_垂越大，产生的粘附力越大，越有利于结焦；F_切越大，被烟气吹掉的倾向越强，越有利于抑制结焦，沿位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ顺序的气流入射角θ由小变大，导致F_切由小到大，而F_垂则由大到小，使位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ结焦呈减弱趋势；

所述位置Ⅰ处，气流沿径向入射即θ_Ⅰ＝0°，则F_切＝0，而F_垂＝F，即Ⅰ处最难被流体吹走而最易沾污结焦；

所述位置Ⅳ处，气流沿切向入射即θ_Ⅳ＝90°，则F_切＝F，而F_垂＝0，即Ⅳ及其以后位置最易被流体吹走而最难沾污结焦；

所述位置Ⅰ与位置Ⅳ即最易与最难沾污结焦之间的位置Ⅱ和位置Ⅲ，其中位置Ⅱ是圆或椭圆的弧面，而位置Ⅲ是直线连接面，Ⅲ的入射角θ_Ⅲ要大于Ⅱ的θ_Ⅱ，则F_Ⅲ切＞F_Ⅱ切，而F_Ⅲ垂＜F_Ⅱ垂，即状态Ⅲ比状态Ⅱ难沾污结焦。

根据本发明的一实施例，所述异型管包括滴形管，滴形管小端和大端半径分别为r和R；当R-r差恒定时，大小端间距H越大，其夹角α就越小，连接大小端的环向管壁长度L则越长，即L趋向于H，大小端连接区域位置Ⅲ的的气流入射角θ_Ⅲ就越大，垂直作用于管壁的压力F_Ⅲ垂＝Fcosθ_Ⅲ就越小，则冲击产生的附着力就越小，而沿管壁表面的冲击产生的切削力 F_Ⅲ切＝Fsinθ_Ⅲ则越大，则用二者比值γ＝F_Ⅲ切/F_Ⅲ垂＝tgθ_Ⅲ作为衡量气流风刀效应系数，γ越大，越有利于抑制沾污结焦；当H恒定时，R-r越小，α就越小，θ_Ⅲ就越大，大小端连接线为直线且左右侧两直线与对称轴夹角就为α，则连接线上的任意位置的风刀效应均与位置Ⅲ相同；位置Ⅰ气流沿表面法线入射，即入射角θ_Ⅰ＝0，则F_Ⅰ垂＝F，F_Ⅰ切＝0，γ＝0，即无风刀效应，位置Ⅱ处其入射角θ_Ⅱ必小于位置Ⅲ的θ_Ⅲ，则其风刀效应小于位置Ⅲ；大端最宽处的位置Ⅳ处，θ_Ⅳ＝90°，则F_Ⅳ切＝F，F_Ⅳ垂＝0，风刀效应最强。

根据本发明的一实施例，所述异型管包括锥形-半圆组合管，即滴形管的小端蜕变成为点即r＝0时，迎风面全部是锥形即位置Ⅲ的状态，锥形迎风面结焦趋势最小，最有利于抗沾污耐结焦；当H/R越大即α就越小时，θ_Ⅲ就越大，则风刀效应系数γ＝F_Ⅲ切/F_Ⅲ垂＝tgθ_Ⅲ就越大，抑制沾污结焦效果越明显。

根据本发明的一实施例，所述异型管包括椭圆形管，椭圆形管短半径和长半径分别为r和R；当R-r越大时，从位置Ⅰ到位置Ⅳ即从长轴到短轴间过渡越平缓，位置Ⅱ的的气流入射角θ_Ⅱ就越大，垂直作用于管壁的压力 F_Ⅱ垂＝Fcosθ_Ⅱ就越小，则冲击产生的附着力就越小，而沿管壁表面的冲击产生的切削力F_Ⅱ切＝Fsinθ_Ⅱ则越大，则风刀效应系数γ＝F_Ⅱ切/F_Ⅱ垂＝tgθ_Ⅱ就越大，抗沾污耐结焦就越明显；位置Ⅰ和Ⅳ处最为特殊；位置Ⅰ处，气流沿表面法线入射，即入射角θ_Ⅰ＝0，则F_Ⅰ垂＝F，F_Ⅰ切＝0，γ＝0，即无风刀效应；位置Ⅳ处，θ_Ⅳ＝90°，则F_Ⅳ切＝F，F_Ⅳ垂＝0，风刀效应最强。

根据本发明的一实施例，所述异型管包括椭圆-半圆组合管。

根据本发明的一实施例，所述异型管包括椭圆-滴形组合管。

根据本发明的一实施例，所述异型管包括锥形-椭圆组合管。

(三)有益效果

采用了本发明的上述耐沾污抗结焦用异型管，用滴形管、锥形-半圆组合管、椭圆管、椭圆-半圆组合管、椭圆-滴形组合管、锥形-滴形组合管等异型管取代传统的圆管从而使迎风侧的烟气入射角自0°开始快速增大，从而有利于径向冲击力F_垂和切向剪切力F_切的分配，既减少F_垂又同时加大F_切，则可利用烟气自生形成的“风刀”，达到减弱甚至是抑制沾污结焦的目的。

具体有益效果如下：

(1)滴形管有利于缩短迎风侧由位置Ⅰ到位置Ⅱ的过渡距离；

(2)锥形-半圆组合管、锥形-椭圆组合管去掉由位置Ⅰ到位置Ⅱ的过渡，直接以位置Ⅱ到位置Ⅲ的斜面作为过渡，一步到位突变增大入射角θ；

(3)椭圆形管、椭圆-半圆组合管渐进式加快由位置Ⅰ到位置Ⅱ的入射角θ由小到大的增加速度；

(4)椭圆-滴形组合管先渐进再突变加大入射角θ，总体上减少烟气对管表面的垂直冲力，增大切向剪切力。

本发明可内生形成“风刀”，不仅能降低粘附倾向，还增大吹力，更有助于改善烟气流场，增加湍流程度，以达到削弱或抑制结焦倾向；异型管内生“风刀”有利于耐沾污抗结焦，还可增加传热效果。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是沾污结焦示意图；

图2是滴形管及其流场分布示意图；

图3a是图2中Ⅰ位置的放大示意图，图3b是图2中Ⅱ位置的放大示意图，图3c图2中Ⅲ位置的放大示意图，图3d图2中Ⅳ位置的放大示意图；

图4是锥形-半圆组合管及其流场分布示意图；

图5a图4中Ⅰ位置的放大示意图，图5b是图4中Ⅲ位置的放大示意图，图5c图4中Ⅳ位置的放大示意图；

图6是椭圆形管及其流场示意图；

图7a图6中Ⅰ位置的放大示意图，图7b是图6中Ⅱ位置的放大示意图，图7c图6中Ⅳ位置的放大示意图；

图8是椭圆-半圆组合管及其流场示意图；

图9a图8中Ⅰ位置的放大示意图，图9b是图8中Ⅱ位置的放大示意图，图9c图8中Ⅳ位置的放大示意图；

图10是椭圆-滴形组合管及其流场示意图；

图11a是图10中Ⅰ位置的放大示意图，图11b是图10中Ⅱ位置的放大示意图，图11c图10中Ⅲ位置的放大示意图，图11d图10中Ⅳ位置的放大示意图；

图12是锥形-椭圆组合管及其流场示意图；

图13a是图12中Ⅰ位置的放大示意图，图13b是图12中Ⅲ位置的放大示意图，图13c图12中Ⅳ位置的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

传统管子的横截面是圆形的，如图1所示，迎风面结焦严重，而背风面轻微，甚至是不结焦。

一种耐沾污抗结焦用异型管，异型管的横截面是非圆形，横截面设有位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。烟气对进气侧管表面产生径向正压力F_垂和切向剪切力F_切，F_垂越大，产生的粘附力越大，越有利于结焦；F_切越大，被烟气吹掉的倾向越强，越有利于抑制结焦。沿位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ顺序的气流入射角θ由小变大，导致F_切由小到大，而F_垂则由大到小，使位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ结焦呈减弱趋势。

位置Ⅰ处，气流沿径向入射即θ_Ⅰ＝0°，则F_切＝0，而F_垂＝F，即Ⅰ处最难被流体吹走而最易沾污结焦。位置Ⅳ处，气流沿切向入射即θ_Ⅳ＝90°，则F_切＝F，而F_垂＝0，即Ⅳ及其以后位置最易被流体吹走而最难沾污结焦。位置Ⅰ与位置Ⅳ即最易与最难沾污结焦之间的位置Ⅱ和位置Ⅲ，其中位置Ⅱ是圆或椭圆的弧面，而位置Ⅲ是直线连接面，Ⅲ的入射角θ_Ⅲ要大于Ⅱ的θ_Ⅱ，则F_Ⅲ切＞F_Ⅱ切，而F_Ⅲ垂＜F_Ⅱ垂，即状态Ⅲ比状态Ⅱ难沾污结焦。结焦总体上沿位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等顺序呈减弱趋势。究其原因，首先，烟气对进气侧管表面产生径向正压力F_垂和切向剪切力F_切，F_垂越大，产生的粘附力越大，越有利于结焦；F_切越大，被烟气吹掉的倾向越强，越有利于抑制结焦。其次，沿位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等顺序的气流入射角θ由小变大，导致F_切由小到大，而F_垂则由大到小，有利于耐沾污抗结焦。再者，在位置Ⅳ处管间距最小，形成进气侧截面由大到小，气流受阻，速度降低，有利于沉积而结焦，而出气侧截面由小到大，形成湍流，不利于结焦。

通过优化迎风侧的结构，比如从圆管改为滴形管(图2)、锥形-半圆组合管(图4)、椭圆管(图6)、椭圆-半圆组合管(图8)、椭圆-滴形组合管(图10)、锥形-滴形组合管(图12)等异型管。

异型管总体上减少烟气对管表面的垂直冲力，增大切向剪切力，因此可内生形成“风刀”。此“风刀”不仅能降低粘附倾向，还增大吹力，更有助于改善烟气流场，增加湍流程度，以达到削弱或抑制结焦倾向。因此异型管内生“风刀”有利于耐沾污抗结焦。另外，还可增加传热效果。

实施例1：

结合图2，异型管的圆管改为滴形管，滴形管小端和大端半径分别为r 和R。当R-r差恒定时，大小端间距H越大，其夹角α就越小，连接大小端的环向管壁长度L则越长，即L趋向于H。如图3c(Ⅲ)所示，大小端连接区域位置Ⅲ的的气流入射角θ_Ⅲ就越大，垂直作用于管壁的压力F_Ⅲ垂＝Fcosθ_Ⅲ就越小，则冲击产生的附着力就越小，而沿管壁表面的冲击产生的切削力F_Ⅲ切＝Fsinθ_Ⅲ则越大，则用二者比值γ＝F_Ⅲ切/F_Ⅲ垂＝tgθ_Ⅲ作为衡量气流风刀效应系数，γ越大，耐沾污抗结焦效果就越明显。当H恒定时， R-r越小，α就越小，θ_Ⅲ就越大，风刀效应就越明显。因大小端连接线为直线且左右侧两直线与对称轴夹角就为α，则连接线上的任意位置的风刀效应均与位置Ⅲ相同。位置Ⅰ和Ⅳ处最为特殊，如图3a(Ⅰ)所示，气流沿表面法线入射，即入射角θ_Ⅰ＝0，则F_Ⅰ垂＝F，F_Ⅰ切＝0，γ＝0，即无风刀效应，所以此处沾污结焦趋势最强且最优先。如图3b(Ⅱ)所示的小端其它任意位置，其入射角θ_Ⅱ必小于位置Ⅲ的θ_Ⅲ，则其风刀效应小于位置Ⅲ。大端最宽处的位置Ⅳ处，θ_Ⅳ＝90°，则F_Ⅳ切＝F，F_Ⅳ垂＝0，风刀效应最强。烟气自大端最宽处即管束间距最小处喷射而出，湍流程度加大，烟气颗粒不易在背风处的大端区域表面粘附，这也与背风处粘附轻微甚至不粘附的现实相符。

实施例2：

异型管包括锥形-半圆组合管，当如图2所示滴形管的小端蜕变成为点即r＝0时，则演变成如图4所示的迎风面全部是锥形即位置Ⅲ的状态，定义为锥形-半圆组合管。锥形迎风面结焦趋势最小，即图4所示管型最有利于抗沾污耐结焦。当H/R越大即α就越小时，θ_Ⅲ就越大，则风刀效应系数γ＝F_Ⅲ切/F_Ⅲ垂＝tgθ_Ⅲ就越大，即抑制结焦效果越好。

实施例3：

异型管包括椭圆形管，椭圆形管耐沾污抗结焦机理示意图如图6所示。椭圆形管短半径和长半径分别为r和R。当R-r越大时，从位置Ⅰ到位置Ⅳ即从长轴到短轴间过渡越平缓，如图7b(Ⅱ)所示，位置Ⅱ的的气流入射角θ_Ⅱ就越大，垂直作用于管壁的压力F_Ⅱ垂＝Fcosθ_Ⅱ就越小，则冲击产生的附着力就越小，而沿管壁表面的冲击产生的切削力F_Ⅱ切＝Fsinθ_Ⅱ则越大，则风刀效应系数γ＝F_Ⅱ切/F_Ⅱ垂＝tgθ_Ⅱ就越大，抗沾污耐结焦就越明显。相比于圆管，椭圆管入射角变大，因而冲击产生的附着力变小，而产生的切削力变大，则γ增大，因此风刀效应显著，即椭圆有利于降低结焦。位置Ⅰ和Ⅳ处最为特殊，如图7a(Ⅰ)所示，气流沿表面法线入射，即入射角θ_Ⅰ＝0，则F _Ⅰ垂＝F，F_Ⅰ切＝0，γ＝0，即无风刀效应，所以此处沾污结焦趋势最强且最优先。位置Ⅳ处，θ_Ⅳ＝90°，则F_Ⅳ切＝F，F_Ⅳ垂＝0，风刀效应最强，自此之后，烟气自管束间距最小处喷射而出，湍流程度加大，烟气颗粒不易在背风处的大端区域表面粘附，这也与背风处粘附轻微甚至不粘附的现实相符。

实施例4：

与上述的滴形、椭圆形、锥形-半圆组合等管子利用迎风面形成的风刀效应减弱甚至是抑制沾污结焦效果类似，利用风刀效应改变流场分布机理，如图8所示的椭圆-半圆组合管也能耐沾污抗结焦功能。

实施例5：

与上述的滴形、椭圆形、锥形-半圆组合等管子利用迎风面形成的风刀效应减弱甚至是抑制沾污结焦效果类似，利用风刀效应改变流场分布机理，如图10所示的椭圆-滴形组合管也能耐沾污抗结焦功能。

实施例6：

与上述的滴形、椭圆形、锥形-半圆组合等管子利用迎风面形成的风刀效应减弱甚至是抑制沾污结焦效果类似，利用风刀效应改变流场分布机理，如图7所示的锥形-椭圆组合管也能耐沾污抗结焦功能。

综上所述，采用了本发明的技术方案，耐沾污抗结焦用异型管，用滴形管、锥形-半圆组合管、椭圆管、椭圆-半圆组合管、椭圆-滴形组合管、锥形-滴形组合管等异型管取代传统的圆管从而使迎风侧的烟气入射角自 0°开始快速增大，从而有利于径向冲击力F_垂和切向剪切力F_切的分配，既减少F_垂又同时加大F_切，则可利用烟气自生形成的“风刀”，达到减弱甚至是抑制沾污结焦的目的。

具体有益效果如下：

(1)滴形管有利于缩短迎风侧由位置Ⅰ到位置Ⅱ的过渡距离；

(2)锥形-半圆组合管、锥形-椭圆组合管去掉由位置Ⅰ到位置Ⅱ的过渡，直接以位置Ⅱ到位置Ⅲ的斜面作为过渡，一步到位突变增大入射角θ；

(3)椭圆形管、椭圆-半圆组合管渐进式加快由位置Ⅰ到位置Ⅱ的入射角θ由小到大的增加速度；

(4)椭圆-滴形组合管先渐进再突变加大入射角θ，总体上减少烟气对管表面的垂直冲力，增大切向剪切力。

本发明可内生形成“风刀”，不仅能降低粘附倾向，还增大吹力，更有助于改善烟气流场，增加湍流程度，以达到削弱或抑制结焦倾向；异型管内生“风刀”有利于耐沾污抗结焦，还可增加传热效果。

Claims (5)

1.一种耐沾污抗结焦用异型管，其特征在于：所述异型管的横截面是非圆形，横截面设有位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，烟气对进气侧管表面产生径向正压力F_垂和切向剪切力F_切，F_垂越大，产生的粘附力越大，越有利于结焦；F_切越大，被烟气吹掉的倾向越强，越有利于抑制结焦，沿位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ顺序的气流入射角θ由小变大，导致F_切由小到大，而F_垂则由大到小，使位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ结焦呈减弱趋势；

所述位置Ⅰ处，气流沿径向入射即θ_Ⅰ＝0°，则F_切＝0，而F_垂＝F，即Ⅰ处最难被流体吹走而最易沾污结焦；

所述位置Ⅳ处，气流沿切向入射即θ_Ⅳ＝90°，则F_切＝F，而F_垂＝0，即Ⅳ及其以后位置最易被流体吹走而最难沾污结焦；

所述位置Ⅰ与位置Ⅳ即最易与最难沾污结焦之间的位置Ⅱ和位置Ⅲ，其中位置Ⅱ是圆或椭圆的弧面，而位置Ⅲ是直线连接面，Ⅲ的入射角θ_Ⅲ要大于Ⅱ的θ_Ⅱ，则F_Ⅲ切＞F_Ⅱ切，而F_Ⅲ垂＜F_Ⅱ垂，即状态Ⅲ比状态Ⅱ难沾污结焦。

2.如权利要求1所述的一种耐沾污抗结焦用异型管，其特征在于，所述异型管包括滴形管，滴形管小端和大端半径分别为r和R；

当R-r差恒定时，大小端间距H越大，其夹角α就越小，连接大小端的环向管壁长度L则越长，即L趋向于H，大小端连接区域位置Ⅲ的气流入射角θ_Ⅲ就越大，垂直作用于管壁的压力F_Ⅲ垂＝Fcosθ_Ⅲ就越小，则冲击产生的附着力就越小，而沿管壁表面的冲击产生的切削力F_Ⅲ切＝Fsinθ_Ⅲ则越大，则用二者比值γ＝F_Ⅲ切/F_Ⅲ垂＝tgθ_Ⅲ作为衡量气流风刀效应系数，γ越大，越有利于抑制沾污结焦；

当H恒定时，R-r越小，α就越小，θ_Ⅲ就越大，大小端连接线为直线且左右侧两直线与对称轴夹角就为α，则连接线上的任意位置的风刀效应均与位置Ⅲ相同；

位置Ⅰ气流沿表面法线入射，即入射角θ_Ⅰ＝0，则F_Ⅰ垂＝F，F_Ⅰ切＝0，γ＝0，即无风刀效应，位置Ⅱ处其入射角θ_Ⅱ必小于位置Ⅲ的θ_Ⅲ，则其风刀效应小于位置Ⅲ；大端最宽处的位置Ⅳ处，θ_Ⅳ＝90°，则F_Ⅳ切＝F，F_Ⅳ垂＝0，风刀效应最强。

3.如权利要求1所述的一种耐沾污抗结焦用异型管，其特征在于，所述异型管包括椭圆形管，椭圆形管短半径和长半径分别为r和R；

当R-r越大时，从位置Ⅰ到位置Ⅳ即从长轴到短轴间过渡越平缓，位置Ⅱ的气流入射角θ_Ⅱ就越大，垂直作用于管壁的压力F_Ⅱ垂＝Fcosθ_Ⅱ就越小，则冲击产生的附着力就越小，而沿管壁表面的冲击产生的切削力F_Ⅱ切＝Fsinθ_Ⅱ则越大，则风刀效应系数γ＝F_Ⅱ切/F_Ⅱ垂＝tgθ_Ⅱ就越大，抗沾污耐结焦就越明显；

位置Ⅰ和Ⅳ处最为特殊，位置Ⅰ处，气流沿表面法线入射，即入射角θ_Ⅰ＝0，则F_Ⅰ垂＝F，F_Ⅰ切＝0，γ＝0，即无风刀效应；

位置Ⅳ处，θ_Ⅳ＝90°，则F_Ⅳ切＝F，F_Ⅳ垂＝0，风刀效应最强。

4.如权利要求3所述的一种耐沾污抗结焦用异型管，其特征在于，所述异型管包括椭圆-半圆组合管。

5.如权利要求2或3所述的一种耐沾污抗结焦用异型管，其特征在于，所述异型管包括椭圆-滴形组合管。

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