本发明涉及煤电尾部烟道低温粘结性积灰检测，具体为一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统及方法。
背景技术：
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
2、燃煤发电机组(简称煤电)作为我国电力系统的“压舱石”和“稳定器”，其尾部烟道低温换热面会发生粘结性积灰和低温腐蚀，粘结性积灰是指烟气中的飞灰在受热面上因吸附、凝结等物理化学作用而形成的具有粘结性的灰层。这种积灰主要发生在锅炉尾部烟道受热面上，如空气预热器、省煤器等区域。低温腐蚀是指发生在锅炉尾部受热面的硫酸腐蚀现象。由于燃料中的硫在燃烧过程中生成二氧化硫，并进一步在催化剂作用下氧化成三氧化硫，三氧化硫与水蒸气结合形成硫酸蒸汽。当受热面壁温低于硫酸露点温度时，硫酸蒸汽会在壁面上凝结并产生腐蚀。粘结性积灰与低温腐蚀的过程复杂并且两者具有相关性，会制约煤电尾部烟道的安全，导致煤电需要大量的维护成本，甚至造成非计划停机。
3、针对上述问题，可以从酸凝结的影响因素以及凝结酸液与灰颗粒的耦合作用机理出发，以实验或是测试的方式尝试实现锅炉尾部积灰与腐蚀预测，例如，zl202110873554.2公开了一种基于酸-灰耦合作用机理的锅炉尾部积灰与腐蚀预测系统及方法，设计了模拟锅炉尾部换热设备局部温度的变温系统，形成了多测试元件变壁温诱导酸凝结的粘结性积灰与低温腐蚀的测试方法，建立宏观现象、传热性能以及取样表征测试三层次分析体系，所得结果可为锅炉运行调控优化提供数据支撑。
4、但是该系统存在以下缺点：积灰与腐蚀预测系统为现场实验测试，每次实验时间约为6～8小时，期间锅炉负荷、燃料成分、运行参数等参数在测试时间内很难保持不变，无法真实反映的单一变量对灰颗粒粘结演变的影响。其次，通过宏观现象、传热性能以及取样表征测试三层次分析体系分析整体积灰与腐蚀状态，实验结果仅能结合宏观现场和表征测试结果定性分析灰颗粒的粘结特性，很难实现定量分析，也几乎不可能准确判断灰颗粒的粘结演变过程。
5、针对现场实验难以满足定量分析粘结性积灰凝结酸液与灰颗粒的耦合作用机理的问题，现有技术zl202110495670.5公开了一种锅炉尾部烟气混合酸蒸汽凝结实验装置，模拟了烟气中混合酸凝结的过程，并可进行单一酸性气体的凝结特性实验以及不同影响因素下的动态特性试验，保证了数据测量准确性，为锅炉实际工程的低温腐蚀特性探究提供了可靠的实验数据基础。
6、但是该实验装置存在以下缺点：在进行模拟粘结性积灰的动态实验时，虽然按照煤电实际烟气环境中的烟气温度、酸蒸汽、水蒸气含量等参数进行设定，可以实现酸凝结与灰颗粒的定量调控，但反应过程只能通过设定凝结酸液与飞灰颗粒的反应时间，往往采用现场试验的时间。采用这种方式得到的酸-灰耦合作用量结果通常超过现场实验中粘结性积灰的酸-灰耦合作用量，无法判断灰颗粒的粘结演变现象。另外，采用微量给料机将飞灰颗粒投入到烟气中，近低温壁面边界层内烟气中飞灰颗粒与酸凝结发生耦合作用，部分发生酸-灰耦合作用的灰颗粒随烟气携带至尾部处理装置，而这部分含量不容易检测，也加剧了酸-灰耦合作用量的偏差。
技术实现思路
1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统及方法，可以定量调控以观测灰颗粒粘结演变过程。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、本发明的第一个方面提供一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，包括：
4、配气单元，用于提供实验烟气中的硫酸蒸汽、水蒸气以及所需的其他气体，并通过管道与烟气温度控制单元连接；
5、烟气温度控制单元，用于控制实验烟气的温度；
6、低温观测部分，具有模拟腔体，模拟腔体具有被观测的恒温壁面，恒温壁面上附着实验所需的灰颗粒，恒温壁面上设有与壁面恒温控制模块连接的循环管路；模拟腔体通过管道接收来自烟气温度控制单元的实验烟气，利用壁面恒温控制模块使被观测的恒温壁面维持在设定的温度范围；利用图像采集模块和图像放大模块获取恒温壁面上灰颗粒的形变、团聚和粘结演变情况，并通过数据采集单元采集相应的数据。
7、进一步的，还具有灰颗粒预处理单元，将预处理的特定灰颗粒在实验前放置在低温壁面，仅模拟低温壁面上的灰颗粒与混合酸液的耦合作用。
8、进一步的，配气单元包括硫酸蒸汽配气模块、含水量控制模块和其他气体配气模块。
9、进一步的，硫酸蒸汽配气模块包括驱动气源、流量计和硫酸标准溶液，驱动气源通过管道经流量计与装有硫酸标准溶液的容器连接，容器与烟气温度控制单元的气体入口连接，驱动气源送入到硫酸标准溶液液面以下，将硫酸蒸汽通过管道送入到烟气温度控制单元中。
10、进一步的，含水量控制模块包括驱动气源、流量计和装有水的容器，驱动气源通过管道经流量计与装有水的容器连接，驱动气源送入到水的液面以下，将水蒸气通过管道送入到烟气温度控制单元中；根据容器上设置的温控器，将设定温度的水蒸气送入到烟气温度控制单元中。
11、进一步的，其他气体配气模块包括气源和流量计，气源通过管道经流量计与烟气温度控制单元连接。
12、进一步的，烟气温度控制单元包括能够控制温度的加热炉，加热炉对实验所需的烟气进行加热，到达实验所需的温度(100-500℃)。
13、进一步的，壁面恒温控制模块包括温控器、冷凝器和恒温槽，恒温槽的冷却介质出口和入口分别连接循环管路，利用冷却介质将模拟腔体的壁面温度保持在所需的设定范围内(30-90℃)，形成恒温壁面(冷却介质进出口温度不超过0.5℃)，吸收热量后的冷却介质返回到恒温槽中。
14、进一步的，还具有尾气处理单元，用于处理实验期间的尾气，尾气处理单元包括流量计和装有碱溶液的容器，利用碱溶液吸收模拟腔体输出的烟气。
15、本发明的第二个方面提供一种灰颗粒粘结演变微尺度实验方法，包括以下步骤：
16、根据实验需求，定量调配灰颗粒特性，将灰颗粒放置在恒温壁面上获取初始形貌；
17、利用烟气温度控制单元设定加热温度，达到设定温度后(100-500℃范围内)，利用其他气体排除系统中的空气；
18、根据实验需求，设定流量和温度的硫酸蒸汽、水蒸气和其他配气混合，经烟气温度控制单元升温后，送入模拟腔体中；
19、利用壁面恒温控制模块使被观测的恒温壁面维持在设定的温度范围(30-90℃范围内)，模拟腔体内的酸性气体和水蒸气发生酸凝结，恒温壁面上的灰颗粒与凝结酸液发生耦合作用，引发灰颗粒形变、团聚和粘结演变现象；
20、利用图像采集模块和图像放大模块获取被观测的恒温壁面上附着灰颗粒的粘结演变特性，并通过数据采集单元采集灰颗粒的形变、团聚和粘结演变情况对应的数据。
21、进一步的，实验结束，利用尾气处理单元处理配气单元、烟气温度控制单元和模拟腔体中残留的尾气。
22、与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
23、1、针对现有技术zl202110873554.2中积灰与腐蚀预测现场实验测试期间运行工况不可控，无法真实反映单一变量对灰颗粒粘结演变的影响，难以实现定量分析，以及zl202110495670.5中模拟粘结性积灰动态实验的反应时间往往按照现场实验时间进行设定，酸-灰耦合作用量结果通常超过现场实验中粘结性积灰的酸-灰耦合作用量的缺点，本发明通过构建灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，通过图像采集模块与图像放大模块的配合，观测恒温壁面颗粒物形变、团聚、粘结演变特性，实时拍照与气体含量、温度等数据采集，通过粘结演变特性对比，结合实时采集的实验工况各参数数据(如酸蒸汽含量、水蒸气含量、壁面温度、烟气温度等)，得到粘结性积灰中灰颗粒与凝结酸液的耦合作用量。本结构克服了现有技术缺点，实现了灰颗粒与凝结酸液耦合作用的定量精准预测。
24、2、选取飞灰颗粒的微尺度形变特性作为研究对象，在模拟腔体中定向调控烟气气氛、烟气温度、受热面反应温度、灰颗粒特性等参数，动态模拟灰颗粒的粘结演变过程。本发明在满足燃煤锅炉尾部复杂烟气成分和飞灰颗粒特性的基础上，采用恒温壁面模拟煤电尾部烟道的低温换热面，将预处理的特定灰颗粒在实验前放置在低温壁面，仅模拟低温壁面上的灰颗粒与混合酸液的耦合作用。该结构可以忽略烟气中飞灰颗粒与低温壁面酸凝结的耦合作用过程，克服现有技术zl202110495670.5中采用微量给料机将飞灰颗粒投入到烟气中，部分发生酸-灰耦合作用的灰颗粒随烟气携带至尾部处理装置，导致酸-灰耦合作用量过大的缺点，实现酸-灰耦合作用量的精准测量。
25、3、可以根据煤电尾部烟道实际工况模拟烟气环境，定量调控烟气温度、酸性气体含量、种类、水蒸气含量等，对不同壁面温度下混合多元酸蒸汽凝结下的灰颗粒粘结演变特性进行仿真，可以模拟仅改变酸凝结工况导致的特定灰颗粒粘结演变，可以进行单一水凝结，可以进行单一酸凝结(硫酸)，也可以通过改变酸蒸汽种类、水蒸气含量、壁面温度和烟气温度等参数模拟多元酸凝结。
26、4、可以进行灰颗粒不同影响因素(有无颗粒、化学成分、粒度)下的动态粘结性演变特性试验，通过控制颗粒化学成分、粒度分布、掺混比例等配置特定灰颗粒，模拟电厂取不到灰的情况；无颗粒物的实验工况，可以得到单一酸凝结或混合酸凝结特性随烟气温度、壁面温度、酸性气体含量、水蒸气含量的变化曲线；不同化学成分灰颗粒的实验工况，可以得到粘结性积灰演变特性随颗粒物化学成分和酸凝结耦合作用的变化趋势，为阐释灰颗粒与凝结酸液的化学作用奠定基础；不同粒度分布灰颗粒的实验工况，可以得到粘结性积灰演变特性随颗粒物化学成分和酸凝结耦合作用的变化趋势，为阐释灰颗粒与凝结酸液的化学作用奠定基础；为煤电尾部换热设备实际工程的粘结性积灰特性探究提供可靠的试验数据基础。
1.一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，还具有灰颗粒预处理单元，将实验所需的灰颗粒预先放置在模拟腔体的恒温壁面上，利用图像采集模块和图像放大模块获取恒温壁面上灰颗粒的初始形貌。
3.如权利要求1所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，所述配气单元包括硫酸蒸汽配气模块、含水量控制模块和其他气体配气模块。
4.如权利要求2所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，所述硫酸蒸汽配气模块包括驱动气源、流量计和硫酸标准溶液，驱动气源通过管道经流量计与装有硫酸标准溶液的容器连接，容器与烟气温度控制单元的气体入口连接，驱动气源送入到硫酸标准溶液液面以下，硫酸蒸汽通过管道送入烟气温度控制单元中。
5.如权利要求2所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，所述含水量控制模块包括驱动气源、流量计和装有水的容器，驱动气源通过管道经流量计与装有水的容器连接，驱动气源送入到水的液面以下，水蒸气通过管道送入到烟气温度控制单元中；根据容器上设置的温控器，将设定温度的水蒸气送入烟气温度控制单元中。
6.如权利要求2所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，所述其他气体配气模块包括气源和流量计，气源通过管道经流量计与烟气温度控制单元连接。
7.如权利要求1所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，所述烟气温度控制单元包括能够控制温度的加热炉，加热炉对实验所需的烟气进行加热，到达实验所需的温度。
8.如权利要求1所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，所述壁面恒温控制模块包括温控器、冷凝器和恒温槽，恒温槽的冷却介质出口和入口分别连接循环管路，利用冷却介质将模拟腔体的壁面温度保持在所需的设定范围内，形成恒温壁面，吸收热量后的冷却介质返回到恒温槽中。
9.如权利要求1所述的一种灰颗粒粘结演变微尺度实验系统，其特征在于，还具有尾气处理单元，用于处理实验期间的尾气，尾气处理单元包括流量计和装有碱溶液的容器，利用碱溶液吸收模拟腔体输出的烟气。
10.基于权利要求1-9任一项所述系统进行灰颗粒粘结演变微尺度实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
