一种定量评价除焦效率的装置及评价方法与流程

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种定量评价除焦效率的装置及方法。

背景技术：

电厂锅炉及工业锅炉在燃烧过程形成的灰渣在受热面上熔融黏结，凝固后会积聚成很难清理的灰渣层，这就是结焦。目前，我国的电厂及工业锅炉普遍面临结焦问题。受热面结焦会导致传热热阻增加，降低传热效率，增加锅炉设备的负荷，降低锅炉效率。同时，水冷壁各部分受热不均并受灰渣腐蚀，还会导致水冷壁管爆裂，严重威胁锅炉的安全和经济运行。

为解决锅炉结焦问题，工业领域广泛采用除焦剂进行除焦，即在炉内喷入除焦剂，除焦剂引发焦块爆裂，使其落到炉底排出锅炉。但是，不同的除焦剂在配合不同气体、不同压力时的除焦能力不同，特别是不同锅炉由于燃用燃料性质不同，导致结焦的焦块性质、除焦的难易程度也不同。如果仅凭经验选择，会导致除焦效率低，影响锅炉稳定运行，经济性差等问题。因此，如何选用合适的除焦剂及除焦方案就成为该领域的一大难题。

当前缺乏能对锅炉除焦剂工作效率进行评价、且简单易行的实验装置及方法。专利检索未发现类似知识产权。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对当前锅炉普遍有除焦需求，但没有合适的评价除焦效率的装置及方法的现状，提出一种定量评价除焦剂除焦效率的装置及评价方法，可通过很高的可操作性，很低的成本，评价不同除焦剂在不同工况下的除焦效率，最终根据评价结果，为工程中锅炉选择合适的除焦方案提供依据。

本发明的第一个目的是通过以下的技术方案来实现的：一种定量评价除焦效率的装置，其要点在于评价装置包括电炉、测温装置、除焦剂混合装置、高速摄像装置、耐高温抗氧化称量装置、计算机；其中电炉具体包括加热层、保温层、炉膛、炉膛顶盖、恒温平台、坩埚等；除焦剂混合装置具体包括除焦剂容器、除焦剂定量可调配给装置、流量计、压力表、调节阀门、雾化介质供给装置、管道、三通式混合装置等；摄像装置具体包括高速摄像头、三维电动坐标平台等；耐高温抗氧化称量装置具体包括耐高温容器、惰性气体管道、盖板等；

作为优选，除焦剂容器与除焦剂定量可调配给装置用管道相连，除焦剂定量可调配给装置另一端也与管道相连，管道上同时布置了流量计，流量计和除焦剂定量可调配给装置均与计算机相连实现数据采集与自动控制；雾化介质供给装置与管道相连，管道中按气体流向还依次布置了流量计、调节阀门、压力表，流量计、调节阀门、压力表、雾化介质供给装置均与计算机相连实现数据采集与自动控制；最终输送除焦剂的管道和输送雾化介质的管道通过三通式混合装置连接，通过一条雾化管道输出；

作为优选，高速摄像头安装在三维电动坐标平台上，从炉膛上方朝向炉膛内、或在冷却设施保护下深入炉膛内对恒温平台进行拍摄，且摄像头位置可精确定量调节；

本发明的第二个目的是通过以下的技术方案来实现的：一种定量评价除焦效率的方法，按如下方法进行评价：电炉制备焦块；制备除焦剂混合液雾化喷洒到焦块上；记录并分析焦块爆裂时的图像；对爆裂后从焦块上脱落的碎块进行称重；对爆裂后脱落的碎块及焦块进行微观分析；除焦过程损耗评估。

作为优选，所述电炉制备焦块，具体指将测试用的燃料灰与不同比例的未燃尽炭混合装入坩埚，置于电炉的平台上，在测试温度下通入惰性气体或隔绝空气加热，通过计算机控制加热温度、加热速率、加热时间长短等因素；

所述制备除焦剂混合液雾化喷洒到焦块上，具体指选择预先准备好的测试除焦剂放入除焦剂容器中，并记录下除焦剂有效含量比(c)，除焦剂通过由计算机控制的除焦剂定量可调配给装置经管道抽入三通式混合装置中，流量计测出除焦剂流量反馈至计算机，辅助控制除焦剂配给装置持续输出测试所需的除焦剂流量(qm,ch)；选择测试所需雾化介质(空气、水蒸气、等)经由计算机控制的雾化介质供给装置引入管道，流量计测出其流量(qm,g)，压力表测出其压力，辅助控制雾化介质供给装置持续输出测试所需的流量、压力，辅助计算机控制调节阀门来调节管道中的压力、流量；之后除焦剂和气体在三通式混合装置中混合并雾化，形成所需的雾化除焦剂，从管道喷洒到坩埚内的焦块上，引发焦块中的未燃尽炭反应，使得焦块发生不同程度的爆裂；

除焦剂有效含量比c：除焦剂由除焦剂稀释液和有效化学成分两部分组成，根据公式可计算出除焦剂有效含量比；

除焦剂流量(qm,ch)：由流量计测量，记录在计算机上；

雾化介质流量(qm,g)：由流量计测量，记录在计算机上；

所述记录并分析焦块爆裂时的图像，具体是指计算机控制调整高速摄像头在三维电动坐标平台的坐标至合适位置，记录焦块爆裂时的图像，在计算机中通过图像处理软件将爆裂时焦块表面的亮度定量描述成用数字表示的亮度指标，然后以时间为横轴(t)，各时刻亮度指标为纵轴(l)，得出l-t曲线，同时可得到爆裂时间(t)、峰值亮度指标(lm)、平均亮度指标(lav)等指标，并计算出除焦剂有效化学成分消耗量(mch)；峰值亮度指标、平均亮度指标是评价除焦效率的两项效果指标，峰值亮度指标、平均亮度指标越大，爆裂越剧烈，除焦效果越好；

爆裂时间t：当雾化除焦剂喷洒到焦块上后，亮度指标会先增加再减小，爆裂时间指从雾化除焦剂喷洒到焦块上开始，到亮度指标l经历逐渐变亮、再减小至喷洒雾化除焦剂前的亮度指标l0的105％为止的时间；

峰值亮度指标lm：即爆裂时间t内最大亮度指标l，根据公式lm＝l(t)max可计算；

平均亮度指标lav：即爆裂时间t内各时刻亮度指标l的算术平均值，根据公式可计算；

除焦剂有效化学成分消耗量mch：根据公式mch＝t·qm,ch·c可计算出除焦剂有效化学成分消耗量；

所述对爆裂后从焦块上脱落的碎块进行称重，具体是指爆裂结束后，将坩埚迅速取出，放入已经事先通入惰性气体的耐高温抗氧化称量装置中，在惰性气体氛围中分别称量爆裂后从焦块上脱落碎块的质量、剩余焦块的质量，可得到碎块质量(m)、总质量(m)，并可计算出除焦率(ηm)、化学有效除焦比(ch)；除焦率(ηm)是评价除焦效率的一项效果指标，除焦率越高，除焦效果越好，化学有效除焦比(ch)是评价除焦效率的一项经济性指标，化学有效除焦比越高，说明单位质量除焦剂引发爆裂效果越好；

碎块质量m：爆裂后从焦块上脱落碎块的质量；

总质量m：爆裂后从焦块上脱落碎块的质量与剩余焦块的质量之和；

除焦率ηm：由公式可计算出除焦率；

化学有效除焦比ch：根据公式可计算出化学有效除焦比；

所述对爆裂后脱落的碎块及焦块进行微观分析，具体指分析爆裂后脱落的碎块的含炭量mc，得出碎块含炭比cre，过程耗炭率π，过程耗炭率是评价除焦效率的一项效果指标，过程耗炭率越高，爆裂越彻底，除焦效果越好；

含炭量mc：碎块中炭的质量；

碎块含炭比cre：根据公式可计算出碎块含炭比；

过程耗炭率π：根据公式可计算过程耗炭率，cre0指燃料灰与未燃尽炭混合时的含炭量；

所述除焦过程损耗评估，具体指除焦过程中，将雾化除焦剂喷入炉膛，雾化介质和除焦剂稀释液都会吸收环境热量，分别用雾化介质损耗(eg)和除焦剂稀释液损耗(esol)来表示；除焦过程各环节都会消耗电能，其中最主要的是持续将雾化介质和除焦剂混合后送入炉膛的耗能，用动力损耗(ep)来表示；并可计算碎裂单位质量焦块的各项损耗，雾化介质比损耗(eg)、除焦剂稀释液比损耗(esol)、动力比损耗(ep)，这三项是评价除焦效率的经济性指标，比损耗越小，经济性越好；

雾化介质损耗eg：根据公式eg＝t·qm,g·(hg，2-hg,1)可计算雾化介质损耗。其中hg,1、hg,2分别表示进入炉膛前雾化介质的比焓、吸热后雾化介质的比焓；

雾化介质比损耗eg：根据公式可计算雾化介质比损耗；

除焦剂稀释液损耗esol：根据公式esol＝t·(1-c)·qm,ch·(hsol,2-hsol,1)可计算除焦剂稀释液损耗，其中hsol,1、hsol,2分别表示进入炉膛前除焦剂稀释液的比焓、吸热后除焦剂稀释液的比焓；

除焦剂稀释液比损耗esol：根据公式可计算除焦剂稀释液比损耗；

动力损耗ep：根据公式ep＝t×(p1+p2)可计算出动力损耗，其中p1、p2分别表示除焦剂定量可调配给装置、雾化介质供给装置工作时实际功率。

动力比损耗ep：根据公式可计算动力比损耗。

本发明的有益效果如下：

第一，本发明可以通过很小的代价、很高的灵活性测试评价不同除焦剂在不同工况下的除焦效率，选择适合企业工况的最优除焦剂、除焦工艺方案，解决了选择合适除焦方案的技术难题，大幅降低了成本。

第二，本发明装置可以模拟除焦剂针对锅炉不同温度条件下的结焦、在配合不同压力、不同种类的介质工作时的除焦效率，与实际情况相符合，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为电炉与除焦剂混合装置；

图2为炉膛顶盖俯视图；

图3为耐高温抗氧化称量装置；

图中：1—电炉，1a—加热层，1b—保温层，1c—恒温平台，1d—炉膛，1e—坩埚，1f—炉膛顶盖，1g—炉膛顶盖窥视孔，1h—惰性气体管道，1i—气体分析孔，1j—雾化喷嘴，2—测温装置，3—高速摄像装置，3a—高速摄像头，3b—三维电动坐标平台，4—除焦剂混合装置，4a—除焦剂容器，4b—除焦剂定量可调配给装置，4c—流量计，4d—三通式混合装置，4e—压力表，4f—调节阀门，4g—流量计，4h—雾化介质供给装置，4i1—管道，4i2—管道，4i3—管道，4i4—管道，5—耐高温抗氧化称量装置，5a—耐高温容器，5b—盖板，5c—通气孔，5d—高精度天平，5e—惰性气体管道，5f—气体分析装置，5g—窥视孔，6—计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明中评价装置包括电炉1、测温装置2、高速摄像装置3、除焦剂混合装置4、耐高温抗氧化称量装置5、计算机6。

所述评价装置的电炉1中，四周有加热层1a，保温层1b，中间为炉膛1d，炉膛1d中有恒温平台1c，恒温平台1c的下方还放置了测温装置2，其数据传入计算机6内，时刻监控电炉1内坩埚1e处的温度。炉膛顶安装了炉膛顶盖1f，顶盖上有炉膛顶盖窥视孔1g，起到平衡内外气压，方便高速摄像装置3摄像的作用，同时炉膛顶盖窥视孔1g大小比坩埚1e略大，坩埚1e可以直接通过炉膛顶盖窥视孔1g放入和取出。同时顶盖1f上还有惰性气体管道1h、气体分析孔1i以管道穿过，深入炉膛1d内部。所述雾化喷嘴1j通过管道4i4与除焦剂混合装置4相连，在靠近坩埚1e位置进行雾化除焦剂喷射。

所述评价装置的高速摄像装置3中，高速摄像头3a与三维电动坐标平台3b连接，高速摄像头3a可通过炉膛顶盖窥视孔1g在冷却设施保护下深入炉膛内，可通过计算机6控制三维电动坐标平台3b使高速摄像头3a移动，寻找合适的摄像位置。

所述除焦剂混合装置4中，除焦剂容器4a、除焦剂定量可调配给装置4b、流量计4c、三通式混合装置4d、压力表4e、调节阀门4f、流量计4g、雾化介质供给装置4h、管道4i1、管道4i2、管道4i3、管道4i4，均安装在电炉1的外部，它们的具体连接方式为：除焦剂容器4a与除焦剂配给装置4b用管道4i1相连，除焦剂配给装置4b另一端与管道4i2相连，管道4i2中还布置了流量计4c，可以测出流经管道4i2的除焦剂的流量；流量计4c和除焦剂配给装置4b均与计算机6相连；雾化介质供给装置4h与管道4i3相连，管道4i3中按气体流向还依次布置了流量计4g、调节阀门4f、压力表4e，流量计4g可测出雾化介质流量，压力表4e可测出雾化介质压力，而调节阀门4f可调节管道4i3内雾化介质的压力和流量，调节阀门4f、流量计4g、气体供给装置4h均与计算机6相连；之后管道4i2和管道4i3通过三通式混合装置4d相连，出口为管道4i4，管道4i4从炉膛顶盖窥视孔1g穿过伸入炉膛1d内。

所述耐高温抗氧化称量装置5，耐高温容器5a上部开两孔分别插入惰性气体管道5e、气体分析装置5f，耐高温容器5a内部放有高精度天平5d，并预留较大空间方便操作，盖板5b开有通气孔5c，以保持内外气压平衡。盖板中心设置窥视孔5g，用于放入坩埚1e。

本发明中定量评价除焦效率的方法如下：对电炉1加热然后保持在测试温度，并通过惰性气体管道1h持续通入惰性气体，炉膛1d内的气体从炉膛顶盖窥视孔1g溢出，待气体分析孔1i引出的气体经分析确定炉膛1d内部几乎没有氧气后，将装有与未燃尽炭混合的燃料灰坩埚1e从炉膛1d的上方通过炉膛顶盖窥视孔1g垂直放入恒温平台1c上进行预定时间的加热；选择测试除焦剂(有效化学成分含量c)放入除焦剂容器4a中，除焦剂由除焦剂定量可调配给装置4b经管道4i1抽入管道4i2中，流量计4c测出其流量，辅助计算机6控制除焦剂配给装置4b持续输出测试所需的除焦剂流量(qm,ch)；选择测试所需雾化介质(空气、水蒸气、等)由雾化介质供给装置4h流入管道4i3，流量计4g测得其流量(qm,g)，压力表4e测得其压力，辅助计算机6控制调节阀门4f来调节管道4i3中的压力和流量；之后除焦剂和雾化介质通过三通式混合装置4d经管道4i4送入炉膛，最终通过雾化喷嘴1j喷洒到坩埚1e中，使坩埚1e中的焦块发生爆裂；高速摄像装置3记录并分析坩埚1e内爆裂时的图像；然后对爆裂后从焦块上脱落的碎块及焦块进行称重；并对爆裂后从焦块上脱落的碎块进行微观分析；接着进行损耗评估，最终根据效果指标和经济性指标得出结论。

高速摄像装置3记录并分析坩埚1e内爆裂时的图像：计算机6控制调整高速摄像头3a在三维电动坐标平台3b的坐标至合适位置，记录焦块爆裂时的图像，在计算机6上通过图像处理软件处理、计算得到亮度指标l-时间t曲线及爆裂时间(t)、峰值亮度指标(lm)、平均亮度指标(lav)等。

对爆裂后从焦块上脱落的碎块及焦块进行称重：预先通过惰性气体管道5e向耐高温容器5a中持续通入惰性气体，气体分析装置5f检测内部的气体成分，确保内部几乎无氧气；爆裂结束后，打开窥视孔5g，将坩埚1e迅速取出放到耐高温抗氧化称量装置5的耐高温容器5a内，在惰性气体氛围中分别用高精度天平5d称量爆裂后从焦块上脱落碎块的质量m、及其与剩余焦块的质量和m，并得到除焦率ηm和化学有效除焦比ch。

对爆裂后从焦块上脱落的碎块进行微观分析：分析得到爆裂后脱落的碎块的含炭量mc，计算碎块含炭比cre、过程耗炭率π。

损耗评估：根据进入炉膛前雾化介质的比焓hg,1、吸热后雾化介质的比焓hg,2、进入炉膛前除焦剂稀释液的比焓hsol,1、吸热后除焦剂稀释液的比焓hsol,2、除焦剂定量可调配给装置工作时的实际功率p1、雾化介质供给装置工作时实际功率p2等数据可得到雾化介质比损耗eg、除焦剂稀释液比损耗esol、动力比损耗ep三种损耗。

效果指标如下：

峰值亮度指标lm：lm＝l(t)max；

平均亮度指标lav：

除焦率ηm：

过程耗炭率π：

经济性指标如下：

化学有效除焦比ch：

雾化介质比损耗eg：

除焦剂稀释液比损耗esol：

动力比损耗ep：

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。