聶 立 ，張佳凱，胡世豪，岑可法，周 昊

(1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，成都 611731)

煤炭是電廠蒸汽發(fā)生的主要化石燃料，煤炭的大量使用導(dǎo)致了溫室氣體和酸性氣體的排放[1-4].開發(fā)利用可再生能源是解決這一問題的方案之一.我國生物質(zhì)儲量豐富，生物質(zhì)與煤的摻燒能提高鍋爐的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，但是生物質(zhì)中含有的堿性氧化物和鹽類會加劇鍋爐受熱面的結(jié)渣[5-6].

國內(nèi)外學(xué)者對生物質(zhì)與煤的摻燒展開了大量的研究，F(xiàn)ang 等[7]研究了生物質(zhì)灰熔融特性和結(jié)渣傾向的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著玉米秸稈的摻燒比例的增加，摻混灰熔點先下降后升高.Priyanto 等[8]在木屑與生物質(zhì)摻燒的研究中發(fā)現(xiàn)，木屑中灰分含量對摻燒的沉積結(jié)果影響較大，高灰分木屑增加了摻燒灰中鈣質(zhì)礦物質(zhì)的含量，降低了摻燒灰熔點，促進(jìn)結(jié)渣.Wigley 等[9]研究了5 種生物質(zhì)的摻燒沉積情況，結(jié)果表明，當(dāng)摻燒生物質(zhì)的比例較高時，沉積率和燒結(jié)率變化較大.Abreu 等[10]研究了10%和50%比例木屑和橄欖核分別與煙煤摻燒的沉積問題，實驗結(jié)果表明，橄欖核對摻燒結(jié)渣率和黏附性影響較大，松木屑摻燒沉積率較低.然而這些研究通常是通過對摻燒產(chǎn)物的分析，推測摻燒生物質(zhì)對結(jié)渣的影響，很少有在線監(jiān)測灰渣的生長過程的研究.此外，水稻秸稈和小麥秸稈與煙煤的摻燒中試實驗也相對較少.

本文利用自主研發(fā)的在線監(jiān)測技術(shù)，在50 kW下行爐上進(jìn)行了水稻秸稈、小麥秸稈與煙煤的摻燒實驗，全程監(jiān)測灰渣的生長和熱量傳遞情況.實驗結(jié)束后對灰渣初始層進(jìn)行了能量色散X 射線光譜分析(EDX)以及化學(xué)平衡計算，對比多種結(jié)渣指數(shù)，分析了摻燒對煙煤結(jié)渣的影響，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo).

1 實驗設(shè)置

1.1 實驗裝置介紹

實驗在一臺50 kW 中試下行爐中完成，如圖1所示，爐膛高6 500 mm，內(nèi)徑250 mm，由爐膛本體，燃燒系統(tǒng)(包括燃燒器、給料機、送風(fēng)機、點火系統(tǒng))，煙氣處理系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)(溫度監(jiān)測、CCD 相機、積灰探針、煙氣分析儀)組成.燃燒器向下組織燃燒，在煙道尾部裝有引風(fēng)機，煙氣由上至下離開爐膛.圖2為灰沉積探針和CCD 相機示意，CCD 相機和灰沉積探針相對布置在第4 節(jié)爐膛，探針外裝有冷卻套管，探針表面的溫度由循環(huán)冷卻油控制，探針的灰渣沉積部位長76 mm，外徑40 mm.在探針的內(nèi)外表面裝有K 型熱電偶，用于測量探針內(nèi)外側(cè)溫度，從而計算流經(jīng)探針的熱流密度.CCD 相機系統(tǒng)主要由光桿、水冷套管以及CCD 相機組成，壓縮空氣從光桿尾部吹入，防止積灰遮擋鏡頭，確保拍攝圖像清晰.

圖1 50 kW下行爐實物圖與結(jié)構(gòu)Fig.1 Photo of 50 kW down-fired furnace and its stucture

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)(單位：mm)Fig.2 Online monitoring system(unit：mm)

1.2 燃料分析及工況設(shè)置

實驗中使用的煙煤、水稻秸稈以及小麥秸稈的燃料特性如表1 所示.實驗前對燃料進(jìn)行破碎，得到的煙煤、水稻秸稈和小麥秸稈的平均粒徑根據(jù)電廠摻燒經(jīng)驗分別選擇為31.88 μm、79.69 μm、457.62 μm，燃料粒徑根據(jù)電廠摻燒經(jīng)驗選擇.由表1 可知，生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分含量遠(yuǎn)大于煙煤，而固定碳含量則相對較少，所以煙煤的發(fā)熱量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)燃料.對比燃料的灰成分可以發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈和小麥秸稈灰分中的K 元素遠(yuǎn)大于煙煤，而Al、Fe 元素遠(yuǎn)小于煙煤，堿金屬元素的增加和硅鋁元素的減少使得生物質(zhì)灰熔點較低，表1 中灰熔點溫度(煙煤＞水稻秸稈＞小麥秸稈)也印證了這一點.

實驗工況如表2 所示，實驗設(shè)置6 組對比工況，分別為工況1(純煙煤)、工況2(煙煤＋6.7%水稻秸稈)、工況3(煙煤＋15%水稻秸稈)、工況4(煙煤＋22%水稻秸稈)、工況5(煙煤＋15%小麥秸稈)、工況6(煙煤＋22%小麥秸稈).

表1 煙煤、水稻秸稈、小麥秸稈燃料特性分析Tab.1 Analysis of fuel characteristics of bituminous coal，rice straw and wheat straw

表2 試驗工況Tab.2 Working conditions of test

2 測量分析方法

實驗中，由CCD 相機全程記錄灰渣的生長過程，見圖3.獲得的灰渣圖像經(jīng)過MATLAB 軟件處理得到灰渣和探針邊緣，從而得到探針半徑所占的像素個數(shù)Pr，灰渣最高點到探針圓心距離所占的像素個數(shù)Ph，在已知探針實際半徑R 的前提下，通過公式(1)計算得到某一時間灰渣的最大厚度[11].

如圖2(b)所示探針沉積區(qū)域的熱電偶分別用于測量探針內(nèi)外側(cè)的溫度，通過圓柱導(dǎo)熱方程計算得到某一時刻在豎直方向上通過灰渣的熱流密度.由于灰渣生長速度緩慢，探針上的傳熱可以近似為穩(wěn)態(tài)過程，因此通過探針的熱流密度可表示為

式中：q 表示在豎直方向上(圖2(b)的－y 方向)通過灰渣的熱流密度；R1、R2分別表示外側(cè)、內(nèi)側(cè)熱電偶到探針圓心的距離，分別為19 mm、15 mm；t1、t2分別表示探針外側(cè)、內(nèi)側(cè)的溫度；R 為探針半徑20 mm；λ為探針的導(dǎo)熱系數(shù).

實驗后利用EDX 分析了灰渣初始層，得到灰渣初始層的元素組成.并結(jié)合化學(xué)平衡法，利用FactSage 軟件，計算各工況灰分在爐膛溫度1 200 ℃時的熔融相比例，對實驗結(jié)果進(jìn)行補充和解釋，探究生物質(zhì)摻燒對灰沉積的影響.

圖3 灰渣厚度計算Fig.3 Calculation of slag thickness

3 結(jié)果分析

3.1 灰渣生長特性

圖4 為煙煤與不同比例的水稻秸稈摻燒時的灰渣生長曲線，由圖可知，灰渣生長厚度隨時間增加而增長，并呈三段分布：緩慢生長階段(Ⅰ～Ⅱ)，快速生長階段(Ⅱ～Ⅲ)，穩(wěn)定階段(Ⅲ～Ⅳ).定義穩(wěn)定階段沉積物的平均厚度為灰渣穩(wěn)定厚度.當(dāng)水稻摻燒比例為0%、6.7%、15%、22%時，灰渣的穩(wěn)定厚度分別為1.37 mm、2.09 mm、5.66 mm 和4.53 mm.結(jié)果表明，煙煤中摻燒水稻秸稈會促進(jìn)灰渣的生長，但隨著摻燒比例的增加，灰渣穩(wěn)定厚度先增加后減小，并在摻燒比例為15%時達(dá)到最大.圖5 為煙煤與不同比例小麥秸稈摻燒時的灰渣生長曲線，當(dāng)摻燒比例為0、15%、22%時，灰渣的穩(wěn)定厚度分別為1.37 mm，4.91 mm，7.24 mm.與水稻秸稈相同，摻燒小麥秸稈同樣會加劇煙煤的結(jié)渣，但小麥秸稈對結(jié)渣傾向的影響與摻燒比例呈正相關(guān).這可能是由于小麥秸稈比例的增加導(dǎo)致混合灰中堿金屬含量增加，堿金屬與SiO2反應(yīng)生成了低熔點共晶體[12].

定義某一時刻通過探針的熱流密度與初始時刻探針熱流密度的比值為相對熱流密度，用于描述灰渣生長對傳熱的影響.圖6 為煙煤與不同比例的水稻秸稈摻燒時相對熱流密度的變化曲線.由圖可知，在灰渣生長的初始階段，相對熱流密度快速下降，而灰渣厚度生長卻較為緩慢.這是由于灰渣初始層結(jié)構(gòu)緊密，熱導(dǎo)率低，導(dǎo)致熱流密度迅速下降，嚴(yán)重影響傳熱[13].隨著水稻秸稈摻燒比例的增加，穩(wěn)定的熱流密度先減小后增大，在摻燒比例為15%時達(dá)到最小，與灰渣生長曲線相對應(yīng).這說明灰渣的厚度是影響傳熱的最主要因素.4 種比例最終穩(wěn)定的相對熱流密度(摻燒比例)分別為0.44(0)，0.35(6.7%)，0.26(15%)，0.28(22%).圖7 為煙煤與不同比例的小麥秸稈摻燒時相對熱流密度的變化曲線，不同摻燒比例下相對熱流密度的變化趨勢相同，曲線可分為三個階段：快速下降階段，緩慢下降階段和穩(wěn)定階段，這與Miki 等的研究結(jié)果相符[14].隨著小麥秸稈摻燒比例的增加，穩(wěn)定相對熱流密度減小，純煙煤的穩(wěn)定相對熱流為0.44，分別降低到摻燒比例為15%時的0.29以及22%時的0.21.

圖4 煙煤與水稻秸稈摻混條件下的灰渣生長曲線Fig.4 Slag growth curves of bituminous coal with rice straw

圖5 煙煤與小麥秸稈摻混條件下的灰渣生長曲線Fig.5 Slag growth curves of bituminous coal with wheat straw

圖6 煙煤與不同比例的水稻秸稈摻混條件下的相對熱流密度變化曲線Fig.6 Relative heat flux density curves of bituminous coal with different proportions of rice straw

圖7 煙煤與不同比例的小麥秸稈摻混條件下的相對熱流密度變化曲線Fig.7 Relative heat flux density curves of bituminous coal with different proportions of wheat straw

3.2 EDX分析

灰渣初始層對傳熱的惡化影響較大，為探究其原因，實驗結(jié)束后，將探針上的灰渣取樣收集，利用EDX 方法分析灰渣初始層的元素分布，如表3 所示.灰渣初始層主要由Al、Si、Ca、Fe 4 種元素組成，比例占80%以上.無論是摻燒水稻秸稈還是摻燒小麥秸稈，都會引起灰渣初始層中K 元素、Na 元素和S 元素的增加以及Fe 元素的減少.堿金屬元素通常以易揮發(fā)鹽的形式存在于煤灰中，在燃燒過程中受熱蒸發(fā)進(jìn)入煙氣，當(dāng)煙氣經(jīng)過溫度較低的探針時，一部分堿金屬會沉積在探針表面，形成結(jié)構(gòu)緊密、熱阻大的初始層.因此在灰沉積初始階段灰渣厚度增長緩慢而熱流密度快速下降.另一部分堿金屬黏附在飛灰顆粒表面，并與灰中的SO2以及SO3反應(yīng)生成黏性堿金屬硫酸鹽，在灰顆粒表面形成黏性表層，增加其黏附概率，加劇了混合灰沉積，堿金屬硫酸鹽會進(jìn)一步與其他金屬氧化物反應(yīng)生成低溫共晶體[15].

表3 灰渣初始層中的元素分布Tab.3 Elemental composition in the initial layer of slag %

3.3 化學(xué)平衡計算

由表4 可知，摻燒水稻會顯著增加灰中Na2O、K2O、MgO 的含量，而Al2O3、Fe2O3含量略有降低.根據(jù)表4 中各工況灰成分組成，利用FactSage 軟件，計算得到1 200 ℃下各工況灰熔融相比例，如圖8所示.在相同溫度下，摻燒水稻秸稈和小麥秸稈能使得灰的熔融相比例增加，且熔融相比例隨著摻燒比例的增大而增大.這是由于堿金屬能與SiO2、Al2O3等氧化物反應(yīng)生成熔點低的共晶體，導(dǎo)致灰熔點降低.研究表明，灰渣中堿金屬氧化物的含量增加1%，灰渣軟化溫度(ST)降低17.7 ℃，熔融溫度(FT)降低15.6 ℃[16].與摻燒水稻秸稈相比，摻燒相同比例的小麥秸稈時，灰熔融相比例增加不明顯，說明水稻秸稈能更大程度地降低摻燒灰的熔點.

表4 各個工況下的灰成分Tab.4 Composition of ash under different working conditions %

圖8 各工況灰熔融相比例Fig.8 Molten phase fraction of ash under different working conditions

3.4 結(jié)渣指數(shù)分析

為了更直觀地了解摻燒灰的結(jié)渣傾向與灰成分的關(guān)系，選取表5 中的4 種結(jié)渣指數(shù)，得到各自判別準(zhǔn)則下的結(jié)渣預(yù)測結(jié)果，并與實際結(jié)果對比，如表6所示.利用硅比預(yù)測時，所有工況都處于輕微結(jié)渣范圍，不能有效表現(xiàn)摻燒秸稈對結(jié)渣的影響；利用硅鋁比判別時，所有工況都屬于中等結(jié)渣傾向，這顯然都與實際情況不符合.堿酸比的判定結(jié)果為：工況1 和工況2 兩個工況的結(jié)渣程度為輕微，其余工況都為中等，結(jié)合實驗結(jié)果可以看出，工況1 的穩(wěn)定灰渣厚度為1.37 mm，工況2 的穩(wěn)定灰渣厚度為2.09 mm，其余工況的穩(wěn)定灰渣厚度均大于4 mm，這說明利用堿酸比判定結(jié)渣程度，其結(jié)果與實際情況吻合較好；利用鐵鈣比判定的結(jié)果與實際相差較大，甚至與實際的沉積趨勢相矛盾，因此不能作為判定依據(jù).

表5 結(jié)渣指數(shù)判別界限[17]Tab.5 Range of slag index for judgment

表6 結(jié)渣指數(shù)預(yù)判結(jié)果Tab.6 Prediction results based on slag indexes

4 結(jié)論

(1) 摻燒水稻秸稈和小麥秸稈都能促進(jìn)煙煤的結(jié)渣，隨著水稻秸稈摻燒比例的增加，最終穩(wěn)定的灰渣厚度先增大后減小，穩(wěn)定相對熱流密度先減小后增大，在摻燒比例為 15%時，達(dá)到最大穩(wěn)定厚度5.66mm 和最小穩(wěn)定相對熱流密度0.26.小麥秸稈對結(jié)渣傾向的惡化程度與其摻燒比例呈正相關(guān).灰渣初始層的厚度相對較小，但對傳熱影響顯著；影響傳熱的最主要因素是灰渣厚度.

(2) 無論是摻燒水稻秸稈還是小麥秸稈，都會引起灰渣初始層中K 元素、Na 元素和S 元素的增加以及Fe 元素的減少，堿金屬含量的增加提高了灰顆粒的黏附概率.

(3) 隨著水稻秸稈和小麥秸稈摻混比例的增加，在相同溫度下，摻燒灰的熔融相比例增加.

(4) 相比于硅比、硅鋁比、鐵鈣比，堿酸比在預(yù)測水稻秸稈、小麥秸稈與神府煙煤摻燒結(jié)渣傾向中有較好的適用性.