垃圾焚烧炉喉口壁面结渣特性|气态|炉膛|焚烧炉|燃烧|结渣|飞灰

我国已成为全球最大的固体废弃物生产国，2021年全国生活垃圾清运量高达24869.2万t,面对垃圾围城的紧迫情形，我国大力推进城镇生活垃圾无害化处理。目前，国内外生活垃圾的无害化处理方式主要有焚烧发电、堆肥和卫生填埋3种,垃圾焚烧发电技术因具有“减量化、无害化、资源化”优势得到快速推广，截至2021年底生活垃圾焚烧无害化处理能力为719533t/d,占生活垃圾无害化处理总量的68.07%。但随城市化进程推进，人民生活水平快速提高，原生垃圾成分更加复杂，垃圾焚烧炉在实际运行中易出现受热面积灰结渣现象，导致炉膛燃烧、传热性能变差，特别对于小型垃圾焚烧炉，喉口尺寸较小，喉口位置灰粒更易堆积、搭桥、结渣，导致焚烧炉通流面积缩小，严重影响焚烧炉安全稳定运行。目前，国内外学者对燃煤锅炉受热面积灰结渣问题研究很多，然而鲜见垃圾焚烧炉积灰结渣研究，且主要集中在受热管束上的结渣问题。张衍国等研究发现受热管壁结渣颗粒表面的K、Na、Cl和Ca较高，形成结渣的飞灰具有低熔点化合物的表面结构;GALETZ等研究发现灰粒中铜含量高，会加剧垃圾焚烧炉内受热面管束的腐蚀、积灰现象;胡锦华通过分析垃圾焚烧炉高温过热器和再热器管壁渣样元素分布和物相组成，研究了烟气温度、烟气速度和飞灰浓度等因素对积灰结渣的影响，建立了飞灰浓度、烟气温度与管壁积灰生长速率的关联模型;WANG等对挪威某垃圾焚烧厂换热管束上渣样进行表征分析，发现结渣呈分层现象，内层主要是熔融的硫酸盐和氯化物，作为飞灰颗粒的黏附表面，外层主要由燃烧过程形成的硫酸钙、硅酸钙等构成;ZHAO等基于高温过热器和低温过热器上采集的渣样研究了碱土金属在结渣过程中的转化和沉积机制;李清海等研究了炉排炉和循环流化床焚烧炉过热器区域的渣样成分和形态，结果表明受热管越细越易结渣。相对垃圾焚烧炉受热管束的积灰结渣，喉口壁面的积灰结渣问题鲜有研究，笔者以北方某垃圾焚烧电站2020年6月在喉口处前拱壁面、后拱壁面和侧墙采集的3块渣样为研究对象(分别记为1号、2号和3号渣样)，针对喉口渣样分层现象明显的特点，创新性采用分层分析方法结合SEM/EDX、XRD和灰熔融温度分析等多种检测技术分析各层渣样成分和物相的变化规律，进而推测垃圾焚烧炉喉口壁面的结渣机理，为垃圾焚烧炉的优化设计和安全高效运行提供理论依据。

试验

1.1试验原料

3块垃圾焚烧炉渣样外观如图1所示。3块渣样所处环境不同导致渣样宏观形态有较大差异，从现场锅炉运行情况来看，1号和2号渣样所处环境温度较高，特别是2号渣样，因为导流结构的影响，高温区主要集中在喉口附近的后拱壁面处;3号渣样所在侧墙位置布置了炉墙冷却风，环境温度相对较低。由图1可知，渣样宏观形态主要分为2种类型。一种具有明显分层结构，如1号渣样和2号渣样，渣样截面呈现颜色和烧结程度差异明显的3层状结构，最外层有熔融态特征，呈黑色玻璃态，结构紧密，外形上收缩较明显，硬度较大;中间层颜色较浅，有轻微烧结现象，结构比外层疏松;内层呈类似泥土颜色，烧结现象最轻，结构疏松硬度较小，这是锅炉结渣现象中最典型的渣样结构。另一种则呈疏松多孔结构，表面沉积的灰粒能轻松剥落，类似炉膛中受热管束上的积灰，如3号渣样。考虑到1号渣样和2号渣样具有明显分层现象，本研究对1、2号渣样分3层制样进行分析。

图1 焚烧炉喉口不同壁面位置渣样

1.2 表征方法

将渣样于玛瑙研钵中研磨至粒径小于100目(0.150mm)粉末，通过日本株式会社日立制作所的SU-8010高分辨冷场发射扫描电子显微镜对原始渣样磨制成约200目(0.074mm)的粉末进行微观形态观察，同时采用扫描电镜自带的英国牛津仪器科技有限公司的X-max80型号X射线能谱仪分析渣样各层元素分布。从固体化学角度看，垃圾焚

烧炉渣样属于多晶体固体物质，一般含有多个晶相，属于典型的非分子型材料，需特别采用衍射方法(主要采用X射线衍射)分析,采用日本理学株式会社的UltimaIV型X射线衍射仪分析其物相组成，扫描角度选取10°~80°。采用长沙开元仪器厂生产的智能灰熔点测试仪测试渣样熔融特性温度，测试结果见表1,3块渣样特征温度之间的差值较小，且软化温度小于1260℃,属于易结渣灰。

表1 渣样熔融特征温度

结渣特性分析

2.1微观形貌分析

3块渣样分别制样进行SEM分析，结果如图2~4所示。对于有明显分层结构的1号和2号渣样，渣样内、中、外层微观形貌基本相似，每层渣样颗粒形状极不规则，大小极不均匀，粒径主要分布在10~100μm,质地坚硬，形状主要为岩石状，附带少量片状。对于表面结构疏松、烧结现象较轻、未明显分层结构的3号渣样，微观形态也为岩石状，但相比1号和2号渣样，3号渣样颗粒表面覆盖了更多片状结构，可能是其密度和硬度较小，制样时更易在灰颗粒表面产生破碎的片状结构。总体来看，3块渣样的微观形貌较一致，并未因在炉膛中结渣位置不同出现较大差异。但垃圾焚烧炉壁面渣样的微观形态相比煤粉炉壁面渣样(图5)有很大区别，垃圾焚烧炉渣样颗粒没有规则的圆形或椭圆形结构。原因可能是垃圾热值较煤炭低，燃烧温度未达到灰颗粒的熔融温度，垃圾燃烧后形成的灰颗粒未经历熔融球化过程就直接黏结在炉膛壁面或结渣表面。

图3 2号渣样SEM图像

图4 3号渣样SEM图像

图5 煤粉炉渣样SEM分析结果

2.2元素组成分析

利用扫描电镜附带的能谱分析仪对3块渣样采取点扫描方式进行能谱分析，得到其元素组成，对1号和2号渣样进行分层分析(3号渣样无明显的分层结构，故不进行分层的元素组成分析)，样品元素组成由随机选取5个不同的扫描点取平均值得到，3块渣样的元素组成见表2~4。

表2 1号渣样元素组成

表3 2号渣样元素组成

表4 3号渣样元素组成

2.2.1不同位置渣样元素分布规律

3块渣样元素分布如图6所示，可知3块渣样元素组成大致相同，O元素质量分数在50.37%~52.77%,高于其他元素，Si、Ca元素含量几乎相同，为15.45%~17.52%,Al、Fe、Na、Mg、K元素含量较少，小于5.15%,P、S、Ti元素含量最少，结合3块渣样相似的微观形貌特征，说明组成3块渣样的灰颗粒类型相同，渣样性质不因结渣位置不同出现明显差异。

图6 3块渣样元素分布

2.2.2 同一位置不同层渣样分布规律

1、2号渣样元素分布如图7、8所示。可知Si、Ca、Al、Fe、Mg、Na、K等元素质量分数>1%。Na元素和K元素是性质比较活泼的碱金属，Mg元素和Ca元素属于碱土金属，Al元素和Fe元素属于过渡金属，其金属反应活性依次递减。在沿整块渣样生长的方向，这些金属分布从内层到外层呈不同规律。

Ca元素在整个渣样各层含量均较高，从1号渣样扫描电镜结果可知，内层Ca元素质量分数最小，为14.34%,中层与外层分别为18.23%、18.24%,整体呈现逐渐增加的规律。Si元素从内层到外层的质量分数分别为14.94%、16.63%、14.77%,Si、Ca元素比值稳定在0.8~1.1,说明在整个渣样中稳定存在着Si-Ca和其他元素形成的矿物成分。除O元素外，Si元素和Ca元素含量最多，即该矿物成分的性质在很大程度上决定了垃圾焚烧炉渣样性质。Mg沿着生长方向的各层质量分数分别为2.23%、1.97%、2.38%,外层含量较内层增加。

在分层渣样中，Al、Na、K三种元素分布规律较为一致，均沿着渣样生长方向基本呈逐渐减少趋势。对于性质比较活泼的碱金属，其在燃煤锅炉中燃烧时的析出特性以及转化路径主要是碱金属以蒸发或气化方式直接释放，一部分气态碱金属随烟气流动过程中遇到温度较低的表面时发生凝结，形成黏性较强的碱金属液膜;另一部分与其他元素结合转化为新的化合物，煤燃烧时主要转化为盐溶性碱金属，小部分与硅铝酸盐反应转化为非溶性碱金属。

李晨源、刘颖祖和张海龙研究表明，气态碱金属对燃煤锅炉结渣有重要影响。燃煤锅炉受热面结渣主要分为3个阶段：第1阶段为煤燃烧中释放的气态碱金属遇到温度较低的受热面发生凝结，具有很强的黏性，同时碱金属通过均相反应转化形成的盐溶性碱金属也会凝结，形成初始黏结层;第2阶段是形成的初始黏结层导致受热面温度升高，黏性进一步增加，形成“捕捉表面”，同时温度升高使沉积的灰粒之间产生烧结现象，结构较初始黏结层更致密;第3阶段是随渣样厚度进一步增加，靠近火焰侧表面温度急剧升高，灰粒熔点较高的物质开始分解，形成了类似玻璃态的黏稠物，当灰渣黏性不足以支撑重力作用时，会发生脱落，同时飞灰颗粒会继续沉积，当二者速率达到动态平衡时，渣样停止生长。

2.3 物相分析

对3块渣样制成粉末样进行XRD衍射分析，得到其主要物相组成，具体见表5~7和图9~11。由图9可知，内层和中层的衍射峰形状相似，主要含有镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇,分子式2CaO·MgO·2SiO₂)、钠长石(NaAlSi₃O₈,分子式Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂)和透辉石(CaMgSi₂O₆,分子式CaO·MgO·2SiO₂);中层Ca₂MgSi₂O₇衍射峰的强度稍强于内层，外层Ca₂MgSi₂O₇衍射峰强度最小，可能原因是外层CaMgSi₂O₆衍射峰强度大于内层和中层，且外层还含有钙橄榄石(Ca₂SiO₄,分子式2CaO·SiO₂),使外层CaMgSi₂O₆衍射峰强度减弱;对渣样进行元素组成分析时发现，沿渣样生长方向Na、Al元素含量变化规律相同，这2种元素可能形成了某种矿物，通过图9确定该物质为NaAlSi₃O₈,熔点低，具有一定黏性，内、中、外层NaAlSi₃O₈的衍射峰强度基本与Na、Al元素变化规律一致，沿渣样生长方向逐渐减少。

表5 1号渣样物相分析结果

表6 2号渣样物相分析结果

表7 3号渣样物相分析结果

图9 1号渣样XRD图谱

图10 2号渣样XRD图谱

由图10可知，中层和外层的物相组成较复杂，除主要物相Ca₂MgSi₂O₇外，还有少量NaAlSi₃O₈、SiO₂、CaMgSi₂O₆、KAlSi₃O₈、原硅酸钙(Ca₂SiO₄,分子式2CaO·SiO₂)等。相比1号渣样，2号渣样出现较多正长石(KAlSi₃O₈,分子式K₂O·Al₂O₃·6SiO₂)和白榴石(KAlSi₂O₆,分子式K₂O·Al₂O₃·4SiO₂),对比之前元素组成分析，发现2号渣样中K元素含量均值比1号渣样高15.38%。

图11 3号渣样XRD图谱

由图11可知，3号渣样无分层结构，除主要物相成分Ca₂MgSi₂O7外，还含有CaSiO₃、KAlSi₂O₆和NaAlSi₃O₈。

通过元素分析和物相组成分析，燃煤锅炉中气态碱金属转化时主要与高温烟气中气相组分发生均相反应生成NaCI和Na₂SO₄等盐溶性钠;垃圾焚烧炉中燃料燃烧时气态碱金属主要与Al₂O₃、SiO₂等发生非均相反应，以硅铝酸盐形式赋存，包括NaAlSi₃O₈、KAlSi₃O₈和KAlSi₂O₆等。其中，KAlSi₃O₈一般在1130℃开始软化熔融，温度达到1200℃以上时发生分解，形成玻璃态黏稠物;NaAlSi₃O₈开始熔融的温度在1100℃左右，比KAlSi₃O₈略低，其在高温下不会发生分解且没有新晶相产生，但其对石英、黏土等的溶解度大且溶解速度快。

因此，推测垃圾焚烧炉受热面结渣过程相比燃煤锅炉受热面结渣过程的主要区别在于第1阶段和第2阶段。垃圾焚烧炉结渣的第1阶段是气态碱金属凝结，没有基于均相反应生成的盐溶性碱金属的凝结;第2阶段中，除大量灰粒直接沉积在初始黏结层上，灰粒表面同时发生气态碱金属其他矿物组分如Al₂O₃、SiO₂等的非均相反应，生成了熔点较低的NaAlSi₃O₈、KAlSi₃O₈和KAlSi₂O₆等物质，这些物质在高温下具有大的黏性和溶解度，促使小飞灰颗粒相互团聚、黏结成大飞灰颗粒。飞灰颗粒被初始黏结层捕捉后，在高温作用下，硅铝酸盐类矿物黏性和溶解性进一步增加，使整个渣样结构开始产生局部溶解，体积收缩，变得更致密，进一步导致传热恶化，使局部温度升高，产生轻微烧结现象。

从3块渣样XRD图谱发现，主要物质均为Ca₂MgSi₂O₇,对黏附过程影响较大的碱金属赋存形态也主要为硅铝酸盐，说明3块渣样在微观元素组成和矿物组成方面几乎一致，最终出现2类完全不同的渣样形态应该是结渣位置的环境因素所致。相比1号和2号渣样，3号渣样位于焚烧炉侧墙，该处布置了炉墙冷却风，环境温度较低。较低的环境温度导致灰粒被初始黏结层捕捉后，硅铝酸盐类矿物的黏性和溶解度较小，并不会导致沉积的灰粒之间发生局部溶解，同时由于温度较低，不会产生烧结现象，最终导致大量灰粒不断堆积，形成疏松多孔结构，未产生类似1号和2号渣样的分层现象。

结论

1)垃圾焚烧炉喉口壁面不同位置不同类型渣样的微观形貌基本相似，渣样颗粒主要呈岩石状，粒径在10~100μm,说明渣样颗粒未经熔融球化过程即黏结在壁面或渣样表面。

2)渣样中Al、Na、K三种元素分布规律一致，沿渣样生长方向逐渐减少，这3种元素主要形成了KAlSi₃O₈、NaAlSi₃O₈、KAlSi₂O₆三种熔点低且具有黏性的物质;沿渣样生长方向，Ca元素逐渐增加，Si、Ca元素比值稳定在0.8~1.1,2种元素形成了渣样最主要的物质Ca₂MgSi₂O7,熔点为1450℃;因此只有渣样生长到一定厚度，传热恶化导致渣样表面温度急剧升高，渣样熔融脱落速度等于灰粒继续沉积速度时，渣样才会停止生长。

3)相比燃煤锅炉结渣过程，垃圾焚烧炉结渣过程主要区别在第1阶段为气态碱金属的凝结，没有基于均相反应生成的盐溶性碱金属的凝结;第2阶段为气态碱金属其他矿物组分如Al₂O₃、SiO₂等的非均相反应，生成了熔点较低的NaAlSi₃O₈、KAlSi₃O₈和KAlSi₂O₆等物质，在这些物质的作用下小灰粒发生团聚、黏结成大灰粒。

4)相比1号和2号渣样，3号渣样未形成致密的分层结构，是其所处环境温度较低所致。

文章来源：《洁净煤技术》