生物質鍋爐對流受熱面積灰冷態模擬實驗研究

張東旺，楊海瑞，周托，黃中，李詩媛，張縵

（1 北京科技大學能源與環境工程學院，北京 100083； 2 清華大學能源與動力工程系，北京 100084）

引 言

生物質是目前唯一的可再生碳源，未來生物質能源將成為最具有發展潛力的可再生能源，到2050年，生物質有望替代27%的動力燃料[1]。目前對生物質能源的利用方式中，燃燒發電方式可以實現生物質的大規模利用[2-4]，在“雙碳”背景下，中國的生物質發電新增裝機容量逐年遞增。歐洲的生物質主要以林業廢棄物為主，而中國則以農業廢棄物為主，其中K等堿金屬含量較高，與其他物質形成的共熔物可能低于堿金屬氧化物的熔點，造成生物質鍋爐的煙氣中含有大量熔融態的飛灰，容易黏附在對流受熱面上形成類似“膠水”作用的黏性底層[5]，進而捕獲飛灰顆粒造成嚴重的積灰問題，影響流動和換熱并會腐蝕金屬受熱面，降低鍋爐的安全性和經濟性。

國內外針對生物質積灰問題進行了大量的實驗研究[6-13]，主要集中在熱態實驗臺研究和實際鍋爐定期取樣研究，由于積灰過程是復雜的物理化學變化，且目前的實驗研究缺乏統一的實驗基礎和測量方法，因此不同學者得出的結論甚至會相矛盾[14-15]。在冷態下進行的積灰實驗還相對較少，孫巍[16]用滑石粉在冷態下模擬了垃圾焚燒爐的積灰特性，實驗了不同氣體流速和管束布置方式對積灰的影響。許明磊[17]自行搭建了冷態積灰實驗裝置，對不同管束布置方式和煙氣流速下的積灰特性進行了研究，發現在低流速下，積灰量和包裹角隨著氣體流速的增加而增加。黃中等[18]搭建了模擬鍋爐尾部煙道積灰實驗臺，在冷態下測量了不同類型的蜂窩管和光管在含粉塵氣流下的積灰量。王云剛等[19]在冷態下研究了SP（suspension preheater）爐灰沖刷光管和翅片管的沉積特性。可見，現有冷態積灰實驗臺僅能模擬松散積灰，而實際鍋爐積灰在高溫下部分熔融，與松散的積灰有較大的差異。

相關研究表明，生物質鍋爐對流受熱面的積灰以慣性碰撞為主，且與生物質灰中熔融質的比例密切相關[20-21]，如果在實驗室能通過添加不同比例的熔融質到生物質灰中，便可通過冷態實驗，簡便快捷地確定生物質鍋爐設計參數對積灰特性的影響，因此，本文在分析沉積機理的基礎上，建立以灰熔融質比例為特征參數的慣性碰撞沉積模型，并研究不同熔融質比例飛灰在不同鍋爐設計參數下的灰顆粒沉積特性，以期對生物質鍋爐設計提供參考。

1 沉積機理及模型

1.1 沉積機理

當含塵氣流橫向繞流圓柱時，邊界層外的流動速度和流動方向會變化。在圓管的前駐點附近，氣流由于阻擋被迫轉向，但是顆粒由于慣性作用會在駐點兩側形成積灰區，如圖1 所示。生物質積灰按機理分為：慣性碰撞沉積、熱泳沉積、冷凝沉積、化學反應、渦流沉積等[6,22]。飛灰顆粒在慣性力的作用下輸運到受熱面附近，發生碰撞、沉積、反彈等行為，慣性碰撞對粒徑大于10 μm 的顆粒的輸運占主導，慣性碰撞引起的沉積主要集中在迎風側。對于粒徑在1～10 μm 的顆粒輸運機理主要是熱泳沉積，在溫度梯度的作用下，顆粒從高溫區向低溫的受熱面遷移而沉積。煙氣中氣態的無機鹽蒸氣經擴散進入邊界層，在接觸受熱面后，遇冷后發生冷凝沉積。由于大顆粒較大的慣性，難以到達受熱面的背風側，且在尾渦的作用下，背風側沉積量較少且以小顆粒為主。

圖1 橫向繞流圓管流動及積灰情況Fig.1 Flow and ash deposition in transverse circular pipe

K?r 等[23]模擬了秸稈鍋爐的沉積過程，發現由慣性碰撞引起的沉積量比其他機理的沉積量高出一個數量級；Yang 等[24]結合CFD 方法和實驗數據，考慮了慣性碰撞、熱泳沉積和堿金屬蒸氣的冷凝對顆粒沉積的影響，發現慣性碰撞引起的沉積量是熱泳沉積的8 倍，而冷凝引起的沉積僅占約0.1%。因此重點關注慣性碰撞對于沉積過程的影響。

Backman 等[25]提出飛灰中熔融組分的比例是決定飛灰黏附特性的重要參數，提出的熔融組分模型廣泛應用于求解堿金屬成分含量較高的生物質飛灰沉積研究中。該模型以飛灰中熔融質的比例定義了4 個特征溫度，分別為T0、T15、T70和T100，其中數值代表了熔融質的比例。Walsh 等[26]提出采用灰顆粒和灰表面的熔融質比例來確定黏附概率，如式（1）

其中，ηp(Tp)和ηs(Ts)分別是在溫度Tp和Ts下灰顆粒和灰表面中熔融質的比例，可以通過熱力學軟件Factsage計算得到。

1.2 慣性碰撞沉積定量計算

由慣性碰撞引起的沉積量II(t,θ)計算式如式(2)，該模型由Wessel 等[27]提出，并由Zhou 等[6]和Rocca等[28]驗證其有效性，可以用來計算生物質積灰中慣性碰撞引起的沉積量。式（2）中ug是氣體流速；Cash是顆粒濃度；ηI(i,θ)是粒徑在i范圍內、θ角度處的碰撞效率；s(θ)是受熱面θ角度處的表面積；t是在t時刻的單位時間步長；θ是沿圓管處θ位置的單位空間步長。單純用Stokes數來計算碰撞效率并不準確，需引入修正因子ψ對Stokes 數進行修正[29]，如式(3)、式(4)，其中Rep是顆粒的Reynolds 數。ηI(i,θ)是粒徑在i范圍內、θ角度處的碰撞效率，如式（5）；最大積灰角度θmax計算如式（6）。式中，ηt(i)、β為中間參數，參考文獻[27]中的取值。

2 實驗部分

2.1 實驗目的

由于熔融質的比例是影響顆粒黏附概率的重要因素，如果能在冷態下模擬出不同熔融質比例的灰顆粒，將簡化實驗流程并縮短實驗時間。設計思路如下：在冷態下，用熱空氣攜帶循環灰顆粒和石蠟粉末來模擬含塵煙氣，在氣體尾部布置鋁環來模擬對流受熱面管道。進而在冷態下模擬不同氣流流速、顆粒粒度、熔融質比例條件下，管束的積灰變化情況。在實驗設定的模擬工況下，通過積灰程度，為實際生物質流化床鍋爐的設計與安全運行提供依據。

2.2 實驗系統

實驗系統如圖2 所示，主要包括風機、變頻器、空氣加熱裝置、給料器、積灰收集裝置。風機背壓為45 kPa，通過變頻器調節風機的風量，經過空氣加熱裝置后溫度最高可以達到350℃，通過螺旋給料機可以實現5～15 g/min 的給料速率將石蠟與循環灰送入熱空氣中，最終被熱風加熱熔融的混合物沉積在尾部的鋁環上。給料機料倉內設有攪拌棒以保證石蠟和循環灰充分混合，實驗中設置的氣體溫度為95℃，以保證模擬飛灰中的石蠟能夠熔融，通過實驗前后對鋁環稱重來判斷積灰程度。實驗發現，石蠟與循環灰可以較快地黏附在鋁環上，與真實的生物質積灰實驗相比，大大縮短了實驗時間。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

2.3 實驗物料

采用實際運行的生物質鍋爐的循環灰作為實驗中飛灰顆粒的非熔融部分，所用的循環灰顆粒的平均粒徑約為109 μm，粒徑分布如圖3 所示，循環灰的粒徑較實際鍋爐的飛灰粒徑大，但實驗過程中如果選用較小粒度的飛灰，由于靜電作用，飛灰顆粒會迅速附著在實驗段的有機玻璃壁面上，無法觀察灰的沉積過程，因此實驗中選用了更大粒徑的循環灰。所選用的石蠟粉末為半精煉石蠟，熔點為65℃，通過粉碎機將石蠟粉末粉碎成小顆粒。分別將粉碎后的石蠟粉末和循環灰篩分成75、90、111、150 μm的粒級，并將兩者按不同的比例混合均勻。

圖3 循環灰粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of circulating ash

采用SEM 對不同粒級的循環灰進行分析，結果如圖4 所示，灰顆粒表面呈不規則狀態、凹凸不平、粗糙度大，造成熔融狀態的堿金屬鹽容易黏附在上面。

2.4 實驗工況及方法

以循環灰和石蠟混合物為研究對象，實驗研究了不同石蠟比例（10%、20%、30%）、氣體流速（5～15 m/s）以及不同粒徑（75、90、111、150 μm）下的顆粒沉積變化情況。在沉積厚度（沉積中心位置的沉積高度）不發生變化后，認為顆粒沉積和脫落處于動態平衡，沉積過程達到穩態，通過實驗開始和結束測量鋁環的質量變化情況表征沉積程度。

為表征不同時刻的沉積量的變化，采用錄像的方式間接測量沉積厚度。通過對圖像進行處理，提取主體部分并對背景進行純色填充，結果如圖5 所示，可以看出處理后的圖片可以較好地區分圓管和積灰邊緣。在Photoshop 中拉出四條參考線，分別對齊四個邊緣，分別測量左右和上下參考線間的像素距離，如圖6 所示，根據鋁管的外徑（17 mm）按比例算出積灰的厚度。

圖5 積灰圖片處理Fig.5 Processing of ash deposition images

圖6 測量積灰厚度Fig.6 Measurement of ash thickness

3 結果與討論

3.1 灰的沉積過程

實驗中發現，無石蠟的情況下，單獨的循環灰幾乎不能黏附在鋁環上，而石蠟與循環灰的混合物可以快速黏附在鋁環上，且沉積主要分布在迎風側第一行鋁環上，因此采用第一行的沉積平均質量來表征沉積程度。受慣性力的影響，沉積物主要分布在迎風側，背風側的沉積量極少，且灰外輪廓呈“駝峰”狀的平滑分布。在給料速率為10 g/min、氣體流速10 m/s 的工況下，通過對鋁環上的混合沉積物進行掃描電鏡分析，如圖7 所示，發現添加石蠟后，表面呈連接成片的不規則結構。這表明在混合物中有熔融態物質出現，而沒有形成顆粒堆疊而產生的多孔結構。且熔融質比例（即石蠟的質量占比）越高，顆粒表面片狀結構越厚，表明熔融質比例的增加加強了顆粒的黏性。

圖7 生物質循環灰與石蠟混合沉積物SEM圖像Fig.7 SEM images of biomass circulating ash and paraffin mixed sediments

不同時刻積灰形態如圖8 所示，圖9 是圖片處理后的不同時間的沉積厚度變化曲線，可以看出灰渣生長曲線與生物質積灰類似[30]，分為四個階段：（1）初始階段（0～2 min），這一階段形成初始層，大部分灰顆粒反彈，而熔融的石蠟更容易黏附在受熱面上，從圖8 中也可以看出此時沉積層顏色較淺；（2）快速生長階段（2～4 min），此時黏性初始層的形成使通過慣性力輸運來的顆粒迅速黏附在表面，沉積厚度迅速增加，沉積層顏色逐漸加深；（3）緩慢生長階段（4～6 min），灰渣表面溫度持續升高，熔融質開始軟化，灰顆粒間通過石蠟連接在一起，沉積層進一步致密化；（4）穩定階段（6～9 min），沉積層表面溫度的升高，使沉積物的黏性降低，在煙氣的沖刷、撞擊下可能發生顆粒脫落，沉積層的生長與脫落處于動態平衡，此時沉積層的厚度維持穩定狀態。在對冷卻后的沉積物進行觀測時，發現明顯的分層現象：內層較薄，由黏性顆粒黏附形成，由初始階段形成；中間層孔隙率較高，對應生長階段；最外層致密，硬度較高，是穩定階段形成。

圖8 不同時刻積灰形態變化Fig.8 Changes in the form of ash deposits at different time

圖9 不同時刻沉積厚度變化Fig.9 Variation of deposition thickness at different time

3.2 煙氣速度和熔融質比例對灰沉積的影響

控制顆粒粒徑為111 μm，給料速率為10 g/min，實驗研究了不同熔融質比例和煙氣速度下的積灰程度，記錄了從開始到沉積厚度不發生變化時的積灰情況，采用穩定階段的沉積質量來表征積灰程度。結果如圖10所示，可以看出積灰程度隨著熔融質比例和煙氣速度的升高而增加。由式（1）可以看出顆粒的黏附效率隨顆粒中的熔融質的比例的增加而提高，通過對比不同熔融質比例下的沉積質量，可以看出沉積質量的增速隨著熔融質比例的增加而逐漸放緩，其原因可能是在熔融質比例較高時，顆粒的沖刷效應明顯，在熔融質比例為30%的實驗過程中，發現沉積物會發生液態成塊脫落。

氣體流速對積灰的影響主要體現在：高流速下顆粒的Stokes數較大，更容易脫離流線，有更高的概率碰撞到受熱面上；且顆粒速度較高時，會更快地到達受熱面，被冷卻時間短，熔融質占比較高，更容易黏附在受熱面上。

實際生物質CFB 鍋爐中的煙氣速度和溫度的影響因素主要為受熱面管束的布置方式和爐膛溫度等，因此工程中可以采取增加受熱面管間距、采用較低的爐膛溫度、在受熱面上游布置立式蒸發管束等方式減緩積灰問題。

3.3 灰粒度對灰沉積的影響

控制熔融質的比例為20%，顆粒粒徑對積灰程度的影響如圖11所示，可以看出沉積質量隨著顆粒粒徑的增大而升高。顆粒粒徑從75 μm 增加到150 μm 時，沉積質量從2.5 g 增加到4.2 g。這是因為大顆粒有較大的慣性，有更高的概率會碰撞到受熱面。從熔融相比例模型[31-32]和臨界速度模型[33-34]可以看出，大顆粒具有更大的黏附概率。大顆粒的動能較大，到達及穿越邊界層的時間較短，有較短的冷卻時間，在撞擊受熱面時仍具有較高的溫度，相應的黏附概率較大。

圖11 不同粒徑下的沉積質量（實驗值）Fig.11 Deposition quality under different particle sizes(experimental value)

大顆粒的粒徑對于沉積的影響如圖11所示，由于1.2 節中提到的慣性碰撞數學模型僅適用于小顆粒，為了驗證小顆粒同樣有類似的規律，采用該模型計算了表1 工況下的不同粒徑的沉積情況，值得注意的是，該模型無法計算實驗條件下的大顆粒的積灰情況。結果如圖12所示，傳統循環流化床鍋爐的飛灰中位粒徑一般為d50≤20 μm，模型計算表明，其他設計參數相同的情況下，沾污層厚度隨著顆粒中位粒徑的降低而顯著降低，因此工程中可以采取提高分離器效率的方式降低飛灰粒徑，進而避免嚴重的積灰問題。

圖12 不同粒徑下的沉積質量（模型計算值）Fig.12 Deposition quality under different particle sizes(model calculated values)

表1 部分計算參數Table 1 Partial calculation parameter

4 結 論

積灰問題困擾著生物質鍋爐的安全運行，為了獲得鍋爐設計參數對積灰特性的影響規律，本文在分析積灰機理的基礎上，搭建了冷態實驗臺，采用熱風輸送石蠟，用熔融石蠟模擬生物質飛灰中熔融質，研究鍋爐煙速、煙溫及飛灰顆粒粒徑對積灰特性的影響，得到如下結論。

（1）實驗發現，石蠟和循環灰可以快速黏附在尾部鋁環上，通過對循環灰與石蠟的混合沉積物進行SEM 分析，發現添加石蠟后灰表面呈連接成片的結構，表明石蠟的添加增強了顆粒間的黏性。

（2）通過圖像處理得到了沉積厚度隨時間的變化曲線。沉積過程分為4 個階段，與沉積物的分層現象相對應，與真實的生物質積灰生長趨勢一致。

（3）研究了氣體流速、石蠟比例和顆粒粒徑等對積灰的影響，發現積灰程度隨著氣體流速、石蠟比例和顆粒粒徑的增加而增加，為生物質鍋爐設計提供了一定的參考依據。

（4）通過已有數學模型計算了小顆粒的沉積情況，沉積層厚度隨著顆粒中位粒徑的降低而顯著降低。