一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置和方法，属于积灰防控技术领域。本发明的基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，包括高温炉膛、纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统，所述纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统分别用于向高温炉膛内部喷射纳米颗粒和微米飞灰，且其喷射方向相对设置。本发明的用于调控飞灰沉积层的方法，通过向高温炉膛内部通入纳米颗粒，使燃煤飞灰的表面包覆纳米颗粒，从而可以有效降低其表面粘性，并对飞灰沉积层的结构和组成进行调控，最终达到显著改善灰沉积问题的目的。

说明书

技术领域

本发明属于积灰防控技术领域，更具体地说，涉及一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置和方法，即主要应用于解决电厂锅炉换热面积灰和结渣的问题，同时适用其他相关的领域。

背景技术

高碱煤具有着火温度低、燃尽率高，燃烧经济性高，且污染物排放低等优点，是一种优良的动力用煤，符合我国节能减排的目标。但由于高碱煤具有灰中Na

目前关于控制高碱度沾污煤的灰沉积问题，主要包括以下几大研究方向：1)脱钠提质，即通过对准东煤进行某种预处理，从而降低煤中钠盐的含量，提高煤的品质。目前在研的脱钠方法，主要包括水洗，水热处理，微波处理，离子交换法和CO

如，中国专利申请号为2017112290742的申请案公开了一种基于颗粒冷凝的煤粉锅炉沾污结渣防控方法，该方法是将富含硅元素、铝元素的物料颗粒通过输送管道输送到锅炉炉膛内，并通过喷嘴将颗粒喷入锅炉炉膛上部烟气温度为900～1200℃的区域内，颗粒粒径控制在5～200μm，温度低于600℃。该申请案通过向锅炉炉膛内喷入低温颗粒，使烟气中碱金属蒸汽冷凝在低温颗粒上的方式，从而在一定程度上可对燃用含高碱金属燃料造成的锅炉沾污、结渣问题进行有效控制，该申请案的主要特点通过喷入低温颗粒来调控碱金属蒸汽的气化冷凝机制来改善灰飞灰的沉积，这与本专利的所提出的调控方法有显著区别。

又如，中国专利申请号为202010269862X的申请案公开了一种基于炉内分区控制的燃用高碱煤结渣沾污防控方法，该申请案包括以下步骤：1)将锅炉炉内按温度分为结渣区、严重沾污区、强沾污区以及一般沾污区；2)通过降低炉膛截面热负荷和燃烧器区域壁面热负荷参数，将结渣区控制在从燃烧器至燃尽风高度的区域，减少结渣区范围，缩小碱金属释放的温度窗口；3)通过降低炉膛容积热负荷参数，将严重沾污区控制在从燃尽风至炉膛出口的区域，在严重沾污区进行碱金属化合物的大量沉积；4)通过合理的受热面布置，将强沾污区控制在水平烟道区域，减少水平烟道受热面沾污概率；5)通过合理的受热面布置，将一般沾污区控制在尾部烟道区域。该申请案通过将锅炉按照不同分区进行温度和时间控制，从而实现Na最大化的在炉膛内捕捉，少量的Na通过主动清除，达到控制结渣、沾污的目的。这与本专利提出的调控方法也完全不同。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有技术难以有效解决高碱度沾污煤在燃烧利用过程中锅炉受热面出现的严重积灰问题的不足，提供了一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置和方法。本发明基于撞击流技术对高碱燃煤飞灰进行表面改性，从而可以有效解决高碱燃煤应用过程中的飞灰沉积问题，对于高碱燃煤的广泛应用具有重要的意义。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，包括高温炉膛、纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统，所述纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统分别用于向高温炉膛内部喷射纳米颗粒和微米飞灰，且其喷射方向相对设置。

更进一步的，所述的纳米颗粒喷射系统包括纳米颗粒喷管及纳米颗粒给料单元，所述的飞灰喷射系统包括飞灰颗粒喷管及飞灰给料单元，纳米颗粒喷管及飞灰颗粒喷管的出料端均伸入到高温炉膛内部且对冲设置。

更进一步的，所述纳米颗粒给料单元及飞灰给料单元均采用流化床给料装置，且对应的流化床给料装置分别与纳米颗粒喷管及飞灰颗粒喷管的进料端相连。

更进一步的，所述的纳米颗粒给料单元包括第一微型流化床，第一微型流化床通过第一柱塞泵与第一混料装置相连，第一混料装置用于对纳米颗粒和水进行搅拌混合；所述飞灰给料单元包括第二微型流化床，第二微型流化床通过第二柱塞泵与第二混料装置相连，第二混料装置用于对飞灰颗粒和水进行搅拌混合。

更进一步的，所述纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统均与喷吹气体供应单元相连。

更进一步的，所述喷吹气体供应单元包括空压机、流量控制装置和预热装置，空压机输出的气体经流量控制装置和预热装置后分别输送到纳米颗粒喷射系统、飞灰喷射系统及高温炉膛。

更进一步的，还包括积灰采样单元、烟尘处理单元及监测单元，其中，积灰采样单元采用可控温积灰采样探针，用于对炉膛内部的沉积灰进行采集；烟尘处理单元用于对高温炉膛产生的烟气进行冷凝、除尘和排放处理；监测单元包括高速摄像机，用于捕捉纳米颗粒及微米飞灰颗粒的运动轨迹。

本发明的一种调控飞灰沉积层的方法，向高温炉膛内部通入纳米颗粒，使高碱燃煤飞灰的表面包覆纳米颗粒。

更进一步的，所述的纳米颗粒采用SiO

更进一步的，通过撞击流的方式使高碱燃煤飞灰的表面包覆纳米颗粒。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，包括高温炉膛、纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统，通过向高温炉膛内喷射纳米颗粒，使飞灰颗粒的表面包覆有纳米颗粒，从而可以对飞灰沉积层的结构和组成进行调控，并降低其表面粘性，最终达到显著改善灰沉积问题的目的。

(2)本发明的一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，基于撞击流技术，采用纳米颗粒对飞灰进行表面改性处理，这种改性方法具有选择性，能有效降低高粘性飞灰的粘性，进而能够有针对性的对沉积灰进行调控。同时，本发明结合撞击流技术和流化床技术，建立了一套完整的测量技术系统，并通过积灰采样单元及监测单元的设置对飞灰改性效果进行监测和评价，因此采用该系统能够对不同条件(如气体流量、温度等)下纳米颗粒与飞灰之间的改性效果进行研究，以便更好地解决不同燃煤的积灰问题。同时该系统便于操作，能够有效提高效率。

(3)本发明的一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，其喷吹气体供应单元包括空压机、流量控制装置和预热炉，通过流量控制装置可以对空压机产生的气体流量进行控制，从而便于对输送至各处的气体流量进行调控，而通过预热装置的设置可以喷吹气体进行加热并对其温度进行调控。

(4)本发明的一种基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，不仅可以解决准东煤等高碱煤的开发利用问题，而且也利于其他领域的严重灰沉积问题的解决，有别于以往任何控制技术，展现出显著的创新性，具有进一步开发和应用的潜能，同时在操作、成本和效率上，更具有优势。

(5)本发明的一种调控飞灰沉积层的方法，通过采用纳米颗粒对飞灰颗粒进行改性处理，从而可以对飞灰沉积层的结构和组成进行调控，有效解决高碱煤粉燃烧应用时存在的积灰问题，而通过调节喷吹气体的流量和温度，从而可以有效保证飞灰颗粒的改性效果，满足不同种类煤的应用需求。

附图说明

图1为本发明的基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置的结构示意图；

图2为飞灰与纳米颗粒的撞击壁面的示意图。

图中标号说明：

1、第一混料装置；2、第一柱塞泵；3、第一微型流化床；4、高温炉膛；5、纳米颗粒喷管；6、飞灰颗粒喷管；7、第二微型流化床；8、第二柱塞泵；9、第二混料装置；10、预热装置；11、流量控制装置；12、空压机；13、可控温积灰采样探针；14、烟气冷却装置；15、除尘装置；16、引风机；17、高速摄像机。

具体实施方式

实施例1

基于准东煤等高碱煤应用时存在的锅炉受热面积灰问题，本实施例提出了一种调控飞灰沉积层的方法，该方法是通过向高温炉膛内部通入纳米颗粒，在高碱燃煤飞灰的表面包覆纳米颗粒，从而对飞灰颗粒进行改性处理。通过在高碱燃煤飞灰的表面包覆纳米颗粒，从而可以有效降低其表面粘性，同时对飞灰沉积层的结构和组成进行调控，最终达到显著改善灰沉积问题的目的。

实施例2

具体的，本实施例的调控飞灰沉积层的方法，采用撞击流技术使高碱燃煤飞灰的表面包覆纳米颗粒，所述纳米颗粒可根据情情况优选为SiO

实施例3

如图1所示，本实施例的基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，包括高温炉膛4、纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统，所述纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统分别用于向高温炉膛4内部喷射纳米颗粒和微米飞灰，且其喷射方向相对设置。具体的，纳米颗粒喷射系统包括纳米颗粒喷管5及纳米颗粒给料单元，飞灰喷射系统包括飞灰颗粒喷管6及飞灰给料单元，纳米颗粒喷管5及飞灰颗粒喷管6的出料端均伸入到高温炉膛4内部且相对设置。分别通过纳米颗粒给料单元及飞灰给料单元进行纳米颗粒及飞灰给料，纳米颗粒与飞灰分别通过纳米颗粒喷管5及飞灰颗粒喷管6对冲喷入高温炉膛4内部，从而基于撞击流技术实现飞灰颗粒的表面改性。

实施例4

本实施例的基于撞击流技术来调控飞灰沉积层的装置，其结构基本同实施例3，其区别主要在于：为了精确控制颗粒的浓度和保证长时间内稳定运行，本实施例中纳米颗粒给料单元及飞灰给料单元均采用流化床给料装置，且对应的流化床给料装置分别与纳米颗粒喷管5及飞灰颗粒喷管6的进料端相连。具体的，所述纳米颗粒给料单元包括第一微型流化床3，第一微型流化床3通过第一柱塞泵2与第一混料装置1相连，第一混料装置1用于对纳米颗粒和水进行搅拌混合；所述飞灰给料单元包括第二微型流化床7，第二微型流化床7通过第二柱塞泵8与第二混料装置9相连，第二混料装置9用于对飞灰颗粒和水进行搅拌混合，其纳米颗粒喷射系统和飞灰喷射系统均与喷吹气体供应单元相连，该喷吹气体供应单元一方面向流化床底部提供一次流化风，另一方面向喷管内部提供二次喷吹气流。

本实施例的喷吹气体供应单元包括空压机12、流量控制装置11和预热炉10，通过流量控制装置11的设置可以对输送至各处的气体流量分别进行控制，而通过预热装置10的设置可以对喷吹气体进行预热并对其温度进行调控。温度是影响颗粒黏附的一个重要因素，本实施例考虑了温度的影响，炉膛采用采硅碳棒进行加热，最高设计的温度控制在1300℃左右，在炉膛的上部有二次携带风经过预热后进入炉膛。

本实施例调控飞灰沉积层的装置还包括积灰采样单元、烟尘处理单元及监测单元，其中，积灰采样单元采用可控温积灰采样探针13，用于对炉膛内部的沉积灰进行采集。如图2所示，经过撞击流改性后的飞灰颗粒，将有三大类：完全没有或者极少被纳米颗粒包覆的颗粒(a)，完全或大部分被纳米颗粒包覆的颗粒(b)；极少量的纳米颗粒(c)。这些颗粒将会与壁面进行碰撞，沉积到壁面或反弹，这些颗粒由于表面特性的差异性，与壁面发生碰撞，沉积的倾向会有显著的不同，沉积灰的结构和组成也会有相应的变化。因此，在炉膛的下部水平放置一个可控温的积灰采样探针来收集沉积灰，从而可以用于评估不同撞击流条件下飞灰的沉积特性。烟尘处理单元(包括烟气冷却装置14、除尘装置15和引风机16)用于对高温炉膛4产生的烟气进行冷凝、除尘和排放处理；监测单元包括高速摄像机17，用于捕捉纳米颗粒及微米飞灰颗粒的运动轨迹。具体的，在喷管的侧面安装有观察窗口，以便于颗粒流动的测量，然后利用背光源和高速摄像机17组成测量系统，产生用于2D平面成像的窄景深，从而可以捕捉颗粒的运动轨迹。

本实施例的具体原理如下：纳米颗粒与水在第一混料装置1内通过磁力搅拌作用进行混合，飞灰颗粒与水在第二混料装置9内进行混合，然后分别通过第一柱塞泵2和第二柱塞泵8定量控制颗粒和水的混合物进入第一微型流化床3、第二微型流化床7内，少量的水会迅速蒸发，而纳米颗粒与飞灰颗粒在一次流化风的携带下分别进入纳米颗粒喷管5及飞灰颗粒喷管6，并在二次喷吹气流的作用下喷向炉膛内部，两个喷管中间某处会形成撞击面，在此区间内，微米颗粒与纳米颗粒剧烈碰撞。如图2所示，粘性高的颗粒将被纳米颗粒包覆，而粘性低的颗粒可能只是部分包覆或者没有纳米颗粒包覆，这样可以有效降低粘性高飞灰颗粒的沉积率，最终达到调控沉积层的目的。需要说明的是，目前为了简化说明，图1中仅采用两个喷嘴进行示意，但实际上根据需要，可以考虑更多的喷嘴以及更灵活的布置方式。影响纳米颗粒包覆效果的因素有很多，如纳米颗粒的种类、粒径和操作条件(如温度，速度和喷嘴的布置等)。由于不同燃煤产生飞灰颗粒的理化性质差别比较大，采用本实施例的装置可以对不同条件(不同温度、气体流量)下不同飞灰的改性进行模拟并对其改性效果进行监控，并根据实际效果来选择合适的纳米颗粒和最佳操作条件，从而为不同种类燃煤实际应用时的积灰提供可靠的防控依据。