張東旺，楊海瑞，周托，黃中，李詩媛，張縵

（1 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083； 2 清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084）

引 言

生物質(zhì)是目前唯一的可再生碳源，未來生物質(zhì)能源將成為最具有發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，?050年，生物質(zhì)有望替代27%的動(dòng)力燃料[1]。目前對(duì)生物質(zhì)能源的利用方式中，燃燒發(fā)電方式可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的大規(guī)模利用[2-4]，在“雙碳”背景下，中國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電新增裝機(jī)容量逐年遞增。歐洲的生物質(zhì)主要以林業(yè)廢棄物為主，而中國(guó)則以農(nóng)業(yè)廢棄物為主，其中K等堿金屬含量較高，與其他物質(zhì)形成的共熔物可能低于堿金屬氧化物的熔點(diǎn)，造成生物質(zhì)鍋爐的煙氣中含有大量熔融態(tài)的飛灰，容易黏附在對(duì)流受熱面上形成類似“膠水”作用的黏性底層[5]，進(jìn)而捕獲飛灰顆粒造成嚴(yán)重的積灰問題，影響流動(dòng)和換熱并會(huì)腐蝕金屬受熱面，降低鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)生物質(zhì)積灰問題進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[6-13]，主要集中在熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究和實(shí)際鍋爐定期取樣研究，由于積灰過程是復(fù)雜的物理化學(xué)變化，且目前的實(shí)驗(yàn)研究缺乏統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和測(cè)量方法，因此不同學(xué)者得出的結(jié)論甚至?xí)嗝躘14-15]。在冷態(tài)下進(jìn)行的積灰實(shí)驗(yàn)還相對(duì)較少，孫巍[16]用滑石粉在冷態(tài)下模擬了垃圾焚燒爐的積灰特性，實(shí)驗(yàn)了不同氣體流速和管束布置方式對(duì)積灰的影響。許明磊[17]自行搭建了冷態(tài)積灰實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)不同管束布置方式和煙氣流速下的積灰特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，在冷態(tài)下測(cè)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(tài)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(xiàn)有冷態(tài)積灰實(shí)驗(yàn)臺(tái)僅能模擬松散積灰，而實(shí)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(guān)研究表明，生物質(zhì)鍋爐對(duì)流受熱面的積灰以慣性碰撞為主，且與生物質(zhì)灰中熔融質(zhì)的比例密切相關(guān)[20-21]，如果在實(shí)驗(yàn)室能通過添加不同比例的熔融質(zhì)到生物質(zhì)灰中，便可通過冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)便快捷地確定生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)積灰特性的影響，因此，本文在分析沉積機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立以灰熔融質(zhì)比例為特征參數(shù)的慣性碰撞沉積模型，并研究不同熔融質(zhì)比例飛灰在不同鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)下的灰顆粒沉積特性，以期對(duì)生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)提供參考。

1 沉積機(jī)理及模型

1.1 沉積機(jī)理

當(dāng)含塵氣流橫向繞流圓柱時(shí)，邊界層外的流動(dòng)速度和流動(dòng)方向會(huì)變化。在圓管的前駐點(diǎn)附近，氣流由于阻擋被迫轉(zhuǎn)向，但是顆粒由于慣性作用會(huì)在駐點(diǎn)兩側(cè)形成積灰區(qū)，如圖1 所示。生物質(zhì)積灰按機(jī)理分為：慣性碰撞沉積、熱泳沉積、冷凝沉積、化學(xué)反應(yīng)、渦流沉積等[6,22]。飛灰顆粒在慣性力的作用下輸運(yùn)到受熱面附近，發(fā)生碰撞、沉積、反彈等行為，慣性碰撞對(duì)粒徑大于10 μm 的顆粒的輸運(yùn)占主導(dǎo)，慣性碰撞引起的沉積主要集中在迎風(fēng)側(cè)。對(duì)于粒徑在1～10 μm 的顆粒輸運(yùn)機(jī)理主要是熱泳沉積，在溫度梯度的作用下，顆粒從高溫區(qū)向低溫的受熱面遷移而沉積。煙氣中氣態(tài)的無機(jī)鹽蒸氣經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入邊界層，在接觸受熱面后，遇冷后發(fā)生冷凝沉積。由于大顆粒較大的慣性，難以到達(dá)受熱面的背風(fēng)側(cè)，且在尾渦的作用下，背風(fēng)側(cè)沉積量較少且以小顆粒為主。

圖1 橫向繞流圓管流動(dòng)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(fā)現(xiàn)由慣性碰撞引起的沉積量比其他機(jī)理的沉積量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)；Yang 等[24]結(jié)合CFD 方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮了慣性碰撞、熱泳沉積和堿金屬蒸氣的冷凝對(duì)顆粒沉積的影響，發(fā)現(xiàn)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(diǎn)關(guān)注慣性碰撞對(duì)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(shù)，提出的熔融組分模型廣泛應(yīng)用于求解堿金屬成分含量較高的生物質(zhì)飛灰沉積研究中。該模型以飛灰中熔融質(zhì)的比例定義了4 個(gè)特征溫度，分別為T0、T15、T70和T100，其中數(shù)值代表了熔融質(zhì)的比例。Walsh 等[26]提出采用灰顆粒和灰表面的熔融質(zhì)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(zhì)的比例，可以通過熱力學(xué)軟件Factsage計(jì)算得到。

1.2 慣性碰撞沉積定量計(jì)算

由慣性碰撞引起的沉積量II(t,θ)計(jì)算式如式(2)，該模型由Wessel 等[27]提出，并由Zhou 等[6]和Rocca等[28]驗(yàn)證其有效性，可以用來計(jì)算生物質(zhì)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(nèi)、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(shí)刻的單位時(shí)間步長(zhǎng)；θ是沿圓管處θ位置的單位空間步長(zhǎng)。單純用Stokes數(shù)來計(jì)算碰撞效率并不準(zhǔn)確，需引入修正因子ψ對(duì)Stokes 數(shù)進(jìn)行修正[29]，如式(3)、式(4)，其中Rep是顆粒的Reynolds 數(shù)。ηI(i,θ)是粒徑在i范圍內(nèi)、θ角度處的碰撞效率，如式（5）；最大積灰角度θmax計(jì)算如式（6）。式中，ηt(i)、β為中間參數(shù)，參考文獻(xiàn)[27]中的取值。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由于熔融質(zhì)的比例是影響顆粒黏附概率的重要因素，如果能在冷態(tài)下模擬出不同熔融質(zhì)比例的灰顆粒，將簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程并縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。設(shè)計(jì)思路如下：在冷態(tài)下，用熱空氣攜帶循環(huán)灰顆粒和石蠟粉末來模擬含塵煙氣，在氣體尾部布置鋁環(huán)來模擬對(duì)流受熱面管道。進(jìn)而在冷態(tài)下模擬不同氣流流速、顆粒粒度、熔融質(zhì)比例條件下，管束的積灰變化情況。在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的模擬工況下，通過積灰程度，為實(shí)際生物質(zhì)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供依據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示，主要包括風(fēng)機(jī)、變頻器、空氣加熱裝置、給料器、積灰收集裝置。風(fēng)機(jī)背壓為45 kPa，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，經(jīng)過空氣加熱裝置后溫度最高可以達(dá)到350℃，通過螺旋給料機(jī)可以實(shí)現(xiàn)5～15 g/min 的給料速率將石蠟與循環(huán)灰送入熱空氣中，最終被熱風(fēng)加熱熔融的混合物沉積在尾部的鋁環(huán)上。給料機(jī)料倉內(nèi)設(shè)有攪拌棒以保證石蠟和循環(huán)灰充分混合，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的氣體溫度為95℃，以保證模擬飛灰中的石蠟?zāi)軌蛉廴?，通過實(shí)驗(yàn)前后對(duì)鋁環(huán)稱重來判斷積灰程度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石蠟與循環(huán)灰可以較快地黏附在鋁環(huán)上，與真實(shí)的生物質(zhì)積灰實(shí)驗(yàn)相比，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

2.3 實(shí)驗(yàn)物料

采用實(shí)際運(yùn)行的生物質(zhì)鍋爐的循環(huán)灰作為實(shí)驗(yàn)中飛灰顆粒的非熔融部分，所用的循環(huán)灰顆粒的平均粒徑約為109 μm，粒徑分布如圖3 所示，循環(huán)灰的粒徑較實(shí)際鍋爐的飛灰粒徑大，但實(shí)驗(yàn)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(huì)迅速附著在實(shí)驗(yàn)段的有機(jī)玻璃壁面上，無法觀察灰的沉積過程，因此實(shí)驗(yàn)中選用了更大粒徑的循環(huán)灰。所選用的石蠟粉末為半精煉石蠟，熔點(diǎn)為65℃，通過粉碎機(jī)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(huán)灰篩分成75、90、111、150 μm的粒級(jí)，并將兩者按不同的比例混合均勻。

圖3 循環(huán)灰粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of circulating ash

采用SEM 對(duì)不同粒級(jí)的循環(huán)灰進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示，灰顆粒表面呈不規(guī)則狀態(tài)、凹凸不平、粗糙度大，造成熔融狀態(tài)的堿金屬鹽容易黏附在上面。

2.4 實(shí)驗(yàn)工況及方法

以循環(huán)灰和石蠟混合物為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)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(fā)生變化后，認(rèn)為顆粒沉積和脫落處于動(dòng)態(tài)平衡，沉積過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束測(cè)量鋁環(huán)的質(zhì)量變化情況表征沉積程度。

為表征不同時(shí)刻的沉積量的變化，采用錄像的方式間接測(cè)量沉積厚度。通過對(duì)圖像進(jìn)行處理，提取主體部分并對(duì)背景進(jìn)行純色填充，結(jié)果如圖5 所示，可以看出處理后的圖片可以較好地區(qū)分圓管和積灰邊緣。在Photoshop 中拉出四條參考線，分別對(duì)齊四個(gè)邊緣，分別測(cè)量左右和上下參考線間的像素距離，如圖6 所示，根據(jù)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(cè)量積灰厚度Fig.6 Measurement of ash thickness

3 結(jié)果與討論

3.1 灰的沉積過程

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，無石蠟的情況下，單獨(dú)的循環(huán)灰?guī)缀醪荒莛じ皆阡X環(huán)上，而石蠟與循環(huán)灰的混合物可以快速黏附在鋁環(huán)上，且沉積主要分布在迎風(fēng)側(cè)第一行鋁環(huán)上，因此采用第一行的沉積平均質(zhì)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(fēng)側(cè)，背風(fēng)側(cè)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(duì)鋁環(huán)上的混合沉積物進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)添加石蠟后，表面呈連接成片的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。這表明在混合物中有熔融態(tài)物質(zhì)出現(xiàn)，而沒有形成顆粒堆疊而產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)。且熔融質(zhì)比例（即石蠟的質(zhì)量占比）越高，顆粒表面片狀結(jié)構(gòu)越厚，表明熔融質(zhì)比例的增加加強(qiáng)了顆粒的黏性。

圖7 生物質(zhì)循環(huán)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(shí)刻積灰形態(tài)如圖8 所示，圖9 是圖片處理后的不同時(shí)間的沉積厚度變化曲線，可以看出灰渣生長(zhǎng)曲線與生物質(zhì)積灰類似[30]，分為四個(gè)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(shí)沉積層顏色較淺；（2）快速生長(zhǎng)階段（2～4 min），此時(shí)黏性初始層的形成使通過慣性力輸運(yùn)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(zhǎng)階段（4～6 min），灰渣表面溫度持續(xù)升高，熔融質(zhì)開始軟化，灰顆粒間通過石蠟連接在一起，沉積層進(jìn)一步致密化；（4）穩(wěn)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(fā)生顆粒脫落，沉積層的生長(zhǎng)與脫落處于動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)沉積層的厚度維持穩(wěn)定狀態(tài)。在對(duì)冷卻后的沉積物進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象：內(nèi)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(duì)應(yīng)生長(zhǎng)階段；最外層致密，硬度較高，是穩(wěn)定階段形成。

圖8 不同時(shí)刻積灰形態(tài)變化Fig.8 Changes in the form of ash deposits at different time

圖9 不同時(shí)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(zhì)比例對(duì)灰沉積的影響

控制顆粒粒徑為111 μm，給料速率為10 g/min，實(shí)驗(yàn)研究了不同熔融質(zhì)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(fā)生變化時(shí)的積灰情況，采用穩(wěn)定階段的沉積質(zhì)量來表征積灰程度。結(jié)果如圖10所示，可以看出積灰程度隨著熔融質(zhì)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(zhì)的比例的增加而提高，通過對(duì)比不同熔融質(zhì)比例下的沉積質(zhì)量，可以看出沉積質(zhì)量的增速隨著熔融質(zhì)比例的增加而逐漸放緩，其原因可能是在熔融質(zhì)比例較高時(shí)，顆粒的沖刷效應(yīng)明顯，在熔融質(zhì)比例為30%的實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)沉積物會(huì)發(fā)生液態(tài)成塊脫落。

氣體流速對(duì)積灰的影響主要體現(xiàn)在：高流速下顆粒的Stokes數(shù)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(shí)，會(huì)更快地到達(dá)受熱面，被冷卻時(shí)間短，熔融質(zhì)占比較高，更容易黏附在受熱面上。

實(shí)際生物質(zhì)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(fā)管束等方式減緩積灰問題。

3.3 灰粒度對(duì)灰沉積的影響

控制熔融質(zhì)的比例為20%，顆粒粒徑對(duì)積灰程度的影響如圖11所示，可以看出沉積質(zhì)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(shí)，沉積質(zhì)量從2.5 g 增加到4.2 g。這是因?yàn)榇箢w粒有較大的慣性，有更高的概率會(huì)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(dòng)能較大，到達(dá)及穿越邊界層的時(shí)間較短，有較短的冷卻時(shí)間，在撞擊受熱面時(shí)仍具有較高的溫度，相應(yīng)的黏附概率較大。

圖11 不同粒徑下的沉積質(zhì)量（實(shí)驗(yàn)值）Fig.11 Deposition quality under different particle sizes(experimental value)

大顆粒的粒徑對(duì)于沉積的影響如圖11所示，由于1.2 節(jié)中提到的慣性碰撞數(shù)學(xué)模型僅適用于小顆粒，為了驗(yàn)證小顆粒同樣有類似的規(guī)律，采用該模型計(jì)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(jì)算實(shí)驗(yàn)條件下的大顆粒的積灰情況。結(jié)果如圖12所示，傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐的飛灰中位粒徑一般為d50≤20 μm，模型計(jì)算表明，其他設(shè)計(jì)參數(shù)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(jìn)而避免嚴(yán)重的積灰問題。

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

表1 部分計(jì)算參數(shù)Table 1 Partial calculation parameter

4 結(jié) 論

積灰問題困擾著生物質(zhì)鍋爐的安全運(yùn)行，為了獲得鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)積灰特性的影響規(guī)律，本文在分析積灰機(jī)理的基礎(chǔ)上，搭建了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用熱風(fēng)輸送石蠟，用熔融石蠟?zāi)M生物質(zhì)飛灰中熔融質(zhì)，研究鍋爐煙速、煙溫及飛灰顆粒粒徑對(duì)積灰特性的影響，得到如下結(jié)論。

（1）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石蠟和循環(huán)灰可以快速黏附在尾部鋁環(huán)上，通過對(duì)循環(huán)灰與石蠟的混合沉積物進(jìn)行SEM 分析，發(fā)現(xiàn)添加石蠟后灰表面呈連接成片的結(jié)構(gòu)，表明石蠟的添加增強(qiáng)了顆粒間的黏性。

（2）通過圖像處理得到了沉積厚度隨時(shí)間的變化曲線。沉積過程分為4 個(gè)階段，與沉積物的分層現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，與真實(shí)的生物質(zhì)積灰生長(zhǎng)趨勢(shì)一致。

（3）研究了氣體流速、石蠟比例和顆粒粒徑等對(duì)積灰的影響，發(fā)現(xiàn)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(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

（4）通過已有數(shù)學(xué)模型計(jì)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。