垃圾焚燒爐對流受熱面燒結(jié)積灰生長特性

唐智，陳曉平，劉道銀，梁財，馬吉亮

（東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京210096）

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程不斷加快，城市垃圾產(chǎn)生量急劇增加?，F(xiàn)有垃圾處理方法包括衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒。其中垃圾焚燒處理由于具有占地少、處理時間短、減量化顯著、無害化較為徹底以及可回收垃圾焚燒余熱等優(yōu)點已經(jīng)成為不少城市解決垃圾問題的重要選擇[1-4]。然而實際運行中發(fā)現(xiàn)垃圾焚燒爐受熱面積灰現(xiàn)象較普遍，積灰的形成將會使受熱面熱阻增加，傳熱惡化，引起排煙溫度升高，降低鍋爐效率，影響鍋爐正常運行。

積灰，是指溫度低于灰熔點的灰粒在受熱面上沉積，主要發(fā)生在對流受熱面上。目前對燃煤和生物質(zhì)鍋爐的積灰研究已經(jīng)形成比較系統(tǒng)的理論。積灰根據(jù)積灰強度分為黏結(jié)性積灰和松散性積灰：黏結(jié)性積灰一般在管壁的迎風面形成并沿著氣流生長，這種積灰不斷增長會引起管束的阻力迅速增加，直至整個煙道堵塞；松散性積灰一般形成在管壁的背風面，或者當顆粒很細微或煙氣速度很小時在管壁的迎煙面形成。

國內(nèi)外已有不少學者圍繞垃圾焚燒爐灰特性進行研究。在爐排爐垃圾焚燒爐積灰研究方面，吳永新[3]研究表明，對流受熱面的積灰為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，加速了積灰的生成。閻常峰等[5]發(fā)現(xiàn)對流受熱面積灰中鈣和硫的含量突出，堿金屬含量較高。Phongphiphat 等[6]研究表明，過熱器積灰中S的含量較高，過熱器和省煤器區(qū)域積灰中堿金屬物比例較高。

在流化床垃圾焚燒爐積灰研究方面，許明磊[4]研究實爐取樣的積灰特性，發(fā)現(xiàn)受熱面燒結(jié)積灰主要由細顆粒熔融團聚而成；煙氣溫度越高，燒結(jié)性積灰的結(jié)構(gòu)越致密；形成燒結(jié)性積灰的主要元素是Ca、S 等，燒結(jié)積灰的物相組成主要是CaSO4，還有少量低熔點的鈣的硅酸鹽。李清海等[7]通過在高溫過熱器區(qū)域布置積灰實驗采樣管發(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。

以上研究只是對實爐取樣的積灰整體特性進行研究，現(xiàn)有針對煤粉爐以及生物質(zhì)鍋爐受熱面積灰問題的研究表明，積灰一般分為三層：初始積灰層（或者內(nèi)層）、中間層和外層。其中初始積灰層主要由飛灰中的細小顆粒（＜5μm）在擴散和熱泳力的作用下，通過分子間的作用力和靜電力吸附在管壁上，這些細小的顆粒在受熱面上沉積，形成穩(wěn)定初始積灰層。初始積灰層形成后，能夠捕獲由慣性力輸運到管壁的灰顆粒，并使積灰層厚度迅速增加[8-12]。目前分層研究爐排爐受熱面結(jié)渣和積灰的報道有少量報道。王桂英等[13]和俞海淼[14]等通過對爐排爐爐內(nèi)分層研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層和中間層都是由熔融及未熔融的顆粒組成，而外層主要以未熔融顆粒為主；受熱面積灰過程中，Na 和K 對初始層的形成起主要作用。Frandsen 等[15]通過對爐排爐取樣的灰進行研究發(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)嚴重。吳永新等[3]研究爐排爐受熱面初始積灰層形成的主要原因是以Na2SO4為主的堿金屬化合物與煙氣中的SO3以及受熱面上的Fe2O3反應(yīng)生成的堿金屬復(fù)合硫酸鹽在管壁上的沉積。

循環(huán)流化床垃圾焚燒爐與爐排爐在煙氣溫度、氣氛和受熱面布置等方面均有差異，目前關(guān)于循環(huán)流化床垃圾焚燒爐受熱面的積灰分層特性的研究鮮有報道。本文通過對循環(huán)流化床垃圾焚燒爐實爐取樣的松散性浮灰和塊狀硬積灰對比分析，同時對積灰分層特性進行研究將進一步深入揭示對流受熱面的積灰機理。

1 實驗系統(tǒng)、材料及方法

1.1 材料

實驗用浮灰和積灰取自浙江省某450t/d循環(huán)流化床垃圾焚燒爐（圖1），該焚燒爐采用單爐筒、自然循環(huán)、膜式水冷壁、外置換熱器等技術(shù)和結(jié)構(gòu)；爐膛溫度850～950℃；對流管束布置在水平煙道，該區(qū)域煙氣溫度550～750℃；省煤器采用膜式水冷壁，該區(qū)域煙氣溫度為200～400℃。

入爐煤和垃圾特性的設(shè)計值見表1。其中由于生活垃圾是復(fù)雜的混合物，現(xiàn)場取樣規(guī)律性較差，根據(jù)當?shù)爻鞘猩罾煞痔攸c，垃圾樣品選取果皮、菜葉、報紙、薄紙板、PVC、木屑和煤灰共7種物質(zhì)按一定比例配制而成。由表1可以看出，垃圾的水分和灰分都比較高，熱值較低，與燃煤鍋爐相比，燃燒過程中將產(chǎn)生更多的灰渣。為保障該焚燒爐持續(xù)穩(wěn)定運行，該焚燒爐采用生活垃圾和煤混燒，其中煤的摻燒比重約為20%。

圖1 450t/d循環(huán)流化床垃圾焚燒爐工藝流程

表1 入爐燃料特性

表2 為入爐煤和典型垃圾灰組分分析。從表2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。焚燒爐采用氣力輸送脫硫劑至爐內(nèi)脫硫，脫硫劑選用鈣劑脫硫劑，該脫硫劑主要成分為石灰石。

該焚燒爐在運行過程中發(fā)現(xiàn)對流受熱面的積灰問題比較突出，運行45 天左右必須停爐清灰，嚴重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運行。圖2為停爐后拍攝得到的兩處受熱面積灰情況。由該圖可以看出積灰主要是在受熱管的迎風面形成，積灰呈梳狀；部分區(qū)域管道上的積灰塊發(fā)生了“搭橋”現(xiàn)象，管道間通流間隙被積灰堵塞。剝離不同區(qū)域積灰發(fā)現(xiàn)，積灰質(zhì)地硬且脆，黏附在管壁上的積灰具有很強的黏附力，生成后難以清除。

表2 入爐煤和典型垃圾灰組分分析

圖2 受熱面積灰

在焚燒爐停爐檢修期間，分別取對流管束和省煤器區(qū)域管束上的松散性浮灰分別記錄為浮灰CF和EF（圖3）。浮灰樣品在干燥箱中120℃溫度下風干12h備用。兩種浮灰外觀均呈灰白色粉末狀，其中CF灰樣的顏色比EF灰樣略深。

圖3 受熱面浮灰和積灰樣品

緊貼管壁將積灰樣品[圖3(c)、(d)]分別從對流管束和省煤器受熱面上剝離后放置于干燥箱中備用。兩種積灰樣品高度均在50mm左右，整體堅硬致密，外層為深色的釉狀表面，根部與管壁連接處為紅褐色，且?guī)в薪饘俟鉂?，表明積灰可能具有腐蝕或侵蝕傾向。剝離金屬層后發(fā)現(xiàn)底層顏色為白色或灰白色，將該積灰層標記為C3；距離該層20mm左右的積灰中間層標記為C2，在樣品制備過程中發(fā)現(xiàn)中間層積灰中夾雜部分松散的顆?；蝾w粒團，這部分積灰很容易成粉，表明積灰的燒結(jié)程度不深；積灰外層C3為積灰樣品的外表面。

1.2 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。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沉積物積灰的晶相組成和微觀形貌進行分析。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 浮灰的理化特性

圖4 為對流管束浮灰和省煤器浮灰的微觀結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，浮灰的顆粒微觀結(jié)構(gòu)是多樣的，主要有多孔、層狀、團狀等結(jié)構(gòu)。形成原因主要是因為垃圾組分的多樣性以及積灰形成過程中發(fā)生的化學物理反應(yīng)產(chǎn)物的多樣性。對比兩種浮灰可發(fā)現(xiàn)，省煤器浮灰中大部分顆粒保持獨立的形態(tài)，極少數(shù)顆粒表面出現(xiàn)熔融跡象；而對流管束浮灰存在部分燒結(jié)現(xiàn)象，顆粒團聚現(xiàn)象明顯。這是由于對流管束區(qū)域煙氣溫度較高，高溫情況下可能存在的熔融相增大了顆粒間的表面力，容易引起煙氣中飛灰的燒結(jié)，這部分燒結(jié)顆粒進一步在松散性浮灰中富集。

兩種浮灰的粒徑分析結(jié)果見圖5。對流管束浮灰的平均粒徑為51.41μm，省煤器浮灰的平均粒徑為54.69μm。超過80%浮灰的粒徑小于100μm，其中對流管束浮灰中23%左右顆粒小于10μm，而省煤器浮灰中小于10μm顆粒占比15%左右。

為研究對流受熱面浮灰的熔融特性，分別對兩種浮灰樣品以及煤灰的熔融特性進行檢測，分析結(jié)果見表3。三種灰樣中，煤灰熔點最高，省煤器浮灰的灰熔點低于對流管束浮灰熔點80℃左右。

圖4 對流管束浮灰和省煤器浮灰的微觀結(jié)構(gòu)

表3 對流受熱面浮灰熔融性分析

表4為對流受熱面浮灰的組分分布。從表中可以看出，對流管束浮灰和省煤器浮灰在成分組成上差別不大，浮灰中的主要元素為Ca、Si、Al 和S，對流管束浮灰中Ca 和S 的含量略高于省煤器浮灰。

圖5 對流管束浮灰和省煤器浮灰的粒徑分布

2.2 積灰的理化特性

為考察流化床垃圾焚燒爐受熱面積灰的形成機理，對積灰沿生長方向的性質(zhì)變化進行了研究。將對流管束積灰樣品切開，對其斷面進行SEM 分析（圖6）。從圖中可以看出，積灰外層呈現(xiàn)明顯的致密燒結(jié)結(jié)構(gòu)[圖6(a)、(b)]，顆粒之間結(jié)合緊密，孔隙極少。

圖6(c)和(d)對對流管束積灰內(nèi)層表觀形貌進行分析，可以看出積灰內(nèi)層由大量小于10μm顆粒物組成，在積灰內(nèi)層有較多空隙，表面凹凸不平，能明顯觀察到部分球形顆粒[圖6(d)標紅部分]，這部分顆?？赡軄碜杂跓煔庵械娜廴陬w粒。

對比積灰內(nèi)層和外層的表觀形貌發(fā)現(xiàn)，積灰內(nèi)層顆粒間的結(jié)合并不緊密，具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上佐證了積灰內(nèi)層具有較高的熱阻。積灰層形成后，會顯著增加管壁的熱阻，可能引起換熱情況的惡化，加劇了后續(xù)顆粒，特別是大顆粒的沉積。

利用X射線熒光光譜儀對灰樣進行分析，得到樣品中組分分析見表5所示。利用能譜分析儀，對對流管束積灰樣品中的元素進行分析，得到如圖6所示標注點1～5以及面1～2各元素的平均含量，結(jié)果如表6所示。從表5可以看出，積灰各層主要元素為Ca、S、Si、Al和Fe，還有少量的K和Na。對比發(fā)現(xiàn)，從積灰內(nèi)層到外層，Ca和S的含量逐漸減少，而Al 和Si 的含量增加，積灰內(nèi)層K、Na、Fe和Cl 的含量高于其他層。外層中Si 和Al 元素含量偏高，一般認為含Si、Al較多的飛灰顆粒一般粒徑和硬度較大，這些大顆粒在慣性力的作用下撞到積灰層，被黏性表面捕獲，從而增加積灰的厚度。這部分含硅物質(zhì)來自于流化床床料或者垃圾和煤中的硅土物質(zhì)。內(nèi)層中K 和Na 元素較高，是由于堿金屬鹽熔點較低，這部分低熔點物質(zhì)更容易在內(nèi)層富集。

表4 對流受熱面浮灰的組分分布

圖6 對流受熱面積灰表觀形貌

表6 為圖6(d)所示各點及面的EDX 元素組成。從表中可以看出，點1 和點3 主要元素為Ca、S 和O，可以判斷為該物質(zhì)為CaSO4；點2、點4 和點5除了Ca、S、O 外，還有Si 以及少量的Al 和Mg，可以判斷為Ca的硅酸鹽。

圖7 為圖6(d)中某大顆粒（約15μm）EDX 分析。從圖中可以看出組成該顆粒主要元素為Al 和Si，可以判斷為高熔點的硅鋁化合物。而黏附在大顆粒周圍的細小顆粒的能譜分析可以看出，這部分細小顆粒是由Ca的硫酸鹽組成。由于Ca的硫酸鹽熔點相對較低，在積灰過程中可能起到黏結(jié)劑作用，黏合積聚撞擊上來的熔點較高的大顆粒，促進灰粒的沉積[16]。有學者研究表明硅的化合物在爐內(nèi)高溫環(huán)境下經(jīng)過一系列變化可能變成極細的霧狀SiO2，在管壁上形成直徑約0.2μm 的細顆粒，其外表面往往包有凝結(jié)的堿金屬氧化物，堿金屬化合物與硅、鋁的化合物會形成易熔的共晶體，在受熱時形成有黏性的灰層，促進灰層很快增厚，并將繼續(xù)黏合積聚撞擊上來的飛灰顆粒，大大促進灰粒的沉積[17-19]。

為了進一步了解沉積物各層的化學組成，圖8給出了積灰和浮灰的礦物組成的分析結(jié)果，與前面EDX 和XRF 分析結(jié)果相互印證。對積灰樣品各層進行物相分析可知，積灰中主要的晶相物按衍射峰強度依次為無水石膏（CaSO4）、石英（SiO2）、赤鐵礦（Fe2O3）、鈣長石（CaAl2Si2O8）以及少量的方解石（CaCO3）。無水石膏在積灰各層中的衍射峰強度遠遠高于其他物相，說明積灰中Ca 主要以硫酸鹽的形式存在。積灰主要為Ca-S 型積灰，而Ca主要自于燃料本身和爐內(nèi)脫硫劑。上述結(jié)果提示，在焚燒爐運行過程中可通過合理選擇爐內(nèi)脫硫劑、控制脫硫劑的使用量以達到減輕積灰的目的。

表5 積灰樣品中組分分析

表6 圖6所示各點及面的EDX元素組成（質(zhì)量分數(shù)）單位:%

與對流管束積灰相比，省煤器各層積灰中無水石膏的衍射峰值強度均偏高，但是鈣長石、方解石等鈣的礦物質(zhì)均偏低（鈣長石在E1～E3 積灰中未檢測出，方解石僅在E1檢測出）。可能原因是在較高煙氣溫度（550～750℃） 的對流管束區(qū)域，CaSO4在生成反應(yīng)的同時，CaSO4容易分解并和含Si和Al 的化合物反應(yīng)生成少量Ca 的硅酸鹽。有學者研究發(fā)現(xiàn)CaSO4的分解以及硅酸鹽形成過程中釋放的化學反應(yīng)熱會加劇積灰的熔融，促進積灰的生長[3-5]。

Fe 形成的化合物通常具有較低的熔點，在積灰過程中起著重要的作用。通過前面的分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e 在內(nèi)層含量最多，外層含量最少。現(xiàn)有對煤粉爐的研究表明[12]，S和Fe是引起煤粉爐爐內(nèi)結(jié)渣的重要原因，F(xiàn)e 的氧化物FeO 不僅自身熔點低（1030℃），而且容易與CaO、SiO2、Al2O3等一起形成低熔點共晶體，如鐵橄欖石2FeO·SiO2（熔點1205℃）、 鐵 鋁 榴 石3FeO·Al2O3·3SiO2（熔 點1240℃）。積灰中Fe一方面來自于壁面的腐蝕，另一方面來自于垃圾及煤中的Fe 與Na、K 堿金屬生成Fe的堿性金屬硅酸鹽。

圖7 對流管束積灰內(nèi)層顆粒能譜

分析中發(fā)現(xiàn)NaCl 和KCl 在積灰內(nèi)層中含量最高，在中間層和外層較少。這是因為在初始階段，由于管壁溫度較低，煙氣中從燃料中揮發(fā)出的Na、K及其氧化物、氫氧化物遇到硫的氧化物或者HCl會生成堿金屬硫酸鹽或者氯化物如NaCl、KCI、Na2SO4等，此外還容易與Fe 形成堿金屬硅酸鹽的熔融，從而在積灰內(nèi)層沉積。此外氣化的堿金屬成分在凝結(jié)過程中，顆粒間的接觸面積增大，并有時候伴隨著液相的存在，從而也為積灰快速燒結(jié)提供了條件。此外在高溫下沉積在內(nèi)層低熔點的NaCl、KCl和Na2SO4等是不穩(wěn)定的，而外壁溫度隨沉積的加厚逐漸升高，這部分低熔點物質(zhì)會隨著溫度的升高而升華，逐漸向外層逸出；另一部分堿金屬物質(zhì)可能與煙氣中Si、Al 等化合物生成熔點更高物質(zhì)。以上兩種原因共同造成NaCl 和KCl 在中間層和外層較少。上述結(jié)果表明，可采用在焚燒爐中摻入適量添加劑，通過化學反應(yīng)或物理吸附降低煙氣中堿金屬和Cl 的含量的手段，達到減輕受熱面積灰的目的。

SiO2在兩種浮灰（CF 和EF）中的衍射峰值強度遠高于積灰各層中的相應(yīng)值，這是因為高熔點的SiO2（熔點為1710℃左右）粒徑和硬度較大，在低溫范圍內(nèi)不易揮發(fā)，慣性碰撞是這部分顆粒沉積的主要原因[13-15]。

圖8 對流受熱面積灰積灰和浮灰的XRD圖譜

3 結(jié)論

在對生活垃圾、入爐煤和脫硫劑進行取樣灰化特性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際垃圾焚燒爐內(nèi)的松散性浮灰和積灰樣品分析，從化學物理特性的研究入手，從整體上認識垃圾焚燒爐對流受熱面松散性浮灰和燒結(jié)性積灰的性質(zhì)，得到以下結(jié)論。

（1）對比分析對流管束和省煤器松散性浮灰的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)主要浮灰的顆粒微觀結(jié)構(gòu)是多樣的，有多孔、層狀、團狀等結(jié)構(gòu)；流管束浮灰存在部分燒結(jié)現(xiàn)象，顆粒團聚現(xiàn)象明顯；超過80%浮灰的粒徑小于100μm，對流管束浮灰中小于10μm顆粒比例更高；兩種浮灰主要包含Ca、Si、Al 和S 等元素。

（2）各層積灰中Ca 和S 的含量較高，主要物相為CaSO4；省煤器各層積灰中CaSO4的含量高于相應(yīng)的對流管束積灰，但是鈣長石、方解石等鈣的礦物質(zhì)較低。

（3）從積灰內(nèi)層到外層Ca 和S 的含量逐漸減少，而Al和Si的含量逐漸增加；積灰內(nèi)層K、Na、Fe和Cl的含量高于其他層。

（4）在焚燒爐運行過程中可通過合理選擇爐內(nèi)脫硫劑、控制脫硫劑的用量以及摻入適量添加劑以達到減輕積灰的目的。