流化床垃圾焚燒爐飛灰沉積實(shí)驗(yàn)

唐智，陳曉平，劉道銀，梁財(cái)，馬吉亮

（東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096）

垃圾焚燒與傳統(tǒng)的填埋和堆肥法相比，具有減容、減量和能量回收等顯著優(yōu)點(diǎn)，隨著垃圾焚燒技術(shù)的不斷提高，垃圾焚燒處理已逐漸成為我國(guó)大部分城市特別是東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的主要垃圾處理方式[1]。我國(guó)目前的垃圾焚燒廠以機(jī)械爐排焚燒爐和流化床焚燒爐為主。循環(huán)流化床燃燒方式由于具有良好的燃料適應(yīng)性、有利于污染物控制等優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)象較普遍，關(guān)于垃圾焚燒積灰的機(jī)理研究及防治措施正逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，相關(guān)的研究報(bào)道也越來越多。積灰的生成會(huì)使受熱面?zhèn)鳠嵝式档?，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(yán)重時(shí)積灰會(huì)造成部分受熱面之間煙氣通道堵死，嚴(yán)重影響鍋爐正常運(yùn)行[3-4]。

在爐排爐垃圾焚燒爐積灰研究方面，閻常峰等[5]發(fā)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)共熔體物質(zhì)含量較多。吳永新[3]研究表明對(duì)流受熱面的積灰為Ca-S型燒結(jié)性積灰，過高煙氣溫度將造成CaSO4和鈣的硅酸鹽等表面產(chǎn)生熔融相，加速積灰的燒結(jié)固化速度。Frandsen 等[6]通過對(duì)實(shí)爐取樣的灰研究發(fā)現(xiàn)從積灰內(nèi)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(jié)嚴(yán)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(qū)域積灰中均存在較高比例的堿金屬物質(zhì)。

在流化床垃圾焚燒爐積灰研究方面，許明磊[8]研究實(shí)爐取樣的積灰特性，發(fā)現(xiàn)受熱面燒結(jié)積灰主要由細(xì)顆粒熔融團(tuán)聚而成；煙氣溫度越高，燒結(jié)積灰結(jié)構(gòu)越致密。形成燒結(jié)積灰的主要元素是Ca、S等，燒結(jié)積灰的物相組成主要是CaSO4，還有少量低熔點(diǎn)的鈣的硅酸鹽。李清海等[9]通過研究在過熱器區(qū)域布置積灰實(shí)驗(yàn)采樣管得到的積灰，發(fā)現(xiàn)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(jié)性顆粒撞擊管壁所致。Tang等[10]采用自行設(shè)計(jì)的積灰采樣系統(tǒng)，在實(shí)爐中研究不同管壁溫度下對(duì)流受熱面積灰的形成機(jī)理表明：當(dāng)降低表面溫度到500℃或升高表面溫度到700℃時(shí)，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(fù)雜的物理化學(xué)過程，灰沉積不僅與燃燒方式、燃料特性、飛灰特性有關(guān)，還受到管壁溫度、煙氣溫度場(chǎng)和流場(chǎng)、爐膛結(jié)構(gòu)等其他因素的影響[4]。實(shí)爐取樣的積灰樣品一般都在受熱面長(zhǎng)時(shí)間積累而成，形成過程中焚燒爐負(fù)荷、燃料特性和受熱面溫度條件均發(fā)生波動(dòng)，難以精確控制積灰形成的溫度和氣氛等參數(shù)。利用小型試驗(yàn)裝置便于針對(duì)單一參數(shù)開展沉積試驗(yàn)，但目前利用這種方式研究垃圾飛灰沉積規(guī)律的報(bào)道較少。張軍等[11]利用小型流化床研究煤摻混垃圾燃燒時(shí)受熱面的積灰，結(jié)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(shí)際受熱面真實(shí)環(huán)境存在一定差異。

本文在自行搭建的小型流化床積灰試驗(yàn)臺(tái)上，選用停爐后受熱面區(qū)域的松散性積灰，更接近實(shí)際同時(shí)更有代表性，選用高熔點(diǎn)的三氧化二鋁為床料，能有效減少床料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。本文在分析不同粒徑浮灰理化特性的基礎(chǔ)上，研究浮灰粒徑、煙氣溫度和換熱管表面溫度單一因素對(duì)飛灰沉積的影響。期望通過研究進(jìn)一步揭示垃圾流化床焚燒爐過熱器的積灰機(jī)理，對(duì)城市垃圾流化床焚燒技術(shù)的發(fā)展和完善起到一定的理論指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料、系統(tǒng)及方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)用浮灰取自浙江省某75t/h 循環(huán)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(nèi)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(duì)流管束區(qū)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(duì)流管束區(qū)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(xì)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(dòng)篩分儀進(jìn)行篩分成如下五檔粒徑：0～45μm，45～80μm，80～150μm，150～250μm，0～250μm，依次標(biāo)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?yàn)檠趸X是一種高硬度的化合物，熔點(diǎn)為2054℃，沸點(diǎn)為2980℃，在試驗(yàn)過程中不會(huì)發(fā)生熔融或團(tuán)聚。

1.2 鼓泡流化床實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

鼓泡流化床實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、氣體預(yù)熱器及其溫控系統(tǒng)、鼓泡床反應(yīng)器、床體加熱器及其溫控系統(tǒng)、積灰采樣系統(tǒng)、給料系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。N2和CO2由鋼瓶氣提供，空氣由空氣壓縮機(jī)提供。鼓泡流化床本體內(nèi)徑0.08m，高1.3m，由1Cr18Ni9Ti 鋼管加工而成，床體外設(shè)鑄銅電加熱器和保溫層。反應(yīng)器頂端為積灰采樣段，內(nèi)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 積灰采樣管結(jié)構(gòu)

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(zhǎng)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(gè)K 型熱電偶（T1 和T2）。采樣管內(nèi)部嵌套外徑為10mm的不銹鋼管，通過調(diào)節(jié)壓縮空氣量實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huán)，半圓環(huán)的外徑為18mm，長(zhǎng)40mm，材質(zhì)為15CrMoG。兩半圓環(huán)緊貼采樣管壁面。

實(shí)驗(yàn)開始前將床料從爐膛頂部加入爐內(nèi)，靜止床高為0.4m。當(dāng)爐膛溫度達(dá)到指定溫度后，將積灰采樣管插入積灰采樣段，同時(shí)調(diào)節(jié)壓縮空氣流量，使采樣管達(dá)到設(shè)定溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xù)的各種分析。

實(shí)驗(yàn)過程中控制爐膛煙氣溫度在850℃左右，床料的臨界流化風(fēng)速為0.3m/s，標(biāo)態(tài)下的表觀氣速為0.26m/s。為模擬實(shí)際過熱器區(qū)域煙氣，由螺旋給料機(jī)控制浮灰質(zhì)量流量為0.223kg/h，對(duì)應(yīng)標(biāo)態(tài)下煙氣含塵濃度0.047kg/m3。

1.3 樣品分析測(cè)試方法

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 浮灰的粒度分布及成分

對(duì)流管束浮灰（CF）的粒徑分布如圖3 所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)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(jí)顆粒所占的質(zhì)量份額為3.5%，1～10μm的微米級(jí)顆粒在CF 中所占的質(zhì)量份額為18.47%。該浮灰的平均粒徑為26.16μm。粒徑分布結(jié)果與許明磊[8]的研究基本一致。

圖3 對(duì)流管束浮灰粒徑分布

利用XRF分析不同粒徑浮灰的化學(xué)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?yàn)榱骰仓袪t內(nèi)鈣基脫硫劑的平均粒徑較小，這些細(xì)小的CaO顆粒經(jīng)過與煙氣長(zhǎng)時(shí)間的硫酸鹽化和高溫?zé)Y(jié)作用，容易在飛灰中富集；而來自燃料中的高硅高鋁的硬質(zhì)顆粒尺寸較大，且難以分解。

圖4 不同粒徑浮灰的化學(xué)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(guān)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(huì)在燃燒過程中與Cl 結(jié)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(diǎn)大多在700～800℃，在爐內(nèi)高溫環(huán)境下一般以氣態(tài)分布在煙氣中，容易在煙道內(nèi)冷凝后吸附至飛灰結(jié)構(gòu)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(qiáng)，從而導(dǎo)致其堿金屬氯化物含量較高。

2.2 浮灰粒徑和煙氣溫度對(duì)積灰的影響

本文在進(jìn)行積灰實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jié)。根據(jù)實(shí)際鍋爐過熱器區(qū)域的煙氣溫度和工質(zhì)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(shí)間為4h。試驗(yàn)結(jié)束后，收集選用0～45μm 和0～250μm 粒徑實(shí)驗(yàn)工況下布袋除塵器中的浮灰（分別標(biāo)記為CF1S 和CF5S），通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)原浮灰經(jīng)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(jié)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(duì)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?yàn)楫?dāng)浮灰粒徑較大時(shí)，浮灰顆粒動(dòng)能更大，與采樣管表面碰撞后更容易發(fā)生反彈；此外大粒徑浮灰的侵蝕作用會(huì)阻礙積灰的生長(zhǎng)。而小粒徑的浮灰，除受到慣性碰撞外還會(huì)受熱泳、湍流、擴(kuò)散的影響，更容易在這幾種機(jī)制的共同作用下沉積形成積灰。此外細(xì)灰顆粒由于因在輸運(yùn)過程中容易發(fā)生黏附從而形成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，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(duì)比

圖5 積灰質(zhì)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(xì)顆粒物團(tuán)聚形成；組成積灰的顆粒物大多呈不規(guī)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(shù)目增多。浮灰粒徑為0～250μm工況下，積灰中甚至出現(xiàn)了100μm左右的不規(guī)則顆粒物［圖6(c)］。圖6中1～8點(diǎn)X 射線電子能譜分析結(jié)果見表3，大顆粒1～3 點(diǎn)的主要元素為Ca、S 和Si；4～7 點(diǎn)主要元素為Al和Si。

表3 圖6中1～8各點(diǎn)的主要元素

圖7 給出了圖6 中第6 點(diǎn)處的能譜圖，從圖中可以明顯看出該點(diǎn)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(diǎn)大顆粒周圍，存在很多細(xì)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(diǎn)的能譜圖

圖8 不同工況下積灰的化學(xué)成分

利用XRF分析6種不同工況下沉積物的化學(xué)成分，結(jié)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(xué)成分與原始灰組成（圖4）作比較發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象在吳永新[3]、許明磊[8]和張軍等[11]的研究中均有報(bào)道。從圖中還發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)出相反的趨勢(shì)。這是因?yàn)榱椒秶^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(zhì)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(jī)理綜合作用的結(jié)果，飛灰的沉積主要取決于飛灰顆粒在煙道內(nèi)的輸運(yùn)方式，而顆粒的輸運(yùn)又受到含灰流場(chǎng)的濃度梯度、溫度梯度、速度場(chǎng)和電磁場(chǎng)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(chǎng)溫度梯度等產(chǎn)生的熱泳力作用下容易在受熱面沉積；對(duì)于小于1μm 的亞微顆粒，容易在布朗運(yùn)動(dòng)作用下被輸送擴(kuò)散到受熱面從而沉積[13]。本實(shí)驗(yàn)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(fā)生慣性碰撞從而沉積。根據(jù)Kern-Seaton 顆粒沉積理論[15]，受熱面積灰是由兩個(gè)相反過程共同作用的結(jié)果：一方面，煙道中的懸浮顆粒在慣性力、熱泳力或布朗運(yùn)動(dòng)等的作用下被輸運(yùn)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(shí)際的受熱面積灰隨時(shí)間的變化是以上兩種現(xiàn)象疊加的結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)中浮灰粒徑范圍越大，大顆粒對(duì)采樣管表面的沉積物的沖刷更強(qiáng)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(duì)積灰的影響

圖9顯示了不同工況下積灰量的結(jié)果，從圖中可以看出，積灰量隨煙氣溫度和管壁溫度而發(fā)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(shí)，積灰量最小，這一結(jié)果與文獻(xiàn)中在工業(yè)規(guī)模垃圾流化床中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10]一致。

圖9 不同管壁溫度下積灰質(zhì)量

圖10 為掃描電鏡得到的煙氣溫度為850℃時(shí)，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(xì)顆粒物團(tuán)聚形成。這些細(xì)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(jié)程度更高，積灰層中出現(xiàn)少量球形顆粒物［圖10(d)］。

8個(gè)工況下沉積物的化學(xué)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(xué)成分與原始浮灰組成作比較發(fā)現(xiàn)，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(zhì)冷凝；此外在較低管壁溫度下，由于更大的流場(chǎng)溫度梯度造成細(xì)顆粒在更大熱泳力的作用下在采樣管表面沉積。一個(gè)證據(jù)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(duì)K+、 Na+、 Ca2+//Cl-、 SO42-混合系統(tǒng)下的各物質(zhì)形態(tài)及分布進(jìn)行熱力學(xué)平衡模擬計(jì)算的研究表明，在最低591℃溫度下就存在低熔點(diǎn)物質(zhì)，并且隨著溫度升高，低熔點(diǎn)物質(zhì)逐漸增多。富含K、Na、Cl等物質(zhì)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(tài)，這部分物質(zhì)更容易隨著煙氣的運(yùn)動(dòng)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(xué)成分

650℃管壁溫度下積灰量較高，推斷主要因?yàn)檩^高的管壁溫度可以使更大比例的浮灰顆粒處于熔融狀態(tài)，增加了采樣管積灰表面的黏性。當(dāng)煙氣中的大粒徑浮灰與管壁發(fā)生碰撞時(shí)，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?nèi)?，從而抑制了浮灰中?xì)顆粒的沉積。

3 結(jié)論

（1）利用XRF 分析不同粒徑浮灰的主要化學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

（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(shí)，積灰量最小。若能有效控制管壁溫度，對(duì)減輕受熱面積灰、提高焚燒爐熱利用率將有積極的作用。