垃圾焚烧炉对流受热面烧结积灰生长特性

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垃圾焚烧炉对流受热面烧结积灰生长特性

作者：唐智，陈晓平，刘道银，梁财，马吉亮

（东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，

江苏 南京 210096）

摘 要

使用扫描电子显微镜、X射线荧光光谱仪、激光粒度分析仪等分析手段，对流化床垃圾焚烧炉对流受热面的松散性浮灰和烧结性积灰的微观结构和组成成分等进行研究。结果表明，省煤器浮灰中大部分颗粒保持着独立的形态，而对流管束浮灰存在烧结现象；绝大部分的浮灰粒径位于0～100μm；省煤器浮灰的灰熔点低于对流管束浮灰熔点80℃左右；对流管束浮灰和省煤器浮灰在成分组成上差别不大，浮灰中的主要元素均为Ca、Si、Al和S，但对流管束浮灰中Ca和S的含量高于省煤器浮灰。各层积灰中Ca和S的含量较高，主要物相为CaSO4。对流管束积灰中Ca和S含量高于省煤器积灰；对流管束和省煤器积灰中Al和Si的含量远低于浮灰中的相应含量。从积灰内层到外层Ca和S的含量逐渐减少，而Al和Si的含量逐渐增加；积灰内层K、Na、Fe和Cl的含量高于其他层。

随着我国经济的高速发展，城市化进程不断加快，城市垃圾产生量急剧增加。现有垃圾处理方法包括卫生填埋、堆肥和焚烧。其中垃圾焚烧处理由于具有占地少、处理时间短、减量化显著、无害化较为彻底以及可回收垃圾焚烧余热等优点已经成为不少城市解决垃圾问题的重要选择。然而实际运行中发现垃圾焚烧炉受热面积灰现象较普遍，积灰的形成将会使受热面热阻增加，传热恶化，引起排烟温度升高，降低锅炉效率，影响锅炉正常运行。
积灰，是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上沉积，主要发生在对流受热面上。目前对燃煤和生物质锅炉的积灰研究已经形成比较系统的理论。积灰根据积灰强度分为黏结性积灰和松散性积灰：黏结性积灰一般在管壁的迎风面形成并沿着气流生长，这种积灰不断增长会引起管束的阻力迅速增加，直至整个烟道堵塞；松散性积灰一般形成在管壁的背风面，或者当颗粒很细微或烟气速度很小时在管壁的迎烟面形成。
国内外已有不少学者围绕垃圾焚烧炉灰特性进行研究。在炉排炉垃圾焚烧炉积灰研究方面，吴永新研究表明，对流受热面的积灰为Ca-S型烧结性积灰，过高烟气温度将造成CaSO4和钙的硅酸盐等表面产生熔融相，加速了积灰的生成。阎常峰等发现对流受热面积灰中钙和硫的含量突出，碱金属含量较高。Phongphiphat等研究表明，过热器积灰中S的含量较高，过热器和省煤器区域积灰中碱金属物比例较高。
在流化床垃圾焚烧炉积灰研究方面，许明磊研究实炉取样的积灰特性，发现受热面烧结积灰主要由细颗粒熔融团聚而成；烟气温度越高，烧结性积灰的结构越致密；形成烧结性积灰的主要元素是Ca、S等，烧结积灰的物相组成主要是CaSO4，还有少量低熔点的钙的硅酸盐。李清海等通过在高温过热器区域布置积灰实验采样管发现高温过热器积灰层的颗粒排列紧密，物相组成为CaSO4、石英、SiO2、Ca2SiO4等，积灰主要是由黏结性颗粒撞击管壁所致。
以上研究只是对实炉取样的积灰整体特性进行研究，现有针对煤粉炉以及生物质锅炉受热面积灰问题的研究表明，积灰一般分为三层：初始积灰层（或者内层）、中间层和外层。其中初始积灰层主要由飞灰中的细小颗粒（＜5μm）在扩散和热泳力的作用下，通过分子间的作用力和静电力吸附在管壁上，这些细小的颗粒在受热面上沉积，形成稳定初始积灰层。初始积灰层形成后，能够捕获由惯性力输运到管壁的灰颗粒，并使积灰层厚度迅速增加。目前分层研究炉排炉受热面结渣和积灰的报道有少量报道。王桂英等和俞海淼等通过对炉排炉炉内分层研究发现，内层和中间层都是由熔融及未熔融的颗粒组成，而外层主要以未熔融颗粒为主；受热面积灰过程中，Na和K对初始层的形成起主要作用。Frandsen等通过对炉排炉取样的灰进行研究发现从积灰内层到外层，Ca、Cl、Si的含量逐渐增加，而S、K、Zn的含量则逐渐减少，外层积灰烧结严重。吴永新等研究炉排炉受热面初始积灰层形成的主要原因是以Na2SO4为主的碱金属化合物与烟气中的SO3以及受热面上的Fe2O3反应生成的碱金属复合硫酸盐在管壁上的沉积。
循环流化床垃圾焚烧炉与炉排炉在烟气温度、气氛和受热面布置等方面均有差异，目前关于循环流化床垃圾焚烧炉受热面的积灰分层特性的研究鲜有报道。本文通过对循环流化床垃圾焚烧炉实炉取样的松散性浮灰和块状硬积灰对比分析，同时对积灰分层特性进行研究将进一步深入揭示对流受热面的积灰机理。

1实验系统、材料及方法

1.1 材料

图1　450t/d循环流化床垃圾焚烧炉工艺流程

表1　入炉燃料特性

表2　入炉煤和典型垃圾灰组分分析

图2　受热面积灰

图3　受热面浮灰和积灰样品

2实验结果与讨论

2.1 浮灰的理化特性

图4　对流管束浮灰和省煤器浮灰的微观结构

图5　对流管束浮灰和省煤器浮灰的粒径分布

表3　对流受热面浮灰熔融性分析

表4　对流受热面浮灰的组分分布

2.2 积灰的理化特性

表5　积灰样品中组分分析

图6　对流受热面积灰表观形貌

表6　图6所示各点及面的EDX元素组成（质量分数）

单位:%

图7　对流管束积灰内层颗粒能谱

图8　对流受热面积灰积灰和浮灰的XRD图谱

1—CaSO4; 2—SiO2; 3—Fe2O3; 4—CaCO3; 5—Ca2SiO4;

6—CaO; 7—NaCl; 8—KSi3AlO8; 9—KCl;

10—CaAl2Si2O8; 11—Al2O3

3结  论

在对生活垃圾、入炉煤和脱硫剂进行取样灰化特性研究的基础上，结合实际垃圾焚烧炉内的松散性浮灰和积灰样品分析，从化学物理特性的研究入手，从整体上认识垃圾焚烧炉对流受热面松散性浮灰和烧结性积灰的性质，得到以下结论。
（1）对比分析对流管束和省煤器松散性浮灰的微观结构发现主要浮灰的颗粒微观结构是多样的，有多孔、层状、团状等结构；流管束浮灰存在部分烧结现象，颗粒团聚现象明显；超过80%浮灰的粒径小于100μm，对流管束浮灰中小于10μm颗粒比例更高；两种浮灰主要包含Ca、Si、Al和S等元素。
（2）各层积灰中Ca和S的含量较高，主要物相为CaSO4；省煤器各层积灰中CaSO4的含量高于相应的对流管束积灰，但是钙长石、方解石等钙的矿物质较低。
（3）从积灰内层到外层Ca和S的含量逐渐减少，而Al和Si的含量逐渐增加；积灰内层K、Na、Fe和Cl的含量高于其他层。
（4）在焚烧炉运行过程中可通过合理选择炉内脱硫剂、控制脱硫剂的用量以及掺入适量添加剂以达到减轻积灰的目的。


内容来源：化工进展