富氧燃燒顆粒物生成和灰沉積特性研究進展

王越明，劉慧敏，仇興雷，段倫博

(1.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；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，報告顯示2018年我國煤炭的消費量為38.5億t，占我國能源消費總量的59%[2]。在可預見的未來，以煤為主的化石燃料仍將在我國能源結構中占有較高比例，而化石燃料是溫室氣體CO2的主要來源。我國在2016年成為《巴黎協定》締約國，此項協議致力于將全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2 ℃以內，并盡力將溫度上升幅度控制在1.5 ℃以內。為了達到這一目標，我國承諾要在2030年左右使CO2排放達到峰值，并在2060年前實現二氧化碳“凈零”排放。燃煤電廠是我國主要的CO2排放來源，因此燃煤電廠在未來可能會被要求整改具備碳捕集和封存的能力，從而達到減少碳排放的要求。

燃煤電廠的碳捕集技術主要分為3種：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒。其中富氧燃燒具有相對成本低、易規模化和可改造存量機組等優勢，具有較好的工業應用前景。20世紀80年代，美國阿貢國家實驗室研究表明，常規鍋爐進行適當改造即可進行富氧燃燒制備高純度的CO2[3]。富氧燃燒主要技術路線是通過空分裝置制備高純度O2，然后與一定比例循環煙氣(主要成分是CO2)混合作為氧化劑以替代空氣。由于空氣中大量N2被提前分離，煙氣經干燥后CO2濃度理論上可達到95%以上，經過進一步壓縮和純化后可直接封存或資源化利用。

近年來隨著國內外對碳排放的進一步約束，富氧燃燒方面研究顯著增多，研究方向不斷拓寬[4-10]。我國目前富氧燃燒領域的研究成果豐富，包含鍋爐燃燒特性[11-13]、傳熱特性[14-16]、污染物排放[17-19]、仿真模擬[20-22]、工業應用示范[23-24]等領域。目前已有大量文獻綜述討論了不同階段富氧燃燒技術的研究進展，Buhre等[25]綜述了鍋爐改造方案、中試試驗進展、未來研究方向；Normann等[26]綜述了富氧燃燒中NOx生成及控制手段；Toftegaard等[27]綜述了富氧燃燒的鍋爐改造方案、燃燒機理、污染物排放、灰沉積；Chen等[9]綜述了燃燒機理、污染物排放、灰沉積、系統穩定性、仿真模擬；Stanger等[28]綜述了富氧燃燒中SOx生成及其對煙氣凈化和壓縮的影響；鄭楚光等[29]綜述了國內富氧燃燒基礎研究和示范試驗研究；Liu等[30]綜述了加壓流化床富氧燃燒和其他新型流化床富氧燃燒。但針對具有高溫或增壓特性的第2代富氧燃燒技術討論較少，尤其近幾年第2代富氧燃燒相關研究取得了一些階段性突破。本文將對富氧燃燒過程中顆粒物生成和灰沉積特性進行綜述，重點討論第2代富氧燃燒技術背景下氧濃度、壓力及燃料特性的影響機理，并進一步探討未來有關富氧燃燒中顆粒物和灰沉積的研究方向。

1 富氧燃燒中顆粒物排放特性

1.1 顆粒物生成機理

顆粒物是煤燃燒過程產生的主要污染物之一，大量文獻討論了燃燒過程中顆粒物的生成機理[1,31-32]。PRB煤在空氣和富氧燃燒工況下顆粒物的粒徑分布如圖1所示，燃燒過程中顆粒物粒徑分布主要為三模態，根據粒徑大小依次為納米顆粒<0.1 μm的超細模態(nucleation mode)、亞微米顆粒0.1～1 μm的細模態(accumulation mode)、微米顆粒1～10 μm的粗模態(fragmentation mode)。雖然有研究觀測到了三模態分布[33-35]，但超細模態和細模態的粒徑差異有時較小，其峰形會產生一定程度的重合，因此有些研究只觀測到雙模態分布[36-39]。

圖1 PRB煤在空氣和富氧燃燒工況下顆粒物的粒徑分布[35]

圖2 煤燃燒過程中顆粒物的生成機理[1]

1.2 燃燒氣氛對顆粒物生成特性的影響

關于燃燒氣氛的影響，Suriyawong等[40]對比了PRB煤的空氣燃燒和20% O2/80% CO2富氧燃燒(簡稱OXY20，下同)，研究發現由于OXY20的火焰溫度較低，各元素在亞微米顆粒中的產率低于空氣燃燒(尤其是Mg、Fe、Ca、Ba)，且亞微米顆粒的平均粒徑更小。Sheng等[41]研究也得到了相似的結果，但這種差別會隨著氧氣濃度的增高而變小。Jia等[42]在沉降爐上對3種煤分別進行了N2/O2和CO2/O2兩種氣氛下的試驗，O2濃度為21%和31.5%。發現燃燒氣氛對顆粒物生成的影響并不顯著，而溫度升高則會顯著提高亞微米顆粒物的產率。Lei等[43]在沉降爐上研究了煤焦富氧燃燒中顆粒物生成特性，發現與空氣燃燒相比，OXY21、OXY27、OXY33超細顆粒(PM0.1)質量濃度分別降低了80.9%、76.58%、14.31%。張利琴等[44]發現盡管富氧OXY27工況中生成的超細顆粒平均粒徑小于空氣燃燒，但質量濃度較為接近。Li等[45]在25 kW煤粉爐上對比了空氣燃燒和富氧燃燒OXY30工況，研究發現即使2種工況下爐膛內溫度相似，OXY30中生成的顆粒物比空氣燃燒更多。認為即使在溫度相似的情況下，富氧燃燒中高濃度CO2會促進焦炭表面CO的生成，從而促進灰分揮發，因此會有更多亞微米顆粒物生成。Yu等[34]在100 kW煤粉爐上對比了3種煤粉的空氣燃燒和富氧燃燒(OXY27和OXY32)，結果發現OXY27/OXY32和空氣燃燒有相似的顆粒物排放特性。綜上所述，之前研究結果存在一定的矛盾性，一種可能原因是空氣燃燒和低氧氣濃度(<33%)富氧燃燒的火焰溫度差別并不顯著，其對顆粒物生成特性的影響可能并不顯著，且試驗中可能存在系統誤差和隨機誤差，造成了研究結果的差異性。

圖3 PRB煤在空氣和富氧燃燒工況下生成的顆粒物中Si、Na、S含量隨粒徑的分布[35]

Liu等[48]模擬了煤在不同氧氣濃度下亞微米顆粒的形成過程，探討了納米凝結核(～2 nm)之間通過布朗運動發生碰撞凝聚成亞微米顆粒過程，通過模擬和試驗結果對比，揭示了亞微米顆粒的凝聚機理，認為亞微米顆粒主要在緊靠燃料顆粒的邊界層內快速碰撞凝并而成，而非擴散到燃燒室大空間內進行碰撞凝并，且這一邊界層的厚度隨著氧氣濃度的改變而變化。在OXY70中邊界層厚度等于燃料半徑rp，而在OXY27中邊界層厚度僅約為0.19rp(圖4)。這一結果表明氧氣濃度更高的情況下，亞微米顆粒生成的擴散空間更大，具體原因還需進一步探索。Niu等[49]模擬了焦炭在空氣和富氧OXY27工況下燃燒過程中超細顆粒生成的動力學模型，模擬結果發現空氣燃燒中有更多的灰分揮發形成凝結核，但空氣燃燒中凝結核碰撞系數更小，因此最終模型預測生成的超細顆粒平均粒徑小于OXY27工況。

Hu等[39]研究了SO2對生物質富氧燃燒中顆粒物生成特性的影響，發現氣氛中SO2濃度升高使亞微米顆粒粒徑增大。這是因為SO2濃度升高，有更多K2SO4(g)生成，且凝結速度快，利于結晶核的后續生長。Gao等[50]利用激光檢測手段測量了富氧燃燒早期階段生成的SiO(g)濃度，發現氣氛中水蒸氣濃度從0升至14%時，焦炭附近SiO(g)濃度從0.5×10-6升至1.6×10-6。這是因為即使火焰溫度隨水蒸氣濃度升高而降低，但仍有更多H2在焦炭表面生成，更多的無機氧化物在焦炭表面被H2還原揮發。

1.3 燃料特性對顆粒物生成特性的影響

不同燃料在粒徑和灰分組成等方面存在差異，因此富氧燃燒下顆粒物的生成特性有所不同。關于粒徑的影響，Liaw等[51]研究了3～60、60～90和120～150 μm三種不同粒徑生物質焦炭在空氣燃燒和富氧燃燒(OXY30)中生成的顆粒物特性。顆粒物粒徑分布如圖5所示，可知燃料顆粒粒徑變化對納米顆粒(PM0.01-0.1)和亞微米顆粒(PM0.1-1)的生成幾乎沒有影響，因為二者都通過灰分的氣化、冷凝和凝聚過程形成，而灰分氣化僅與溫度和氣氛有關，與燃料粒徑無關。但對微米顆粒而言，如果燃料顆粒直徑減小，燃料顆粒破碎后生成的碎片粒徑可能更小，因此灰在焦炭碎片中熔融和凝聚后會生成更多的微米顆粒(PM1-10)。富氧燃燒中微米顆粒的產率隨燃料粒徑的變化弱于空氣燃燒，這可能是富氧燃燒中高濃度CO2促使CaCO3生成，而CaCO3加劇了成灰組分之間的凝聚而生成更大粒徑的顆粒物[52]，因此微米顆粒的生成受到抑制。

關于燃料種類的影響，Wang[53]研究了生物質、煤和石油焦等多種固體燃料在富氧燃燒下的顆粒物生成特性，3種代表性燃料固定在樹脂中的掃描電鏡如圖6所示。

圖4 計算得到的顆粒物粒徑分布與試驗數據的對比[48]

圖5 3種不同粒徑大小的生物質焦炭生成的顆粒物的粒徑分布[51]

圖6 3種固定在巴西棕櫚蠟中的固體燃料電鏡

由圖6可知生物質幾乎沒有內在礦或外在礦，灰分大多以有機態或游離態形式存在；石油焦僅有少量外在礦；煤中內在礦和外在礦均顯著存在。這些灰分存在形態的差異直接影響了其在燃燒過程中的釋放機制，如Chansa等[54]采用LIBS法檢測了煤和生物質在富氧燃燒下K元素的揮發特性，發現生物質中堿金屬的揮發速率更高。

圖7為稻殼在富氧OXY70氣氛下燃燒時，亞微米顆粒物中的Si含量超過了80%，顯著高于相同條件下煤燃燒的情況(亞微米顆粒Si含量<40%)。這種差異主要是由硅在灰中存在形態差異所致，硅在煤灰中一般以硅鋁酸鹽等形式存在，游離態和有機態的硅含量較低，而稻殼中可能存在大量的有機結合態的硅，因此容易氣化而生成富含硅的亞微米顆粒[55]。Gao等[50]研究了褐煤和煙煤在空氣和富氧燃燒下顆粒物的生成特性，結果表明由于褐煤中堿金屬含量高，褐煤燃燒早期階段生成的超細顆粒中堿金屬占比更高。

圖7 3種燃料在空氣和富氧工況下生成的顆粒物中Na、K、Si、Ca在不同粒徑中的含量[53]

為了深入探究元素存在形態對顆粒物生成的影響，Wang等[56]利用去離子水、0.5 mol/L醋酸銨(NH4Ac)、0.5 mol/L鹽酸(HCl)依次對生物質燃料進行洗滌，再對干燥后的樣品進行富氧燃燒(OXY30/OXY50)試驗，結果如圖8所示(W、C、H分別對應水、醋酸銨和鹽酸洗滌后的樣品)。燃料在水洗和醋酸銨洗滌后失去了易揮發組分如K、Cl、S，導致亞微米顆粒產率降低。而燃料再經鹽酸洗滌后，微米顆粒產率明顯降低。同時由于不同燃料中灰分的差異性，混燒過程中可能發生灰分的交互反應，Li等[57]研究了稻殼和煤在空氣和富氧燃燒(OXY50)下的混燒過程，發現稻殼中的堿金屬和堿土金屬可與煤中硅鋁酸鹽產生交互反應，從而有效降低亞微米顆粒PM0.3的生成，由于OXY50中溫度較高，該現象更為顯著。

圖8 燃料的原始灰分中無機組分的含量[56]

1.4 系統壓力對顆粒物生成特性的影響

增壓富氧燃燒由于系統設計復雜和采樣困難，有關其顆粒物生成特性的報道較少。Li等[58]在300 kW燃燒器上實現了最高1.5 MPa的增壓富氧燃燒試驗，并設計了一種可以實現顆粒物在線檢測的取樣系統(僅限亞微米顆粒的采樣)。亞微米顆粒在不同操作壓力下的粒徑分布如圖9所示，可知增壓富氧燃燒工況下，亞微米顆粒產率顯著降低，如1.5 MPa中亞微米顆粒產率相比0.1 MPa降低了近95%。不同操作壓力下亞微米顆粒中各元素產率隨粒徑分布如圖10所示，可知除了堿金屬Na、K，亞微米顆粒中主量元素的濃度均隨壓力的升高而減小。

圖9 猶他煤在0.1、0.8、1.5 MPa下生成的亞微米顆粒的粒徑分布[58]

此外，Pang等[59]在～15 kW流化床中研究了0.1～0.4 MPa壓力、OXY30氣氛下飛灰組成，發現壓力對飛灰成分影響并不顯著，可能原因是飛灰以大顆粒為主，而壓力改變對大顆粒的成分影響并不顯著。Duan等[37]在10 kW流化床上實現了最高0.5 MPa的增壓富氧試驗研究，進口O2濃度為21%和30%(OXY21和OXY30)。結果表明系統增壓的同時O2分壓升高，有助于促進焦炭燃燒，因此顆粒物中碳含量隨系統壓強的增大逐漸減少。此外，O2分壓增高會促進灰中堿金屬和堿土金屬(AAEM)的釋放，因此亞微米顆粒中AAEM濃度提升。

圖10 猶他煤在0.1、1.5 MPa下生成顆粒物中元素的粒徑分布[58]

2 富氧燃燒中灰沾污沉積現象

2.1 灰沉積形成機理

顆粒物形成后隨煙氣流動可能會在換熱器表面形成積灰而影響鍋爐的換熱效率，嚴重時還會引起換熱器爆管[60]。由于灰沉積現象對鍋爐運行影響較大，大量文獻討論了不同工況下灰沉積特性，其中Kleinhans等[61]系統總結了灰沉積的機理(圖11)：① 夾帶顆粒的煙氣流經換熱器前，小顆粒會隨著煙氣在換熱器附近發生繞流，而大顆粒物則會因慣性而保持原有運動方向，從而與換熱器表面發生碰撞。還有一部分顆粒會隨著煙氣進入渦流區(如換熱器的背風面)，也會與換熱器表面發生碰撞。需要注意的是，碰撞到壁面上的顆粒物一部分會因動能被完全損耗而黏結在壁面，而另一部分則會經過反彈而重新進入煙氣中。② 雖然小顆粒易隨著氣體發生繞流而不易發生慣性碰撞，但由于換熱器表面存在溫度梯度，部分處于溫度梯度內的小顆粒會通過熱泳力的作用遷移到換熱器表面而形成積灰，但熱泳力對大顆粒的運動軌跡幾乎沒有影響。③ 煙氣中無機物蒸氣如NaCl、KCl、Na2SO4等在換熱器附近可能因溫度下降而發生冷凝，均相冷凝生成的納米顆粒可以通過熱泳力遷移到壁面，而蒸氣在顆粒物表面的異相凝結也會加重積灰的形成。雖然蒸氣冷凝對積灰的質量增重直接影響較小，但可以顯著改變積灰的黏結強度和黏度。④ 煙氣與換熱器表面積灰之間的化學反應也可能促進灰的沉積，如硫化反應、氧化反應和碳酸化反應等。由于富氧燃燒中的氣氛、流場和顆粒物排放相比空氣燃燒有所改變，因此其對積灰形成的影響也需進一步探究。

總結現有文獻可知，灰沉積方面研究大多將換熱器表面的積灰作為一個整體，極少對積灰的結構進行細分討論。Zhan等[62]設計了一種新型的控溫積灰取樣管來研究富氧燃燒中的灰沉積現象，并根據積灰生成的位置，將其分成了內層灰、外層灰、邊側灰和垂直側灰(圖12)。研究發現，由于取樣管垂直側和外側處與氣體流動方向平行，且取樣口處經計算未冷凝的無機蒸氣很少，所以這兩側積灰主要由熱泳力形成，而內層和外層積灰則主要是熱泳力和慣性碰撞形成。因為形成機理有所不同，有必要對其進行區分討論。下文在討論積灰相關的研究時，如果沒有說明是何種積灰，則該研究中未對積灰進行分層研究。

圖11 換熱器表面灰沉積的形成機理[61]

圖12 取樣管表面不同位置處生成的積灰[62]

2.2 燃燒氣氛及氧氣濃度對灰沉積的影響

燃燒氣氛的改變一方面改變了灰分中各元素的遷移轉化，另一方面改變了煙氣溫度和流速在燃燒室的分布。Yu等[34]研究了3種煤在空氣燃燒和富氧燃燒(OXY27/OXY32)下的灰沉積現象，并未觀測到3種工況下積灰的成分有顯著差別(圖13)，但各工況下的沉積速率則有較明顯差別(OXY32>OXY27>空氣)。這主要是因為OXY32中氣體流量最小，顆粒在煙氣中的動量最小，因此撞擊到換熱器壁面的顆粒反彈概率小，即OXY32中顆粒物在壁面的捕集效率更高。同時由于OXY32氣氛下積灰取樣口處煙氣溫度更高，因此部分顆粒物可能仍以熔融狀態存在，顯著促進了積灰的形成。另外，富氧燃燒煙氣中較高的SO2和CO2也會促進煙氣與積灰之間的硫化反應和碳酸化反應，從而提高沉積速率。其他學者[63-68]對不同燃料和燃燒器的研究也得到了相似的結論。而Li等[45]研究了空氣和富氧OXY30條件下神華煤燃燒的積灰特性，發現雖然2種工況下積灰成分相似，但與空氣燃燒相比，OXY30富氧燃燒的沉積速率較低。文獻認為積灰主要是由慣性碰撞形成，而慣性碰撞效率可以通過顆粒的斯托克斯數Stk計算(式(1)、(2))。對于相同粒徑尺度而言，OXY30條件下顆粒的碰撞效率η更低(圖14)，即OXY30中顆粒撞擊到壁面的概率更低。加之OXY30中顆粒平均粒徑小于空氣燃燒(圖14)，因此OXY30中顆粒的總碰撞效率更低。但其他研究發現富氧燃燒條件下顆粒物平均粒徑大于空氣燃燒[64,67]，這可能是Li等[45]關于沉積速率的研究和其他研究有所差異的原因之一。

圖13 3種煤在空氣和富氧燃燒工況下生成的積灰成分[34]

(1)

η(Stk)=[1+1.25(Stk-0.125)-1+0.014(Stk-0.125)-2+0.000 050 8(Stk-0.125)-3]-1，

(2)

式中，ρp、dp、up分別為顆粒的密度、直徑和速度；μg為氣體黏度；D為取樣管直徑。

總體而言，富氧燃燒條件下灰沉積的機理討論主要集中在慣性碰撞，關于亞微米顆粒通過熱泳力形成積灰的討論較少。Zhan等[69]研究了空氣和富氧OXY50中垂直側積灰的形成特性，并基于熱泳力理論建立了亞微米顆粒垂直側灰沉積模型。研究表明由于OXY50中溫度更高，有更多亞微米顆粒生成(圖1)。此外，由于OXY50中氣體流速變慢，亞微米顆粒在換熱器附近的停留時間增長，因此OXY50中垂直側的積灰生成速率明顯高于空氣燃燒。

圖14 空氣和富氧燃燒工況下形成的總灰的粒徑分布及灰顆粒的斯托克斯數和碰撞效率[45]

2.3 燃料特性對灰沉積的影響

燃料特性不同會影響顆粒物的生成，而顆粒物是積灰的前驅體，因此燃料特性也會影響灰沉積特性。Wang等[70]研究了中國和美國稻殼在空氣和富氧OXY70的工況下積灰的生成特性，如圖15所示。燃料差異主要體現為：中國稻殼粒徑較大、灰量較少、灰中鉀含量較高。2種稻殼的在2種工況下生成的外層灰成分并沒有差異，基本由Si構成，主要是因為2種稻殼原始灰分中硅含量占比較大(約90%)。但對于內層灰而言，中國稻殼在OXY70下生成的內層灰中Si含量僅為20%，遠低于美國稻殼。這種差異可能是因為中國稻殼原始灰分中有機態的硅含量較低，因此釋放到亞微米顆粒物中的硅較少，且內層灰中由較多亞微米顆粒構成，因此內層灰中的硅含量減少。

圖15 2種稻殼在空氣和富氧燃燒中生成的積灰成分[70]

Zhou等[71]研究了不同礦物質添加劑對富氧燃燒中積灰的熔融特性，發現加入SiO2后會促進積灰的燒結現象，而Al2O3、Fe2O3、CaO和高嶺土都會降低積灰的燒結現象，從而降低積灰生成傾向。Fryda等[67-68]在沉降爐進行了煤、煤和生物質混合物等5種燃料的空氣燃燒和富氧燃燒(OXY30)試驗，并使用空氣冷卻的取樣管采集灰沉積樣品，5種燃料的沉積傾向如圖16所示。首先，空氣和OXY30工況下褐煤的灰沉積傾向最大，原因是褐煤中堿金屬和鐵含量最高，形成更低的顆粒黏度從而易于在取樣管上黏結而形成積灰。而生物質和煤混燒后灰沉積程度降低，這可能是由生物質和煤的灰分交互反應造成，但相關機理尚不明確。Wu等[66]研究了稻殼、煤和二者混合物在空氣和富氧OXY70下的積灰特性，該研究同樣發現添加稻殼可以降低灰沉積傾向，猜測主要是因為稻殼生成的灰顆粒粒徑較大，經過換熱面時會通過“沖刷作用”而損失部分已捕集的積灰，并非灰分間的交互反應所致，同時稻殼的摻入可能會使積灰變得較為疏松。

圖16 5種燃料在空氣和富氧燃燒中生成的積灰成分[67-68]

Wang等[53]研究了煤、生物質、石油焦等11種不同燃料在空氣和富氧燃燒中沉積速率，其對石油焦在空氣和富氧OXY70下的積灰特性表明，OXY70中的沉積速率高于空氣燃燒下的沉積速率。這是由于OXY70的火焰溫度遠高于空氣燃燒，氧化鐵更容易與硅鋁酸鹽發生交互反應形成低黏度的含鐵硅鋁酸鹽。盡管石油焦的原始灰分中鐵含量僅為7%，但其燃燒中形成易黏結的含鐵硅鋁酸鹽使得鐵在沉積灰中富集顯著[72](圖17，含猶他煤、稻殼、混合物、石油焦4種燃料)。值得注意的是內外層積灰成分差異顯著，內層中Fe含量更高而S、Si、Al等含量更低。在煤、稻殼和二者混合物的空氣燃燒和富氧燃燒中，雖然煤的原始灰分中鐵含量為5%，接近石油焦中灰分中鐵含量，但煤OXY70積灰中鐵含量遠低于石油焦OXY70積灰中鐵含量。這可能是由于石油焦中大部分鐵處于游離態，燃燒中易被釋放并與硅鋁酸鹽發生交互反應，而煤中的鐵則以穩定的氧化態或黃鐵礦形式存在，不易被釋放，因此在積灰中含量也較低。

圖17 4種不同燃料在空氣和富氧燃燒中生成的積灰成分[53]

試驗發現11種燃料內外層積灰的特性存在一定差異，對比發現，11種燃料在空氣和富氧燃燒條件下，內層灰的沉積速率和亞微米顆粒PM1濃度有很好的正關聯性(圖18，a、b、c分別為猶他煤-空氣、稻殼-富氧，稻殼/煤混合燃料-富氧)，而外層灰的沉積速率和煙氣中堿金屬濃度有較好的正關聯性(圖19)。對于內層灰來說，由于其是積灰形成的初期階段，換熱面和煙氣的溫度梯度較大，且表面光滑，因此大顆粒撞擊在壁面上較易脫落，而亞微米顆粒則可以通過熱泳力而遷移到壁面，且由于動量較小，易在壁面上附著。這些附著在壁面上的亞微米顆粒對大顆粒起“黏結作用”，促進更多顆粒在換熱面生成，因此煙氣中亞微米顆粒越多，內層積灰生成速率越大。同時發現盡管高溫富氧工況下生成的亞微米顆粒中堿金屬含量極低(圖18)，其仍對內層灰形成有促進作用。內層灰形成后大顆粒主要通過慣性碰撞形成外層灰，此時堿金屬含量增高會提高顆粒慣性碰撞后的捕集效率，因此外層灰的沉積速率和堿金屬濃度有一定的正關聯性[38]。內層積灰的生成速率一般遠小于外層積灰，積灰一般主要由外層積灰構成。

圖18 11種燃料在空氣和富氧工況下內層灰沉積速率和亞微米顆粒濃度的關聯以及4種工況下生成的亞微米顆粒的成分[38]

圖19 11種燃料在空氣和富氧工況下外層灰沉積速率和堿金屬濃度的關聯[38]

2.4 系統壓力對灰沉積的影響

增壓富氧燃燒中有關灰沉積形成的報道較少，目前只有Qiu等[73]在10 kW增壓流化床上研究了準東煤在0.3 MPa增壓富氧燃燒(OXY21/OXY30)中生成的積灰形貌和成分組成(圖20)。研究了不同位置處生成的積灰的形貌和成分構成，發現OXY30內層灰的平均粒徑大于OXY21，且OXY30積灰中Fe和Cl含量更高，但S含量更低。與外層灰相比，內層灰中Si、S、Fe含量更高，但Na、Mg、Ca、Cl含量更低。由于未研究常壓富氧燃燒中的積灰特性，因此缺少灰沉積形成在常壓和增壓富氧燃燒中的對比。Liu等[74]在另一套50 kW循環流化床中研究了準東煤在常壓富氧燃燒(OXY21/OXY30/OXY40)中的積灰成分構成。雖然2項工作中準東煤成分和流化床結構略有差別，但仍有助于探討壓力變化對積灰生成特性的影響。Liu等[74]發現常壓富氧燃燒(OXY21/OXY30)條件下Na/S、Na/Cl、Ca/S分別為0.5～1.0、1.0～1.5、2.0～2.5(圖21,d為積灰，f為飛灰)，發現增壓OXY21/OXY30中硫含量顯著增加，氯含量略有減少，因此推測增壓富氧燃燒可以促進硫元素的釋放進而增強煙氣和積灰的硫化反應，并提高積灰中的含硫量，減少了積灰中的氯含量。

圖20 準東煤在0.3 MPa增壓富氧燃燒工況下于取樣管不同位置處形成的積灰成分[73]

圖21 準東煤在0.1 MPa富氧燃燒工況下積灰和飛灰中Na/S、Na/Cl 和Ca/S的摩爾比

3 結語與展望

富氧燃燒是最具有工業化應用前景的燃煤電站燃燒中碳捕集技術之一。富氧燃燒的基礎研究和示范試驗得到了長足發展。通過對已有富氧燃燒中顆粒物和積灰研究可知，亞微米顆粒的形成對溫度較為敏感，溫度升高會促進亞微米顆粒的生成，同時增強了堿金屬和硅鋁酸鹽的交互反應，而減少了堿金屬在亞微米顆粒中含量。壓力上升則可能會抑制亞微米顆粒的生成。但氧氣濃度升高或壓力升高對微米顆粒的產率和成分影響不顯著。積灰是通過慣性碰撞、熱泳力、冷凝、化學反應形成，換熱器不同位置處積灰的生成機理略有不同，如熱泳力是垂直側積灰形成的主要機理，慣性碰撞是外層積灰形成的主要機理。富氧燃燒中氧氣濃度上升時會降低灰顆粒的黏度并增加亞微米顆粒的生成，從而促進積灰的形成。未來富氧燃燒中有關顆粒物和積灰相關研究需要集中在以下幾個方向。

1)不同燃料在富氧燃燒中顆粒物和積灰的生成特性。目前富氧燃燒中固體燃料的研究主要集中于煤和生物質，但富氧燃燒對低品位燃料(煤泥、污泥等)和固體廢棄物(城市生活垃圾、工業固廢物、農林廢棄物等)也有很好的應用前景，可以解決固廢的同時達到碳捕集的目標。低品位燃料和固體廢棄物中燃料特性和煤/生物質有顯著差異，其在富氧燃燒下各元素(如Na、K、Ca、Cl、S等)的釋放特性也會隨之改變，因此顆粒物的粒徑分布和元素構成以及積灰的生成速率和成分需要進一步研究。

2)增壓富氧燃燒中顆粒物和積灰的生成特性。目前，增壓富氧燃燒是解決富氧燃燒CO2捕集過程能耗問題的最有效方法，會成為未來富氧燃燒技術的主流發展方向。但目前技術成熟仍處于較低水平，相關報道有限。未來需進一步加強增壓富氧燃燒的技術開發，并系統研究壓力對顆粒物和積灰生成特性的影響。

3)富氧燃燒中灰沉積的分層研究。積灰問題仍是鍋爐運行中的最大隱患之一，尤其是富氧燃燒會促進積灰的形成。積灰形成較為復雜，涉及不同機理。雖然過往工作已意識到對積灰進行分層研究的重要性，但目前對積灰的分層研究仍不系統，不同層級的定義方式不太明確。未來需要根據積灰的燒結強度和成分隨厚度的變化將其分為不同層級，研究其形成機理，尤其是富氧燃燒工況下氧氣濃度和壓力的影響。

4)富氧燃燒在放大試驗中顆粒物和積灰生成特性。目前富氧燃燒的研究從小型10 kW沉降爐到大型35 MW鍋爐都取得了較大突破，但缺少系統性的不同尺寸臺架下的試驗數據對比。未來需要在不同尺寸的臺架下對同種燃料的同種工況下進行試驗，研究放大試驗中顆粒物和積灰的生成特性的改變規律。