趙碩，欒超，由長福（清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

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溫度、接觸壓力與時間對燃煤飛灰固體橋力的影響規(guī)律

趙碩，欒超，由長福
（清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

摘要：在所開發(fā)的用于在高溫條件下（最高使用溫度可達1600℃）測量灰的固體橋力的實驗系統(tǒng)上，研究了溫度、接觸壓力及接觸時間對燃煤飛灰的固體橋力的影響規(guī)律。結果顯示，燃煤飛灰的脖頸抗拉強度與溫度之間呈現(xiàn)出雙峰分布曲線的關系。這是由于隨著溫度的變化，燃煤飛灰的物相狀態(tài)發(fā)生改變，玻璃體成分的含量也隨之變化。在溫度不變的情況下，燃煤飛灰的燒結脖頸抗拉強度隨接觸時間和接觸壓力的增加而增大。

關鍵詞：高溫；固體橋力；燒結；測量；脖頸抗拉強度

2016-01-21收到初稿，2016-03-06收到修改稿。

聯(lián)系人：由長福。第一作者：趙碩（1992—），男，碩士研究生。

Received date: 2016-01-21.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51476089) and the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20120002110010).

引　言

在煤、生物質等固體燃料的燃燒過程中，受熱面的積灰結渣現(xiàn)象，會影響鍋爐等設備的安全穩(wěn)定運行。高溫條件下灰顆粒之間的相互黏結作用、灰顆粒與受熱面之間的黏結作用，是積灰結渣的主要影響因素。在積灰結渣的過程中，黏結力起到了重要作用。灰顆粒間的作用力可分為接觸作用力與非接觸作用力兩類，一般情況下接觸作用力遠大于非接觸作用力，因此主要考慮接觸作用力對積灰結渣問題的影響。接觸作用力又可以分為液體橋力和固體橋力。對于積灰結渣問題，現(xiàn)階段對液體橋力有較多的研究并取得了很多重要的成果[1-2]；對于固體橋力的研究則較為缺乏，固體橋力通常因顆粒的熔融燒結而產(chǎn)生，對灰顆粒的黏結有重要影響[3]。

灰顆粒之間的燒結，會在相鄰灰顆粒之間形成燒結脖頸并產(chǎn)生固體橋力，使相鄰的灰顆粒互相黏結[3-7]，增大灰的密度與強度。Raask[8]指出脖頸尺寸是灰顆粒間形成穩(wěn)定脖頸的重要判斷依據(jù)：當脖頸半徑與灰顆粒半徑之比大于0.3時，即形成了穩(wěn)定的燒結脖頸，吹灰器就無法清除灰沉積物，即使二者之比為0.1，吹灰器都難以清除灰沉積物。

固體橋力的大小可通過式（1）計算得到

其中，x為脖頸半徑，σneck為灰的脖頸抗拉強度。對于脖頸尺寸的變化規(guī)律很多學者[9-10]已經(jīng)有了較為詳細的研究，但是對于脖頸抗拉強度的研究卻相對有限[11-12]。將脖頸抗拉強度取為同溫度下同種材料的抗拉強度的方法存在一定的問題，Mikami 等[13]發(fā)現(xiàn)因固體橋力引起的脖頸抗拉強度僅為同溫度下同種材料抗拉強度的5%；王希等[14-16]發(fā)現(xiàn)，因脖頸中存在較多的晶格缺陷，脖頸抗拉強度遠小于散堆顆粒；欒超等[17]使用玻璃作為實驗材料測量了其在高溫條件下的脖頸抗拉強度，并與玻璃的抗拉強度進行了對比，800℃下玻璃的材料抗拉強度為46.3 kPa，而脖頸抗拉強度僅為17.6 kPa，誤差超過160%。但目前尚缺乏足夠的有關脖頸抗拉強度的數(shù)據(jù)。本文在開發(fā)出高溫條件下灰的固體橋力測量實驗系統(tǒng)的基礎上，開展了溫度、接觸時間、接觸壓力對飛灰固體橋力的影響研究，為進一步建立燃煤飛灰固體橋力模型提供基礎。

1　實驗部分

1.1實驗原料

實驗中使用的原料為粉煤灰，其化學成分和熔融溫度、燒結溫度分別如表1、表2所示。

表1　灰的化學成分Table 1　Chemical composition of ash/% (mass)

表2　灰的熔融溫度及燒結溫度Table 2　Fusion temperature and sintering temperature of ash/℃

實驗材料的具體制備過程如下：

（1）將粉煤灰裝入圓柱形坩堝；

（2）將坩堝放入高溫馬弗爐，在氬氣氣氛下將高溫馬弗爐升溫至粉煤灰的臨界溫度，并保溫30 min，保證樣品各種化學成分均勻混合；

（3）保溫結束后，使坩堝在爐膛中以不高于10℃·min?1的速率緩慢降溫至室溫，保證樣品有相同結晶過程；

（4）將坩堝里的灰材料進行機械加工，使之成為如圖1所示的圓柱形灰柱。

1.2固體橋力的測量方法

實驗系統(tǒng)如圖2所示，主要包括拉伸牽引裝置、可升降高溫滴管爐、壓式傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置4部分。頂部拉伸牽引裝置和可升降高溫滴管爐由可調速步進電機絲杠導軌控制。步進電機絲杠導軌的最大有效行程為425 mm，速度范圍為4.6 μm·min?1～240 mm·min?1，精度為1 μm，垂直牽引載荷最大為15 kg。高溫滴管爐的最高溫度為1600℃。壓式傳感器的最大量程為1000 g，精度為0.1 g。

圖1　灰的固體橋力實驗所用圓柱形灰柱示意圖Fig.1　Schematic diagram of cylindrical ash column used for solid-bridge force experiment

圖2　實驗系統(tǒng)Fig.2　Schematic diagram of experimental system

固體橋力測量實驗具體方案如下：

（1）實驗開始前，將拉伸牽引裝置和壓力傳感器與上、下灰柱連接，分別從高溫滴管爐的頂部和底部伸入爐膛中心位置，使兩灰柱端面保持10 mm的距離；

（2）加熱高溫滴管爐至設定溫度，保溫20 min以保證爐內溫度穩(wěn)定且分布均勻；

（3）調節(jié)頂部拉伸牽引裝置，使上、下兩個灰柱端面在設定的接觸壓力下相接觸，保持一定時間；

（4）設定拉伸牽引裝置以1.4 mm·min?1的速度提升與之相連接的上灰柱，使上、下兩灰柱分離，同時使高溫滴管爐以0.7 mm·min?1的速度勻速上升；

（5）在整個過程中，數(shù)據(jù)采集裝置實時采集壓式傳感器的示數(shù)，通過分析壓式傳感器的示數(shù)，就可以得到兩個灰柱接觸面之間固體橋力的大小，并根據(jù)式（1）計算得出灰的燒結脖頸抗拉強度值。

本文研究了不同條件對于灰的燒結脖頸抗拉強度的影響規(guī)律，采用的實驗條件如下。

（1）溫度。本研究中選擇了一系列鍋爐爐膛中的典型溫度，分別為750、850、950、1050、1150 和1250℃。

（2）接觸壓力。接觸壓力決定了灰端面之間的緊密程度，進而影響燒結脖頸的形成。本研究中選擇的接觸壓力分別為9.5、13.0、16.5和19.9 kPa。

（3）接觸時間。燒結脖頸的生長是一個與時間相關的過程。本研究中將接觸時間控制為1、2、5、10和20 min。

2　結果與討論

2.1溫度對脖頸抗拉強度的影響

保持恒定的接觸時間與接觸壓力，在不同的溫度條件下測量灰的固體橋力。根據(jù)式（1），即可計算得到灰的脖頸抗拉強度值。圖3給出了脖頸抗拉強度隨溫度的變化曲線。

從圖3中可以看出，在750～1250℃的溫度范圍內，灰的脖頸抗拉強度與溫度之間呈現(xiàn)出雙峰分布曲線的關系。當溫度為750℃時，因低于灰的燒結溫度（783℃），無法發(fā)生燒結現(xiàn)象，因此灰的脖頸抗拉強度為零。這表明當灰的溫度低于其燒結溫度時，無黏結力，不發(fā)生沉積行為。當溫度從750℃升高至850℃時，灰柱端面之間通過燒結作用形成脖頸，脖頸抗拉強度隨溫度的升高而迅速增大，并在850℃處達到第1個峰值。當溫度繼續(xù)升高至950℃時，脖頸抗拉強度迅速減小，并在950℃處出現(xiàn)極小值。在950～1250℃的范圍內，脖頸抗拉強度隨著溫度的升高先增大后減小，并在1150℃處出現(xiàn)第2個峰值。

雙峰現(xiàn)象的產(chǎn)生，一方面是因為在850℃和1150℃溫度下，樣品表面有較高的玻璃體成分，950℃時樣品表面無明顯的玻璃體成分，而玻璃體結構不穩(wěn)定，在高溫下較易融化成黏性物質，使灰柱具有較強的黏結能力，進而具有較大的脖頸抗拉強度[18]。同時，灰柱之間采用平面接觸雖然能夠使脖頸迅速生長，但是脖頸之間仍然會存在空隙和晶格缺陷。當溫度升高時，脖頸處的分子擴散速率會增大，加速了脖頸內空隙和晶格缺陷的改善[3]，因而抗拉強度隨之增大。這解釋了在950～1150℃的范圍內脖頸抗拉強度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象。但是，當溫度繼續(xù)升高至1250℃時，接近了粉煤灰的流動溫度，此時在實驗中可以觀測到在灰柱表面產(chǎn)生了液態(tài)成分，液態(tài)成分顯著降低灰柱以及脖頸的強度，因而在1150～1250℃范圍內，脖頸抗拉強度隨溫度的升高而迅速減小，且不同接觸時間的脖頸抗拉強度均趨于同一量級。

圖3　溫度對灰的脖頸抗拉強度的影響Fig.3　Effect of temperature on neck tensile strength of ash

2.2接觸時間對脖頸抗拉強度的影響

保持恒定的溫度與接觸壓力，在不同的接觸時間下測量灰的固體橋力，并計算得到了脖頸抗拉強度值。圖4給出了脖頸抗拉強度隨接觸時間的變化曲線。

圖4　接觸時間對灰的脖頸抗拉強度的影響Fig.4　Effect of contact duration on neck tensile strength of ash

由圖可知，在850～1250℃的溫度范圍內，灰的燒結脖頸抗拉強度隨時間的增加而增大。這是由于燒結脖頸內部存在著空隙和晶格缺陷，隨著分子擴散的進行，脖頸內部的空隙和晶格缺陷會逐漸得到改善，其黏結程度也會逐漸發(fā)展，使得脖頸抗拉強度隨之增大。可以預見，在經(jīng)過足夠長的時間之后，不同溫度和壓力條件下的脖頸抗拉強度均將達到穩(wěn)定狀態(tài)。

在圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當溫度較高時（1250℃），脖頸抗拉強度隨時間的變化不大，并且很快趨向于一個穩(wěn)定值，這是由于液相成分大大加快了脖頸的致密化過程。在燒結過程中，一種重要的強化燒結方式是液相的產(chǎn)生，能夠大大提高脖頸的發(fā)展速度。因此，在1250℃時，脖頸在較短的時間之內就完成了生長過程，強度達到了穩(wěn)定值，因而隨時間的變化不大。

2.3接觸壓力對脖頸抗拉強度的影響

圖5給出了灰的脖頸抗拉強度隨接觸壓力的變化曲線。由圖可見，在保持恒定的溫度與接觸時間的條件下，脖頸抗拉強度隨壓力的增加而增大。從脖頸抗拉強度的發(fā)展趨勢來看，接觸壓力越大，脖頸抗拉強度的增長也越快。當溫度較高時，接觸壓力的增大對于脖頸抗拉強度的變化影響較小，說明高溫下脖頸抗拉強度能夠較快生長到較穩(wěn)定的狀態(tài)；也反映出相較于接觸壓力，脖頸抗拉強度對于溫度的變化更為敏感。如圖5(a)所示，接觸壓力的增加能夠明顯提高脖頸抗拉強度值，而在圖5(c)中，當接觸壓力高于13.0 kPa以后，對于脖頸抗拉強度的提高效果已經(jīng)不太明顯。

圖5　接觸壓力對灰的脖頸抗拉強度的影響Fig.5　Effect of pressure on neck tensile strength of ash

接觸壓力的增大能夠使兩個端面之間的接觸更為緊密，有利于提高分子擴散速率，改善脖頸內的空隙及晶格缺陷，從而使脖頸抗拉強度增大。特別是在溫度較高時，脖頸在高溫和壓力的共同作用下，能夠迅速生長和完善內部結構，使脖頸抗拉強度在較短時間內達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3　結　論

高溫條件下測量灰的固體橋力對于研究灰的沉積行為具有重要意義。本文在已開發(fā)的高溫條件下灰的固體橋力測量實驗系統(tǒng)上，研究了灰在高溫下的固體橋力發(fā)展規(guī)律及其影響因素。實驗結果顯示，灰的脖頸抗拉強度與溫度之間呈現(xiàn)出雙峰分布曲線的關系。由于燒結脖頸內部存在著空隙和晶格缺陷，增加接觸時間，隨著分子擴散的進行，空隙和晶格缺陷會逐漸得到改善，脖頸抗拉強度隨之增大；接觸壓力的增大能夠使兩個端面之間的接觸更為緊密，有利于提高分子擴散速率，改善脖頸內的空隙及晶格缺陷，從而使脖頸抗拉強度增大。當接觸時間足夠長后，不同溫度和壓力條件下的脖頸抗拉強度會趨于穩(wěn)定狀態(tài)；而相比較于接觸時間與接觸壓力，脖頸抗拉強度對溫度最為敏感；在較高溫度下，脖頸抗拉強度在高溫和壓力的共同作用下，能夠快速生長并完善內部結構，使脖頸抗拉強度可以在較短的時間內達到穩(wěn)定值。本文為進一步建立燃煤飛灰固體橋力模型提供了豐富的數(shù)據(jù)和基礎。

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Effect of temperature, contact pressure and duration on solid-bridge force of coal ash

ZHAO Shuo, LUAN Chao, YOU Changfu
(Thermal Science and Power Engineering Key Laboratory of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:During the combustion process of coal, biomass or other solid fuels, the phenomenon of ash deposition is a common but serious problem is that it can seriously affect the safe and stable operation and performance of the equipment. During the ash deposition process, the adhesive behavior between different ash particles plays an important role. Solid and liquid bridge forces are two important type of adhesive force. But the studies of solidbridge force are not enough now. An experimental system for the measurement of solid-bridge force of ash at high temperatures was designed and developed. The maximum temperature of the system was 1600oC. By using this experimental system the solid-bridge force can be measured and the effect of different temperatures, contact pressure and duration can be researched. The result indicated that the temperature dependence of the neck tensile strength development showed a bimodal distribution. It was because that the phase conditions of ash were changed by increasing temperature, resulting in the change of the content of the glassy substance. The molecular diffusion rate at the interface of the ash column was accelerated with increasing temperature. And it also accelerated the improvement of the void and the lattice defect in the neck. By increasing the contact duration, the neck tensile strength increased because the process of the improvement of the void and the lattice defect in the neck became more fully. If the duration was enough, the neck tensile strength would reach a steady state. The neck tensile strength was increased with increasing contact pressure. The high pressure made the contact between the two interface of the ash column more closely and it was conducive to accelerate the molecular diffusion rate. High temperature and contact pressure could make the neck tensile strength reach a steady state in a shorter duration. The work provided a basis to establish the model of solid-bridge force of coal ash and predict the behavior of coalash deposition in the specific conditions.

Key words:high temperature; solid-bridge force; sintering; measurement; neck tensile strength

中圖分類號：TK 16

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）06—2542—06

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160096

基金項目：國家自然科學基金項目（51476089）；高等學校博士學科點專項科研基金博導類資助課題（20120002110010）。

Corresponding author:Prof. YOU Changfu, youcf@mail.tsinghua.edu.cn