本發(fā)明涉及一種模擬飛灰在受熱面沉積的試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

煤炭在中國的能源消費領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，尤其是發(fā)電行業(yè)。目前中部或者東部的許多煤炭基地，經(jīng)過多年的開采和利用，煤炭資源已經(jīng)出現(xiàn)枯竭的趨勢。因此新疆準東煤田的發(fā)現(xiàn)，因為它的儲量非常豐富(預(yù)測：3900億噸)，對我國的能源安全非常重要。雖然準東煤是很好的動力煤，具有灰分和硫含量低，揮發(fā)分含量高等優(yōu)點，但是在鍋爐燃燒利用過程中，出現(xiàn)了嚴重的積灰沾污問題，影響鍋爐的經(jīng)濟安全運行。

準東煤的積灰沾污問題與其高堿金屬含量有密切聯(lián)系，它是一種典型的高堿煤。在燃燒過程中，煤中的堿金屬容易揮發(fā)，并且隨煙氣流動，當遇到溫度較低的受熱面時，非常容易凝結(jié)在上面并且形成具有粘性的積灰初始層，從而導(dǎo)致積灰沾污問題加劇，甚至出現(xiàn)受熱面腐蝕。為了解決這一問題，降低揮發(fā)到氣相中的堿金屬含量，采用的方法主要有煤炭預(yù)處理(脫鈉提質(zhì))，添加堿金屬吸附劑和混燒等。雖然這些方法能夠有效緩解積灰沾污問題，但是距離問題的徹底解決還存在較大差距。因此為了達到這一目標，必須深入了解高堿煤積灰沾污形成機理與特性。

目前對于高堿煤積灰沾污機理的試驗研究，主要在一些小型或者中試規(guī)模的燃燒試驗臺上開展。試驗過程中，利用積灰裝置對煙氣中的飛灰進行收集，獲得堿金屬在燃燒過程中的遷移特性，積灰的形態(tài)、成分以及礦物組成等信息，進而分析高堿煤的積灰沾污機理。雖然該類試驗方法比較接近鍋爐的實際燃燒環(huán)境，但由于諸多限制，無法對影響積灰沾污的各個因素進行定向控制，只能在問題形成之后進行反向分析，由此導(dǎo)致對機理的理解不夠系統(tǒng)和深入。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服背景技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種模擬飛灰在受熱面沉積的試驗裝置及方法，以針對高堿煤在燃燒過程中容易出現(xiàn)受熱面積灰沾污的問題，研究它們的形成機理。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：

一種模擬飛灰在受熱面沉積的試驗裝置，包括提供受熱面的飛灰沉積系統(tǒng)，所述飛灰沉積系統(tǒng)分別與提供煙氣且可控制煙氣成分、給定量和溫度的煙風(fēng)系統(tǒng)、提供飛灰且可控制飛灰成分、給定量的給灰系統(tǒng)、提供堿金屬且可控制堿金屬成分、給定量的噴霧系統(tǒng)；且飛灰沉積系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連；

所述飛灰沉積系統(tǒng)包括立式管式爐，所述立式管式爐具有依次設(shè)置在下方進口管上的第一進口、第二進口和第三進口，且第一進口、第二進口和第三進口分別與煙風(fēng)系統(tǒng)、給灰系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)相連；

立式管式爐上方的出口通過出口管與尾氣處理系統(tǒng)相連；

立式管式爐內(nèi)設(shè)有用于沉積飛灰和堿金屬的飛灰沉積探針，所述飛灰沉積探針包括同軸相套的外管和內(nèi)管，內(nèi)管的頂端氣密貫穿外管的頂端，且外管的頂端氣密貫穿出口管的側(cè)壁；外管和內(nèi)管的底端延伸至立式管式爐內(nèi)，且外管的底端貫穿內(nèi)管的底端；套狀沉積探頭的一端套設(shè)在外管的底端上，另一端通過沉積片密封，且沉積探頭與沉積片可拆卸連接；沉積探頭、沉積片將外管圍合成氣密的空腔，且內(nèi)管的底端開口對準沉積片；內(nèi)管內(nèi)同軸設(shè)有熱電偶，熱電偶的底端抵觸在沉積片內(nèi)壁面上，熱電偶的頂端氣密貫穿內(nèi)管的頂端端蓋并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連；

所述沉積片還連接有控溫系統(tǒng)。

進一步，所述煙風(fēng)系統(tǒng)包括若干個儲放不同種類的氣體的氣瓶，所述氣瓶的出口分別通過氣管與氣體混合器的進口連通，氣體混合器的出口經(jīng)過電加熱預(yù)熱器與立式管式爐的第一進口連通；且各氣管上均設(shè)有流量計。

進一步，所述給灰系統(tǒng)包括給料機，給料機的出口與第二進口連通。

進一步，所述噴霧系統(tǒng)包括注射泵，所述注射泵的出口通過霧化器與第三進口連通，且霧化器與第三進口同軸設(shè)置。

進一步，所述尾氣處理系統(tǒng)包括冷卻器、除塵器和引風(fēng)機，所述出口管依次與冷卻器、除塵器和引風(fēng)機連通。

進一步，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括采集儀和計算機，所述熱電偶依次與數(shù)據(jù)采集儀、計算機相連接。

進一步，所述控溫系統(tǒng)包括提供冷卻介質(zhì)的冷卻源，所述冷卻源通過冷卻進管與內(nèi)管連通，且冷卻管上設(shè)有閥門，內(nèi)管上設(shè)有與冷卻進管相連的入口管，所述外管上設(shè)有排出冷卻介質(zhì)的出口管。

進一步，沉積探頭與外管螺紋連接；沉積片與沉積探頭卡扣連接，沉積片與外管底面之間設(shè)有密封用墊片，且墊片為銅片。

進一步，內(nèi)管的頂端氣密貫穿外管的頂端，所述熱電偶的頂端通過卡套氣密貫穿內(nèi)管的頂端。

采用本發(fā)明所述的一種模擬飛灰在受熱面沉積的試驗裝置實施的實驗方法，包括以下步驟：

1)打開氣瓶、流量計、電加熱預(yù)熱器、立式管式爐、冷卻源、閥門、引風(fēng)機、計算機和數(shù)據(jù)采集儀；

2)調(diào)節(jié)各個流量計，以獲得預(yù)定成分和流量的煙氣；

3)調(diào)節(jié)電加熱預(yù)熱器的加熱功率，對煙氣進行預(yù)熱，以便后續(xù)噴入的堿金屬霧滴能快速氣化；

4)調(diào)節(jié)立式管式爐加熱功率，使煙氣溫度達到設(shè)定值；

5)待煙氣溫度穩(wěn)定之后，調(diào)節(jié)冷卻進管上的閥門，使飛灰沉積探針上的沉積片溫度達到設(shè)定值；

6)打開給料機，調(diào)節(jié)給灰速率，獲得設(shè)定的飛灰濃度；

7)打開并調(diào)節(jié)霧化器和注射泵，將預(yù)定種類和給定量的堿金屬溶液噴入立式管式爐中的煙氣中，使煙氣中堿金屬濃度達到設(shè)定值；

8)熱電偶實時采集飛灰沉積探針內(nèi)沉積片的表面溫度信息，并將溫度信息傳輸給數(shù)據(jù)采集儀和計算器，并通過計算機和數(shù)據(jù)采集儀對試驗過程中的溫度進行實時記錄和保存；

9)試驗結(jié)束之后，依次關(guān)閉給料機、霧化器、注射泵、電加熱預(yù)熱器和立式管式爐；

10)待煙氣溫度下降之后，然后關(guān)閉氣瓶、流量計、冷卻源、計算機和數(shù)據(jù)采集儀。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

1、本發(fā)明能夠分別控制煙氣中堿金屬濃度、種類，飛灰濃度、成分，煙氣溫度、沖刷受熱面流速，受熱面表面溫度，受熱面材料與表面特性等參數(shù)，全面研究這些因素的影響規(guī)律和作用機理，為高效安全地燃燒高堿煤提供理論支持。

2、飛灰沉積探針的沉積探頭上的沉積片可拆卸，主要優(yōu)點有以下方面：1)可單獨更換沉積片，不影響飛灰沉積探針其余部分的連續(xù)使用；2)沉積片加工方便，也可采用不同材料，研究受熱面材質(zhì)與表面特性對積灰沾污的影響；3)沉積片體積小，對上面積灰樣品分析時，非常便利，包括積灰的重量、形態(tài)和成分等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為飛灰沉積探針的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

參照附圖1-2，一種模擬飛灰在受熱面沉積的試驗裝置，其特征在于：包括提供受熱面的飛灰沉積系統(tǒng)，所述飛灰沉積系統(tǒng)分別與提供煙氣且可控制煙氣成分、給定量和溫度的煙風(fēng)系統(tǒng)、提供飛灰且可控制飛灰成分、給定量的給灰系統(tǒng)、提供堿金屬且可控制堿金屬成分、給定量的噴霧系統(tǒng)；且飛灰沉積系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連；

所述飛灰沉積系統(tǒng)包括立式管式爐8，立式管式爐8可調(diào)節(jié)加熱功率，所述立式管式爐8具有依次設(shè)置在下方進口管上的第一進口、第二進口和第三進口，且第一進口、第二進口和第三進口分別與煙風(fēng)系統(tǒng)、給灰系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)相連；

立式管式爐8上方的出口通過出口管與尾氣處理系統(tǒng)相連；

立式管式爐8內(nèi)設(shè)有用于沉積飛灰和堿金屬的飛灰沉積探針9，所述飛灰沉積探針9包括同軸相套的外管9-5和內(nèi)管9-4，外管9-5和內(nèi)管9-4的頂端密封，內(nèi)管9-4的頂端氣密貫穿外管9-5的頂端，且外管9-5的頂端氣密貫穿出口管的側(cè)壁；外管9-5和內(nèi)管9-4的底端延伸至立式管式爐8內(nèi)，且外管9-5的底端貫穿內(nèi)管9-4的底端；套狀沉積探頭9-3的一端套設(shè)在外管9-5的底端上，沉積探頭9-3的另一端通過沉積片9-1密封，且沉積探頭9-3與沉積片9-1可拆卸連接；沉積探頭9-3、沉積片9-1將外管圍合成氣密的空腔，且內(nèi)管9-4的底端開口對準沉積片9-1；內(nèi)管內(nèi)同軸設(shè)有熱電偶9-6，熱電偶9-6的底端抵觸在沉積片9-1內(nèi)壁面上，熱電偶9-6的頂端氣密貫穿內(nèi)管9-5的頂端并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連；

所述沉積片9-1還連接有控溫系統(tǒng)；

所述煙風(fēng)系統(tǒng)包括若干個儲放不同種類的氣體的氣瓶1，所述氣瓶1的出口分別通過氣管與氣體混合器3的進口連通，氣體混合器3的出口經(jīng)過電加熱預(yù)熱器4與立式管式爐8的第一進口連通；且各氣管上均設(shè)有流量計2。

所述給灰系統(tǒng)包括給料機5，且給料機采用微型給料機，給料機5的出口與第二進口連通。

所述噴霧系統(tǒng)包括注射泵7，所述注射泵7的出口通過霧化器6與第三進口連通，且霧化器6與第三進口同軸設(shè)置。

所述尾氣處理系統(tǒng)包括冷卻器12、除塵器13和引風(fēng)機14，所述出口管依次與冷卻器12、除塵器13和引風(fēng)機14連通。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀16和計算機15，所述熱電偶9-6依次與數(shù)據(jù)采集儀16、計算機15相連接。

所述控溫系統(tǒng)包括提供冷卻介質(zhì)的冷卻源10，所述冷卻源10通過冷卻進管與內(nèi)管連通，且冷卻管上設(shè)有閥門11，內(nèi)管9-4上設(shè)有與冷卻進管相連的入口管9-8，所述外管上設(shè)有排出冷卻介質(zhì)的出口管9-7。

沉積探頭9-3與外管9-5螺紋連接；沉積片9-1與沉積探頭9-3卡扣連接，沉積片9-1與外管9-5底面之間設(shè)有密封用墊片9-2，且墊片9-2為銅片。

內(nèi)管9-4的頂端氣密貫穿外管9-5的頂端，所述熱電偶9-6的頂端通過卡套9-9氣密貫穿內(nèi)管9-4的頂端。

采用本發(fā)明所述的一種模擬飛灰在受熱面沉積的試驗裝置實施的實驗方法，包括以下步驟：

1)打開氣瓶1、流量計2、電加熱預(yù)熱器4、立式管式爐8、冷卻源10、閥門11、引風(fēng)機14、計算機15和數(shù)據(jù)采集儀16；

2)調(diào)節(jié)各個流量計2，以獲得預(yù)定成分和流量的煙氣；

3)調(diào)節(jié)電加熱預(yù)熱器4的加熱功率，對煙氣進行預(yù)熱，以便后續(xù)噴入的堿金屬霧滴能快速氣化；

4)調(diào)節(jié)立式管式爐8加熱功率，使煙氣溫度達到設(shè)定值；

5)待煙氣溫度穩(wěn)定之后，調(diào)節(jié)冷卻進管上的閥門11，使飛灰沉積探針9上的沉積片9-1溫度達到設(shè)定值；

6)打開給料機5，調(diào)節(jié)給灰速率，以獲得設(shè)定的飛灰濃度；

7)打開并調(diào)節(jié)霧化器6和注射泵7，將預(yù)定種類和給定量的堿金屬溶液噴入立式管式爐8中的煙氣中，使煙氣中堿金屬濃度達到設(shè)定值；

8)熱電偶9-6實時采集飛灰沉積探針9內(nèi)沉積片9-1的表面溫度信息，并將溫度信息傳輸給數(shù)據(jù)采集儀16和計算器，并通過計算機15和數(shù)據(jù)采集儀16對試驗過程中的溫度進行實時記錄和保存；

9)試驗結(jié)束之后，依次關(guān)閉給料機5、霧化器6、注射泵7、電加熱預(yù)熱器4和立式管式爐8；

10)待煙氣溫度下降之后，然后關(guān)閉氣瓶2、流量計3、冷卻源10、計算機15和數(shù)據(jù)采集儀16等。

圖2給出了飛灰沉積探針9的結(jié)構(gòu)示意圖。飛灰沉積探針9采用套管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)管9-4位于外管9-5的中間，沉積探頭9-3通過螺紋安裝在外管9-5底端，沉積探頭9-3上安裝有沉積片9-1，通過墊片(銅墊片)9-2進行密封。熱電偶9-6采用k型熱電偶，熱電偶9-6通過內(nèi)管9-4插入，并抵觸在沉積片9-1內(nèi)壁面，測量其溫度。熱電偶9-6與內(nèi)管9-6通過卡套9-9進行密封。入口管9-8焊接在內(nèi)管9-4上，出口管9-7焊接在外管9-5上。

飛灰沉積探針9進行積灰試驗時，采用由冷卻源10提供的冷卻介質(zhì)(流動工質(zhì))控制溫度。冷卻介質(zhì)通過入口管9-8進入飛灰探針9中的內(nèi)管9-4，內(nèi)管9-4的出口直接對著沉積片9-1，進行沖擊冷卻，冷卻效果好。隨后冷卻介質(zhì)通過內(nèi)管9-4與外管9-5之間的間隙，從出口管9-7排出。熱電偶9-6能夠?qū)崟r測量沉積片9-1的溫度，而且通過閥門11的開度調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量，使沉積片9-1達到設(shè)定溫度。

所述的煙風(fēng)系統(tǒng)包括氣瓶1、流量計2、氣體混合器3、電加熱預(yù)熱器4以及附屬管路。氣瓶1、流量計2、氣體混合器3能夠提供試驗中所需要特定成分和流量(流速)的氣流，模擬煙氣。不同氣瓶中裝有不同的氣體(o2、co2和n2等)，它們各自的流量通過流量計2控制，并按一定比例在氣體混合器3內(nèi)混合均勻，煙氣在電加熱預(yù)熱器4中初步加熱。

尾氣處理系統(tǒng)的冷卻器12可以對煙氣進行冷卻，降低其溫度。除塵器13收集冷卻之后煙氣中的飛灰顆粒，以免將它們直接排入空氣，造成污染。

給料機5將飛灰通過第二進口添加到高溫?zé)煔庵?，表征煙氣中的飛灰，飛灰給定量通過給料速率調(diào)節(jié)。

所述噴霧系統(tǒng)由霧化器6和注射泵7組成，將堿金屬溶液以霧滴形式噴入煙氣中，表征煙氣中的堿金屬化合物。煙氣中的堿金屬濃度可以通過調(diào)節(jié)堿金屬溶液的濃度和霧化器的霧化量實現(xiàn)。另外，噴霧系統(tǒng)所處位置的煙氣已經(jīng)經(jīng)過電加熱預(yù)熱器4預(yù)熱，霧化的小液滴能夠迅速升溫變成氣態(tài)。

所述飛灰沉積系統(tǒng)包括立式管式爐8和飛灰沉積探針9，立式管式爐8可以準確地控制立式管式爐8內(nèi)的煙氣溫度，使煙氣加熱到所需的溫度。飛灰沉積探針9從立式管式爐8的上部放入爐內(nèi)，對煙氣中的堿金屬和飛灰顆粒進行沉積。

冷卻系統(tǒng)中冷卻源10的選擇根據(jù)沉積片9-1需要控制的溫度而定，可以采用空氣壓縮機、循環(huán)水泵和蒸汽發(fā)生器，它們能提供的冷卻介質(zhì)分別為壓縮空氣、水和蒸汽。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。