流化床垃圾焚燒爐飛灰沉積實驗

唐智，陳曉平，劉道銀，梁財，馬吉亮

（東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京210096）

垃圾焚燒與傳統的填埋和堆肥法相比，具有減容、減量和能量回收等顯著優點，隨著垃圾焚燒技術的不斷提高，垃圾焚燒處理已逐漸成為我國大部分城市特別是東南沿海發達地區的主要垃圾處理方式[1]。我國目前的垃圾焚燒廠以機械爐排焚燒爐和流化床焚燒爐為主。循環流化床燃燒方式由于具有良好的燃料適應性、有利于污染物控制等優點在垃圾焚燒處理中占有越來越大的比重[2]。

垃圾焚燒爐受熱面積灰現象較普遍，關于垃圾焚燒積灰的機理研究及防治措施正逐漸引起國內外學者的重視，相關的研究報道也越來越多。積灰的生成會使受熱面傳熱效率降低，排煙溫度升高，鍋爐效率降低，加劇受熱面腐蝕，縮短受熱面壽命，嚴重時積灰會造成部分受熱面之間煙氣通道堵死，嚴重影響鍋爐正常運行[3-4]。

在爐排爐垃圾焚燒爐積灰研究方面，閻常峰等[5]發現對流受熱面積灰中鈣和硫的含量突出，堿金屬含量較高；垃圾灰中的低熔點共熔體物質含量較多。吳永新[3]研究表明對流受熱面的積灰為Ca-S型燒結性積灰，過高煙氣溫度將造成CaSO4和鈣的硅酸鹽等表面產生熔融相，加速積灰的燒結固化速度。Frandsen 等[6]通過對實爐取樣的灰研究發現從積灰內層到外層，Ca、Cl、Si的含量逐漸增加，而S、K、Zn的含量則逐漸減少，外層積灰燒結嚴重。Phongphiphat等[7]研究表明過熱器積灰中S的含量較高，各受熱面區域積灰中均存在較高比例的堿金屬物質。

在流化床垃圾焚燒爐積灰研究方面，許明磊[8]研究實爐取樣的積灰特性，發現受熱面燒結積灰主要由細顆粒熔融團聚而成；煙氣溫度越高，燒結積灰結構越致密。形成燒結積灰的主要元素是Ca、S等，燒結積灰的物相組成主要是CaSO4，還有少量低熔點的鈣的硅酸鹽。李清海等[9]通過研究在過熱器區域布置積灰實驗采樣管得到的積灰，發現高溫過熱器積灰層的顆粒排列緊密，物相組成為CaSO4、石英、SiO2、Ca2SiO4等，積灰主要是由黏結性顆粒撞擊管壁所致。Tang等[10]采用自行設計的積灰采樣系統，在實爐中研究不同管壁溫度下對流受熱面積灰的形成機理表明：當降低表面溫度到500℃或升高表面溫度到700℃時，積灰速率均增加，在560℃工況下，積灰速率最低；管壁溫度越高，Ca 元素含量越低，而Al、Si、K 和Na 元素含量越高。

飛灰在受熱面上的沉積是復雜的物理化學過程，灰沉積不僅與燃燒方式、燃料特性、飛灰特性有關，還受到管壁溫度、煙氣溫度場和流場、爐膛結構等其他因素的影響[4]。實爐取樣的積灰樣品一般都在受熱面長時間積累而成，形成過程中焚燒爐負荷、燃料特性和受熱面溫度條件均發生波動，難以精確控制積灰形成的溫度和氣氛等參數。利用小型試驗裝置便于針對單一參數開展沉積試驗，但目前利用這種方式研究垃圾飛灰沉積規律的報道較少。張軍等[11]利用小型流化床研究煤摻混垃圾燃燒時受熱面的積灰，結果表明積灰量隨煙氣溫度降低而減少，隨著混合燃料中垃圾含量及硫含量的增加而減少。但是該研究采用無冷卻的陶瓷探針，且燃料采用煤和自行配比的垃圾，與實際受熱面真實環境存在一定差異。

本文在自行搭建的小型流化床積灰試驗臺上，選用停爐后受熱面區域的松散性積灰，更接近實際同時更有代表性，選用高熔點的三氧化二鋁為床料，能有效減少床料對實驗結果的影響。本文在分析不同粒徑浮灰理化特性的基礎上，研究浮灰粒徑、煙氣溫度和換熱管表面溫度單一因素對飛灰沉積的影響。期望通過研究進一步揭示垃圾流化床焚燒爐過熱器的積灰機理，對城市垃圾流化床焚燒技術的發展和完善起到一定的理論指導作用。

1 實驗材料、系統及方法

1.1 材料

實驗用浮灰取自浙江省某75t/h 循環流化床垃圾焚燒爐。該焚燒爐燃料為生活垃圾和煤，其中煤摻燒比例約為20%，采用氣力輸送粉末狀的石灰石至爐內脫硫。入爐煤和混合垃圾灰的組分分析見表1，從表中可以看出煤灰和混合垃圾灰中Si和Al含量較高，Ca 和S 含量較低。爐膛溫度在850～950℃，對流管束區域煙氣溫度550～750℃，該鍋爐使用半干法煙氣脫硫及布袋除塵器。在鍋爐停爐后取對流管束區域的松散性浮灰，這部分浮灰來自于煙氣沖刷受熱面在成灰過程中形成的細灰。將浮灰放置于105℃的烘箱中烘干24h，灰樣取出后冷卻至室溫，用振動篩分儀進行篩分成如下五檔粒徑：0～45μm，45～80μm，80～150μm，150～250μm，0～250μm，依次標注為CF1～CF5。

表1 入爐煤和混合垃圾灰組分分析

選用三氧化二鋁為床料（α-Al2O3含量為99.99%），床料顆粒密度為3600kg/m3，粒徑范圍0.4～0.6mm，平均粒徑0.5mm。選用該床料是因為氧化鋁是一種高硬度的化合物，熔點為2054℃，沸點為2980℃，在試驗過程中不會發生熔融或團聚。

1.2 鼓泡流化床實驗系統

鼓泡流化床實驗系統如圖1所示，系統主要包括供氣系統、氣體預熱器及其溫控系統、鼓泡床反應器、床體加熱器及其溫控系統、積灰采樣系統、給料系統以及數據采集系統等。N2和CO2由鋼瓶氣提供，空氣由空氣壓縮機提供。鼓泡流化床本體內徑0.08m，高1.3m，由1Cr18Ni9Ti 鋼管加工而成，床體外設鑄銅電加熱器和保溫層。反應器頂端為積灰采樣段，內徑0.05m，高0.2m。流化床本體和積灰采樣段用大小頭連接。

圖1 流化床飛灰沉積實驗系統

圖2 積灰采樣管結構

在積灰采樣段中心位置布置積灰采樣管，如圖2 所示。采樣管長度為405mm，采用外徑為18mm的1Cr18Ni9Ti鋼管制成，在采樣管頂端布置有兩個K 型熱電偶（T1 和T2）。采樣管內部嵌套外徑為10mm的不銹鋼管，通過調節壓縮空氣量實現對采樣管表面溫度的控制。采樣片采用可快速拆卸的金屬半圓環，半圓環的外徑為18mm，長40mm，材質為15CrMoG。兩半圓環緊貼采樣管壁面。

實驗開始前將床料從爐膛頂部加入爐內，靜止床高為0.4m。當爐膛溫度達到指定溫度后，將積灰采樣管插入積灰采樣段，同時調節壓縮空氣流量，使采樣管達到設定溫度。實驗結束后將采樣管小心退出煙道，待采樣管冷卻至室溫后將兩片采樣片取下并保存，用于后續的各種分析。

實驗過程中控制爐膛煙氣溫度在850℃左右，床料的臨界流化風速為0.3m/s，標態下的表觀氣速為0.26m/s。為模擬實際過熱器區域煙氣，由螺旋給料機控制浮灰質量流量為0.223kg/h，對應標態下煙氣含塵濃度0.047kg/m3。

1.3 樣品分析測試方法

采用英國Malvern 公司的Master-sizer2000型激光粒度分析儀對實爐取樣得到的浮灰樣品進行粒度分析。利用Ultra Plus 型掃描電子顯微鏡和能譜儀對浮灰和積灰采樣片上積灰的晶相組成和微觀形貌進行分析。采用ARL9800XP+型X射線熒光光譜儀對積灰組分進行分析。

2 實驗結果與討論

2.1 浮灰的粒度分布及成分

對流管束浮灰（CF）的粒徑分布如圖3 所示，從圖中可以發現絕大部分浮灰的粒徑位于0～50μm之間。其中小于1μm的亞微米級顆粒所占的質量份額為3.5%，1～10μm的微米級顆粒在CF 中所占的質量份額為18.47%。該浮灰的平均粒徑為26.16μm。粒徑分布結果與許明磊[8]的研究基本一致。

圖3 對流管束浮灰粒徑分布

利用XRF分析不同粒徑浮灰的化學成分如圖4所示，浮灰主要成分CaO、SiO2、Al2O3和SO3。隨著粒徑增加，飛灰中CaO 和SO3含量逐漸降低，而SiO2和Al2O3的含量逐漸增加。其中SiO2和Al2O3的總含量在CF4 中超過50%。小粒徑浮灰中的高鈣、硫和低硅、鋁特性主要是因為流化床中爐內鈣基脫硫劑的平均粒徑較小，這些細小的CaO顆粒經過與煙氣長時間的硫酸鹽化和高溫燒結作用，容易在飛灰中富集；而來自燃料中的高硅高鋁的硬質顆粒尺寸較大，且難以分解。

圖4 不同粒徑浮灰的化學成分

從圖4 中還可以看出堿金屬Na 和K 以及鹵素Cl 的含量在粒徑較小的浮灰中含量較高。有研究表明，垃圾中的Na、K 含量與Cl 關系密切，一部分以原生氯化物的形式存在于垃圾中，有的可能會在燃燒過程中與Cl 結合，通常以NaCl、KCl 和CaCl2等形式存在[12-13]。堿金屬及堿土金屬氯化物的熔點大多在700～800℃，在爐內高溫環境下一般以氣態分布在煙氣中，容易在煙道內冷凝后吸附至飛灰結構體上，從而在受熱面沉積。由于小粒徑的浮灰顆粒具有更大的比表面積，其吸附冷凝的氯化物能力更強，從而導致其堿金屬氯化物含量較高。

2.2 浮灰粒徑和煙氣溫度對積灰的影響

本文在進行積灰實驗時采用4種不同粒徑的浮灰，粒徑范圍分別為0～45μm、0～80μm、0～150μm 和0～250μm，浮灰特性見2.1 節。根據實際鍋爐過熱器區域的煙氣溫度和工質溫度，采樣管管壁溫度控制在550℃，采樣管附近煙氣溫度分別為650℃和850℃，采樣時間為4h。試驗結束后，收集選用0～45μm 和0～250μm 粒徑實驗工況下布袋除塵器中的浮灰（分別標記為CF1S 和CF5S），通過對比分析發現原浮灰經過二次加熱后在組分上變化不大，見表2。

圖5為不同工況下積灰量的結果。從圖中可以看出，煙氣溫度越高，積灰量越大；浮灰粒徑范圍越大，積灰量越小。粒徑對灰沉積影響作用顯著，大粒徑灰顆粒難沉積而小粒徑灰粒易沉積。這是因為當浮灰粒徑較大時，浮灰顆粒動能更大，與采樣管表面碰撞后更容易發生反彈；此外大粒徑浮灰的侵蝕作用會阻礙積灰的生長。而小粒徑的浮灰，除受到慣性碰撞外還會受熱泳、湍流、擴散的影響，更容易在這幾種機制的共同作用下沉積形成積灰。此外細灰顆粒由于因在輸運過程中容易發生黏附從而形成的復雜空間結構，其表面積比粗顆粒大，粗糙程度較高，更容易采樣管表面沉積。

表2 布袋除塵器中浮灰與原灰樣的組分對比

圖5 積灰質量隨煙氣溫度和飛灰粒徑分布的變化

圖6 為3 種不同工況下積灰樣品的表觀形貌，從圖中可以看出積灰由細顆粒物團聚形成；組成積灰的顆粒物大多呈不規則形狀，少量顆粒物呈球形。隨著原始浮灰粒徑范圍的增大，積灰中大顆粒數目增多。浮灰粒徑為0～250μm工況下，積灰中甚至出現了100μm左右的不規則顆粒物［圖6(c)］。圖6中1～8點X 射線電子能譜分析結果見表3，大顆粒1～3 點的主要元素為Ca、S 和Si；4～7 點主要元素為Al和Si。

表3 圖6中1～8各點的主要元素

圖7 給出了圖6 中第6 點處的能譜圖，從圖中可以明顯看出該點除Al 和Si 兩種主要元素外，還有少量Ca、S、K、Mg、Na和Fe等元素。在第6點大顆粒周圍，存在很多細小的Ca 和S 的化合物的聚集。

圖6 不同工況下積灰表觀形貌

圖7 圖6中第6點的能譜圖

圖8 不同工況下積灰的化學成分

利用XRF分析6種不同工況下沉積物的化學成分，結果見圖8。從圖中可看出積灰中均富含Ca、S、Si 和Al，并有少量的Na、K、Mg 和Fe 等元素。將積灰化學成分與原始灰組成（圖4）作比較發現，積灰中CaO 和SO3含量比浮灰高，而Al2O3和SiO2含量比飛灰低。表明浮灰的沉積具有選擇性，流化床垃圾焚燒爐受熱面積灰類型為Ca-S 型，這一現象在吳永新[3]、許明磊[8]和張軍等[11]的研究中均有報道。從圖中還發現，CaO 和SO3的含量隨著浮灰粒徑范圍增大而降低，而Al2O3和SiO2的含量則表現出相反的趨勢。這是因為粒徑范圍較小的原始浮灰中Ca 和S 含量較高而Al 和Si 含量較少，造成富含Ca 和S 的物質在采樣管表面沉積概率更高。此外含Si、Al 較多的浮灰顆粒一般粒徑和硬度較大，其黏附性較差，沉積率較低。

受熱面的積灰是多種沉積機理綜合作用的結果，飛灰的沉積主要取決于飛灰顆粒在煙道內的輸運方式，而顆粒的輸運又受到含灰流場的濃度梯度、溫度梯度、速度場和電磁場等外部條件的影響[12-14]。粒徑在10μm 以上顆粒受慣性碰撞作用明顯；而0.5～5μm 之間的顆粒在流場溫度梯度等產生的熱泳力作用下容易在受熱面沉積；對于小于1μm 的亞微顆粒，容易在布朗運動作用下被輸送擴散到受熱面從而沉積[13]。本實驗中選用的浮灰大部分顆粒（超過80%）粒徑大于10μm，這部分顆粒將與采樣管表面發生慣性碰撞從而沉積。根據Kern-Seaton 顆粒沉積理論[15]，受熱面積灰是由兩個相反過程共同作用的結果：一方面，煙道中的懸浮顆粒在慣性力、熱泳力或布朗運動等的作用下被輸運至受熱面附近，并沉積黏附于受熱面；另一方面，受熱面上已沉積顆粒受到來流顆粒的沖擊而剝離脫落。實際的受熱面積灰隨時間的變化是以上兩種現象疊加的結果。本實驗中浮灰粒徑范圍越大，大顆粒對采樣管表面的沉積物的沖刷更強烈，引起更多的沉積物被剝離脫落后重新回到煙氣中，造成積灰量越少。

2.3 采樣管表面溫度對積灰的影響

圖9顯示了不同工況下積灰量的結果，從圖中可以看出，積灰量隨煙氣溫度和管壁溫度而發生變化。積灰量并不是隨著管壁溫度增大而增大的，管壁溫度在600℃時，積灰量最小，這一結果與文獻中在工業規模垃圾流化床中得到的實驗結果[10]一致。

圖9 不同管壁溫度下積灰質量

圖10 為掃描電鏡得到的煙氣溫度為850℃時，4種不同管壁溫度下積灰樣品的表觀形貌。從圖中可以看出，不同管壁溫度下的積灰均由大量細顆粒物團聚形成。這些細顆粒物主要包括球形浮灰、塊狀浮灰和小粒徑浮灰。此外在管壁溫度較高的情況下，由于積灰燒結程度更高，積灰層中出現少量球形顆粒物［圖10(d)］。

8個工況下沉積物的化學成分見圖11。從圖中可以看出所有積灰中都富含Ca、S、Si 和Al 元素，并含有少量的Na、K、Mg 和Fe 等元素。CaO 的含量隨著管壁溫度升高而減少，而Al2O3和SiO2的含量隨著管壁溫度升高而增加。將積灰化學成分與原始浮灰組成作比較發現，積灰中CaO和SO3含量比浮灰高，而Al2O3和SiO2含量比浮灰低。

圖10 不同管壁溫度下積灰的微觀形貌

500℃管壁溫度下積灰量最高，推斷主要原因是較低的管壁溫度利于處于氣相或液相的成灰物質冷凝；此外在較低管壁溫度下，由于更大的流場溫度梯度造成細顆粒在更大熱泳力的作用下在采樣管表面沉積。一個證據是從圖11中500℃積灰中K和Cl的含量最高，Na的含量較高。Lindberg等[16]采用FactSage 軟件對K+、 Na+、 Ca2+//Cl-、 SO42-混合系統下的各物質形態及分布進行熱力學平衡模擬計算的研究表明，在最低591℃溫度下就存在低熔點物質，并且隨著溫度升高，低熔點物質逐漸增多。富含K、Na、Cl等物質的堿金屬化合物容易形成低溫共熔體，其中部分化合物甚至處于熔融態，這部分物質更容易隨著煙氣的運動黏附在采樣管表面形成積灰。

圖11 煙氣溫度為850℃不同管壁溫度下積灰的化學成分

650℃管壁溫度下積灰量較高，推斷主要因為較高的管壁溫度可以使更大比例的浮灰顆粒處于熔融狀態，增加了采樣管積灰表面的黏性。當煙氣中的大粒徑浮灰與管壁發生碰撞時，被捕集的概率更大。由于管壁溫度提高，與煙氣溫差降低使熱泳力變弱，從而抑制了浮灰中細顆粒的沉積。

3 結論

（1）利用XRF 分析不同粒徑浮灰的主要化學成分為CaO、SiO2、Al2O3和SO3。隨著粒徑增加，浮灰中CaO和SO3含量逐漸降低，而SiO2和Al2O3的含量逐漸增加；堿金屬Na 和K 以及Cl 的含量在粒徑較小的浮灰中含量較高。

（2）不同粒徑浮灰的沉積實驗結果表明：浮灰粒徑范圍越大，積灰量越小。積灰中CaO 和SO3的含量隨著浮灰粒徑范圍增大而越高，而Al2O3和SiO2的含量則表現出相反的趨勢。

（3）積灰量并不是隨著管壁溫度增大而增大的，管壁溫度在600℃時，積灰量最小。若能有效控制管壁溫度，對減輕受熱面積灰、提高焚燒爐熱利用率將有積極的作用。