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垃圾焚烧烟气中的飞灰在焚烧炉过热器区域结渣，可能导致焚烧炉停机，影响焚烧发电的经济性。为探索焚烧炉受热面结渣机制，采用燃油产生的烟气和工业焚烧炉的飞灰混合模拟垃圾焚烧烟气，研究了过热器的运行工况、温度、布置形式、几何尺寸等对结渣过程的影响。利用扫描电镜/能谱分析、X射线荧光分析和 X 射线衍射等方法分析了渣的成分与物相。结果表明：高温烟气有利于渣块的形成，在实验过程中当温度高于450℃时，开始形成黏结性积灰，当温度高于460℃时，受热面开始结渣。管子壁面温度对结渣有直接影响，降低管壁温度可以抑制结渣过程。几何因素(管径)对结渣影响较大，直径较小的管子更容易结渣。另外，含有低熔点、高黏结性物质较多的颗粒更容易沉积形成结渣。渣中主要物相为：Ca2SiO4、Ca9 (Al6O18)、Ca2Al(AlSiO7)、Fe2O3。低熔点化合物如KCl、CaCl2在结渣的初始层起到了黏合剂的作用。几何因素、温度对结渣过程的影响与实际垃圾焚烧炉改造和运行状况吻合。
引言
我国城市固体废弃物的污染已相当严重，对其进行处理势在必行。焚烧方法是处理固体废弃物的有效手段之一，市场上常见的焚烧炉有炉排炉和循环流化床两种炉型，这两种炉型各有优点，炉排–循环床复合垃圾焚烧炉将这两种焚烧方式有机结合在一起，为适应我国高水分、低热值的垃圾焚烧提供了有效手段。关于其内的燃烧、污染排放已经开展过深入研究，但无论针对何种炉型，受热面结渣一直困扰着垃圾焚烧炉正常稳定运行。由于垃圾焚烧炉的掺煤比(只添加部分煤助燃)低，结渣特性与燃煤锅炉有显著不同，导致垃圾焚烧发电系统的可用率严重低于常规燃煤电站。垃圾焚烧炉内对流受热面的结渣，主要表现为高温过热器管壁上的黏结性结渣，这一问题在混烧煤较少的垃圾焚烧炉中表现得更为突出。
长春某垃圾焚烧电站，从2005年4月试运行到2006年10月，多次出现过热器结渣现象，导致流动阻力增大、传热系数降低，蒸汽参数无法保证，必须定期停炉清渣。非计划和非正常停炉严重影响了垃圾焚烧发电系统的社会和经济效益。以深圳某日处理量为250t/d的垃圾焚烧炉为例，其垃圾热值约为6400kJ/kg，每吨垃圾焚烧可发电约360kW⋅h，结渣停炉1d将导致少处理250t垃圾，少发电9万kW⋅h，直接导致发电企业日损失8.1万元(上网电价按照0.65元/(kW⋅h)，垃圾处理费按照90元/t计算)。
研究垃圾焚烧炉受热面的结渣问题，提高焚烧炉的可用率已势在必行。与垃圾焚烧炉相比，燃煤锅炉已积累一定的运行经验和科研基础，炉内结渣受局部空气动力场、气氛条件和温度水平等控制，烟气浓度增加可以抑制结渣过程，结渣沉积物以硅酸钠、氧化铝和硬石膏为主。采用软化温度、硅铝比、酸碱比、硅比等可预测燃煤灰分的结渣特性，然而这些方法对预测垃圾燃烧结渣问题效果均不佳，碱金属、碱土金属的存在可降低灰渣的熔点，从而增加结渣的倾向性。对垃圾焚烧炉受热面积灰、结渣问题，当前国内外鲜有研究报道，本文针对垃圾焚烧炉过热器结渣进行了热态实验，研究了“与设计相关”的过热器的运行工况、温度、布置形式、几何尺寸等对结渣过程的影响，而与垃圾特性紧密相关的烟气中HCl含量、H2O蒸汽含量等对结渣过程的影响尚未进行研究。通过与实际垃圾焚烧炉的设计、改造数据进行比较，探索避免或者减轻积灰结渣的规律，以期指导工程实践。
热态实验装置及其系统热态实验装置及其系统见图1和图2，实验系统由烟气发生系统、实验段、测量装置等构成。烟气发生系统由油燃烧器、飞灰给进系统、燃烧室构成，油通过燃烧器喷入燃烧室内燃烧，然后与垃圾飞灰混合，形成高温模拟垃圾焚烧烟气。燃烧室为圆柱空腔，内径0.8m、高1 m、容积0.53 m3。燃烧室设计工作温度550℃、实验段烟气温度500℃。飞灰取自长春垃圾焚烧厂布袋除尘器收集的飞灰，其中100µm下的颗粒含量较多，飞灰的粒径分布见图3。由于实际焚烧炉运行时飞灰浓度在10~20g/m3(标准状态)，因而对本实验飞灰浓度调节为15g/m3的飞灰浓度均值。尽管实际焚烧炉烟气与模拟烟气在烟气成分上也存在一定差异，例如HCl、H2O蒸汽含量可能并不一致，且其可能影响结渣过程，鉴于本文研究目标侧重于灰的成分对结渣的影响，因而未采取进一部的措施来保证模拟烟气与真实垃圾焚烧炉烟气成分的一致性，作为本实验研究的补充，笔者同时也对实际的垃圾焚烧炉的过热器进行了结渣工业实验。
图1模拟结渣热态实验台
