CN114323914B - 一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀‑腐蚀的试验装置，属于冲蚀磨损试验装置领域。该试验装置包括给料单元、冲蚀‑腐蚀单元、试样固定单元和离心式物料输送单元，其中：给料单元用于选择性地通入液相物料、固相物料和气相物料以获得多元介质，并利用第一加热组件进行加热；冲蚀‑腐蚀单元用于提供冲蚀‑腐蚀试验空间；试样固定单元设置在冲蚀‑腐蚀室腔的内部，用于固定待测试样并控制其温度；离心式物料输送单元设置在冲蚀‑腐蚀室腔的内部，用于在离心作用下将多元介质甩向待测试样。本发明通过设置液相进料组件、固相进料组件和输气组件，能够更加全面地模拟实际燃烧环境，为不同位置的材料耐冲蚀‑腐蚀性能测试提供准确结果。

Description

一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置

技术领域

本发明属于冲蚀磨损试验装置领域，更具体地，涉及一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置。

背景技术

目前，在电力行业，尤其是以煤、生物质及固体废弃物为燃料的发电厂存在严重的冲蚀磨损和腐蚀问题。冲蚀磨损指的是具有一定速度的硬质颗粒与材料表面相接触并产生冲击从而导致材料出现损耗的过程；而腐蚀则是指腐蚀性物质与材料发生化学或电化学反应，导致材料损耗的过程。上述固体燃料在燃烧过程中，一方面会产生大量飞灰颗粒，在高温烟气的携带下以较大的速度对锅炉受热面换热管束进行冲刷；另一方面燃烧产生的烟气中含有酸性气体(如HCl、SO₂等)，飞灰中含有的碱金属氯盐、硫酸盐等容易引起材料腐蚀。这些多元的腐蚀性介质以一定速度冲刷炉内换热管等部件，造成材料的冲蚀-腐蚀，这种耦合作用比单一的冲蚀或腐蚀导致的破坏更为严重，使得材料损耗加速，影响传热性能，严重时将引起“爆管”等问题，极大地影响了电力生产的安全性和经济性。

在锅炉换热管表面应用涂层技术或新型材料将有效地提高锅炉受热面换热管的抗冲蚀-腐蚀性能，延长锅炉的服役年限，具有十分广阔的应用前景。为实现优选涂层和新型材料的目的，对应用的涂层和新型材料进行抗冲蚀-腐蚀性能试验极有必要。但若在现场环境下测试材料的抗冲蚀-腐蚀性能，存在试验周期长、经济成本高、实用性较差的问题，因此亟需在试验室内搭建能够模拟实际环境或强化环境的多元介质冲蚀-腐蚀试验装置，并兼顾试验的高效性、准确性和可靠性，实现为现场应用提供指导的目的。

目前，许多学者对材料冲蚀或腐蚀的试验装置开展了相关研究。如CN212646342U开发了一种旋转式真空抗冲蚀试验机，沙砾在离心力的作用下向试片撞击，进而在真空条件下对试片抗冲蚀性能进行评估，但该专利仅考虑了常温下非腐蚀性固相粒子的冲蚀作用，无法应用于锅炉受热面换热管的抗冲蚀-腐蚀性能测试中。CN109142025A公开了一种高温高压含固多相粒子冲蚀磨损试验装置，可以实现高温高压环境下气固两相对材料的冲蚀，但冲蚀介质仍然是非腐蚀性的气体或固体粒子。除了冲蚀试验装置外，CN113295605A提出了一种模拟烟灰及烟气耦合腐蚀的试验装置，但并未考虑实际炉内腐蚀性介质以一定速度流经部件表面，存在一定的冲蚀作用。并且上述装置虽然可分别实现物料的冲蚀或腐蚀，但忽略了二者的耦合作用。而也有学者提出了兼顾冲蚀和腐蚀的试验装置，如CN110455701A提出了一种气固两相高温冲蚀试验装置，虽然可以开展腐蚀性气氛下的冲蚀试验，但不能够模拟燃烧炉内复杂多元的腐蚀环境。CN113340801A公开了一种多功能腐蚀磨损多相流冲刷腐蚀试验装置及测试方法，针对油气田生产时管道的冲刷和腐蚀问题，可以在多相流介质的冲刷下对管材或涂层的电化学腐蚀性能进行测试。CN112284953A则提出了一种海洋变温模拟环境下多元介质腐蚀-冲蚀耦合试验装置，可发生海洋环境下的不同盐雾或其他气氛，以及海洋环境的固体颗粒，实现多元介质腐蚀与冲蚀的耦合测试，这两种装置虽可以模拟多相介质的冲蚀腐蚀，但分别针对常温下的油气、海水腐蚀，不宜用于固体燃料燃烧环境。

综合上述申请或授权的专利，存在以下问题：当前专利多关注冲蚀或腐蚀中的一种，未考虑两者的耦合作用，对于固体燃料燃烧时炉内部件的冲蚀-腐蚀指导性不足；在部分综合冲蚀-腐蚀的相关专利中，其装置应用背景具有较强的针对性，多为介质在常温下冲刷以及电化学腐蚀环境，与锅炉内部件所处的环境差异显著，仍然缺乏能够模拟炉内环境或强化环境下多元介质耦合造成的冲蚀-腐蚀的试验装备；上述冲蚀或腐蚀的介质与试样均处于同一环境温度，但由于锅炉汽水系统的存在，冲蚀-腐蚀的介质温度与被冲蚀-腐蚀的材料温度有明显差别，已有专利未能体现这一区别。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置，旨在解决现有的冲蚀-腐蚀试验装置未考虑冲蚀-腐蚀的耦合作用，并且不能完全模拟锅炉的实际燃烧环境等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置，该试验装置包括给料单元、冲蚀-腐蚀单元、试样固定单元和离心式物料输送单元，其中：

所述给料单元包括液相进料组件、固相进料组件和输气组件，用于选择性地通入液相物料、固相物料和气相物料以获得多元介质，从而模拟固体燃料的实际燃烧环境；同时该给料单元还包括第一加热组件，用于对所述多元介质进行加热；

所述冲蚀-腐蚀单元包括冲蚀-腐蚀室腔和第二加热组件，所述冲蚀-腐蚀室腔用于提供冲蚀-腐蚀试验空间，所述第二加热组件用于对所述冲蚀-腐蚀室腔进行加热，以控制所述多元介质的温度；

所述试样固定单元设置在所述冲蚀-腐蚀室腔的内部，用于固定待测试样并控制其温度；

所述离心式物料输送单元设置在所述冲蚀-腐蚀室腔的内部，用于在离心作用下将所述多元介质甩向待测试样，以模拟固体燃料燃烧中多元介质的冲蚀-腐蚀过程。

作为进一步优选的，所述冲蚀-腐蚀单元还包括室腔支撑组件和收料斗，所述室腔支撑组件设置在所述冲蚀-腐蚀室腔的下方，用于将所述冲蚀-腐蚀室腔支撑起预设角度，使其呈倾斜设置；所述收料斗设置在所述冲蚀-腐蚀室腔另一侧的下方，用于收集多元介质。

作为进一步优选的，所述冲蚀-腐蚀单元还包括尾气处理组件，所述尾气处理组件与收料斗的尾部连接，用于对试验废气进行处理。

作为进一步优选的，所述冲蚀-腐蚀室腔的底部倾角为5°～10°。

作为进一步优选的，所述试样固定单元包括第三加热组件、冷却水入口和冷却水出口，其中所述第三加热组件用于对所述待测试样进行加热；所述冷却水入口和冷却水出口用于对待测试样进行水冷，以调整所述待测试样的温度。

作为进一步优选的，所述待测试样呈环形结构。

作为进一步优选的，所述离心式物料输送单元包括物料旋转室、物料入口和物料出口，所述物料旋转室的上端设置有物料入口，该物料入口与给料单元的出口连接，用于向所述物料旋转室通入多元介质；所述物料旋转室的底部呈环状设置有预设数量的物料出口，用于将充分混合的多元介质在离心力的作用下甩向待测试样的表面。

作为进一步优选的，所述模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置还包括控制单元，所述控制单元用于控制给料单元、冲蚀-腐蚀单元、试样固定单元和离心式物料输送单元。

作为进一步优选的，所述液相物料包括盐酸溶液、硫酸溶液和脱硫浆液中的一种或多种；所述固相物料包括石英砂、棕刚玉和飞灰中的一种或多种；所述气相物料包括HCl、SO₂、N₂、O₂、CO₂和水蒸气中的一种或多种。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.考虑到锅炉燃烧过程中不同位置发生冲蚀-腐蚀的介质不同，例如换热器中主要是烟气和飞灰的气固两相介质造成材料的冲蚀-腐蚀，而尾部烟道中烟气冷凝会生成液相硫酸，从而通过气固液三相介质造成材料的冲蚀-腐蚀，因而本发明提出对给料单元的结构进行改进，通过设置液相进料组件、固相进料组件和输气组件，能够根据实际燃烧环境通入液相物料、固相物料和气相物料中的一种或多种以形成多元介质，从而更加全面地模拟实际燃烧环境，为不同位置的材料耐磨性测试提供准确的测试结果，同时本发明创造性地将离心式物料输送单元引入模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置中，能够通过离心作用控制多元介质的速度，进而模拟实际燃烧过程中飞灰颗粒、酸性气体在烟气携带下以较大的速度对锅炉受热面换热管束进行冲刷的情况，从而精准控制多元介质与待测试样的接触速率，强化腐蚀反应同时减少仪器的消耗空间；

2.同时，本发明通过对冲蚀-腐蚀单元的结构进行改进，在冲蚀-腐蚀室腔的下部增设室腔支撑组件，使得冲蚀-腐蚀室腔的底部呈倾斜设置，更加便于固相物料和液相物料进入收料斗中，同时当多元介质中包括HCl、SO₂等污染性气体时，尾气处理组件可以对试验废气进行处理，避免造成环境污染；

3.尤其是，本发明考虑到锅炉汽水系统的存在，冲蚀-腐蚀的介质温度与被冲蚀-腐蚀的材料温度有明显差别，例如水冷壁、低温过热器、高温过热器区域的中介质温度均高于材料温度，进而提出在试样固定单元中设置第三加热组件和水冷组件，以单独控制待测试样的温度，从而保证多元介质与待测试样的温度不同，进而更加精确地模拟实际燃烧环境，提高测试结果的准确度；

4.此外，本发明通过设置环形待测试样，不需要调整待测试样的角度，并且能够充分考虑到材料应力对冲蚀腐蚀的影响，从而进一步提高测试结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置的整体结构示意图；

图2是图1提供的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置中给料单元的结构示意图；

图3是图1提供的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置中冲蚀-腐蚀单元的结构示意图；

图4是图1提供的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置中冲蚀-腐蚀单元的试样固定单元的结构示意图；

图5是图1提供的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置中冲蚀-腐蚀单元的离心式输送单元的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-给料单元，11-液相进料组件，12-固相进料组件，13-输气组件，14-第一加热组件，15-阀门，2-冲蚀-腐蚀单元，21-第二加热组件，22-冲蚀-腐蚀室腔，23-收料斗，24-尾气处理组件，25-室腔支撑组件，3-试样固定单元，31-待测试样，32-第三加热组件，33-冷却水入口，34-冷却水出口，4-离心式物料输送单元，41-物料入口，42-物料旋转室，43-物料出口，5-控制单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置，该试验装置包括采用耐高温冲蚀-腐蚀材料制成的给料单元1、冲蚀-腐蚀单元2、试样固定单元3和离心式物料输送单元4，其中：

给料单元1包括液相进料组件11、固相进料组件12和输气组件13，工作时通过阀门15控制液相进料组件11、固相进料组件12和输气组件13的开闭，从而选择性地通入液相物料、固相物料和气相物料以获得多元介质，进而模拟固体燃料的实际燃烧环境，同时该给料单元1还包括第一加热组件14，用于对多元介质进行加热；

冲蚀-腐蚀单元2包括冲蚀-腐蚀室腔22、第二加热组件、室腔支撑组件25、收料斗23和尾气处理组件24，冲蚀-腐蚀室腔22用于提供冲蚀-腐蚀试验空间，第二加热组件用于对冲蚀-腐蚀室腔22进行加热，以控制多元介质的温度，充分模拟固体燃料燃烧时炉内部件所处的环境温度；室腔支撑组件25设置在冲蚀-腐蚀室腔22的下方，用于将冲蚀-腐蚀室腔22支撑起预设角度，使其底部倾角呈5°～10°设置；收料斗23设置在冲蚀-腐蚀室腔22另一侧的下方，用于收集多元介质；尾气处理组件24与收料斗23的尾部连接，用于对试验废气进行处理；

试样固定单元3设置在冲蚀-腐蚀室腔22的内部，用于固定待测试样31并控制其温度；

离心式物料输送单元4设置在冲蚀-腐蚀室腔22的内部，用于在离心作用下将多元介质甩向待测试样31，并且可以通过控制离心式物料输送单元4的转速来调节多元介质的喷出速度，模拟不同炉内部件所处环境的冲蚀-腐蚀强度。

本发明可以模拟固体燃料燃烧时炉内部件所接触的多种腐蚀介质，并营造炉内的温度、气氛等环境，广泛应用于炉内不同材料的冲蚀-腐蚀协同作用的试验。同时，给料单元1的沿程加热及冲蚀-腐蚀室腔22的加热保证多元介质达到其设定的温度，待测试样由其自身控制其温度，可以有效模拟炉内换热器等部件表面的冲蚀-腐蚀，也可以模拟尾端脱硫(酸)、除尘装置等部件的腐蚀，可调节范围广。

进一步，现有技术中通常只考虑了气固两相介质的冲蚀-腐蚀过程，对于固体燃料燃烧时炉内部件的冲蚀-腐蚀指导性不足，不能模拟锅炉内全部件的冲蚀-腐蚀试验。考虑到锅炉中某些部位可能存在液相介质，本发明增加了液相进料组件11，并且液相进料组件11、固相进料组件12和输气组件13可以同时进料，也可以两两组合进料，或者单独进料，从而更加全面准确地模拟锅炉内的实际燃烧环境。例如，模拟换热器中材料的冲蚀-腐蚀过程，需要通入气相物料和固相物料；模拟尾部烟道中材料的冲蚀-腐蚀过程，则需要通入液相物料、气相物料和固相物料。并且，本发明除了模拟实际燃烧时的冲蚀-腐蚀介质外，还可以通过加大酸性溶液、酸性气体浓度、固体给料量等营造强化的冲蚀-腐蚀环境，加快试验进度，提高试验效率。

进一步，试样固定单元3包括第三加热组件32、冷却水入口33和冷却水出口34，其中第三加热组件32用于对待测试样31进行加热；冷却水入口33和冷却水出口34用于对待测试样31进行水冷，以调整待测试样31的温度。考虑到锅炉汽水系统的存在，冲蚀-腐蚀的介质温度与被冲蚀-腐蚀的材料温度存在明显差别，而现有技术中通常只对试样设置了加热装置，没有考虑到待测试样温度低于介质温度的情况，例如水冷壁、低温过热器、高温过热器等区域的中介质温度高于材料温度，因此无法全面模拟实际燃烧环境。本专利增设了冷却水入口33和冷却水出口34，能够对待测试样进行水冷降温，从而使得待测试样的温度低于介质温度。待测试样31呈环状固定于冲蚀-腐蚀室腔璧面内侧，不需要调整待测试样的角度，并且能够充分考虑到材料应力对冲蚀腐蚀的影响，从而进一步提高测试结果的准确性。待测试样31为钢材、表面制备有涂层的金属样品或其他固体燃料燃烧时炉内部件所使用的材料。

进一步，离心式物料输送单元4包括物料旋转室42、物料入口41和物料出口43，物料旋转室42的上端设置有物料入口41，该物料入口41与给料单元的出口连接，用于向物料旋转室42通入多元介质；物料旋转室42的底部呈环状设置有预设数量的物料出口43，用于将充分混合的多元介质在离心力的作用下喷出，并以一定速度甩向待测试样31的表面。

进一步，模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置还包括控制单元5，控制单元5用于控制液相进料组件11、固相进料组件12和输气组件中阀门15的开闭，以调整多元介质的种类；同时，控制单元5还用于控制第一加热组件14、第二加热组件21、第三加热组件32、冷却水入口33和冷却水出口34的工作过程，以调节介质温度和待测试样温度；此外，控制单元5还用于控制物料旋转室42的旋转速度。

进一步，液相物料包括盐酸溶液、硫酸溶液和脱硫浆液中的一种或多种；固相物料包括石英砂或飞灰；气相物料包括HCl、SO₂、N₂、O₂、CO₂和水蒸气中的一种或多种。当输气组件13内通入HCl、SO₂等污染性气体时，尾气处理组件24通过NaOH等吸收液对试验废气进行处理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括给料单元（1）、冲蚀-腐蚀单元（2）、试样固定单元（3）和离心式物料输送单元（4），其中：

所述给料单元（1）包括液相进料组件（11）、固相进料组件（12）和输气组件（13），用于选择性地通入液相物料、固相物料和气相物料以获得多元介质，从而模拟固体燃料的实际燃烧环境；同时给料单元（1）还包括第一加热组件（14），用于对所述多元介质进行加热；

所述冲蚀-腐蚀单元（2）包括冲蚀-腐蚀室腔（22）和第二加热组件（21），所述冲蚀-腐蚀室腔（22）用于提供冲蚀-腐蚀试验空间，所述第二加热组件（21）用于对所述冲蚀-腐蚀室腔（22）进行加热，以控制所述多元介质的温度；

所述试样固定单元（3）设置在所述冲蚀-腐蚀室腔（22）的内部，用于固定待测试样（31）并控制其温度；

所述离心式物料输送单元（4）设置在所述冲蚀-腐蚀室腔（22）的内部，用于在离心作用下将所述多元介质甩向待测试样（31），以模拟固体燃料燃烧中多元介质的冲蚀-腐蚀过程；

所述冲蚀-腐蚀单元（2）还包括室腔支撑组件（25）和收料斗（23），所述室腔支撑组件（25）设置在所述冲蚀-腐蚀室腔（22）的下方，用于将所述冲蚀-腐蚀室腔（22）支撑起预设角度，使其呈倾斜设置；所述收料斗（23）设置在所述冲蚀-腐蚀室腔（22）另一侧的下方，用于收集多元介质；

所述冲蚀-腐蚀单元（2）还包括尾气处理组件（24），所述尾气处理组件（24）与收料斗（23）的尾部连接，用于对试验废气进行处理；

所述冲蚀-腐蚀室腔（22）的底部倾角为5°～10°；

所述待测试样（31）呈环形结构；

所述离心式物料输送单元（4）包括物料旋转室（42）、物料入口（41）和物料出口（43），所述物料旋转室（42）的上端设置有物料入口（41），物料入口（41）与给料单元（1）的出口连接，用于向所述物料旋转室（42）通入多元介质；所述物料旋转室（42）的底部呈环状设置有预设数量的物料出口（43），用于将充分混合的多元介质在离心力的作用下甩向待测试样（31）的表面。

2.如权利要求1所述的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置，其特征在于，所述试样固定单元（3）包括第三加热组件（32）、冷却水入口（33）和冷却水出口（34），其中所述第三加热组件（32）用于对所述待测试样（31）进行加热；所述冷却水入口（33）和冷却水出口（34）用于对待测试样（31）进行水冷，以调整所述待测试样（31）的温度。

3.如权利要求1所述的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置，其特征在于，所述模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置还包括控制单元（5），所述控制单元（5）用于控制给料单元（1）、冲蚀-腐蚀单元（2）、试样固定单元（3）和离心式物料输送单元（4）。

4.如权利要求1～3任一项所述的模拟固体燃料燃烧中多元介质冲蚀-腐蚀的试验装置，其特征在于，所述液相物料包括盐酸溶液、硫酸溶液和脱硫浆液中的一种或多种；所述固相物料包括石英砂、棕刚玉和飞灰中的一种或多种；所述气相物料包括HCl、SO₂、N₂、O₂、CO₂和水蒸气中的一种或多种。