張 燕，樂 愷，張欣茹，毛 煒，王 廣，張 禮，張欣欣

(1.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京航天邁未科技有限公司，北京 100176；3.北京高校節(jié)能與環(huán)保工程研究中心，北京 100083；4.北京科技大學(xué) 鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083；5.冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點實驗室，北京 100083)

隨著熱量回收技術(shù)在現(xiàn)代煤氣化技術(shù)領(lǐng)域的快速興起和推廣[1]，熱回收裝置中的灰渣沉積問題涌現(xiàn)[2-3]。與燃煤鍋爐、冶金余熱鍋爐等其他熱回收設(shè)備相同，熱氣體中的灰渣顆粒易在換熱表面沉積，造成換熱效率大幅降低，嚴(yán)重時甚至引起堵塞和停車[4-5]?，F(xiàn)代煤氣化技術(shù)產(chǎn)生的合成氣溫度高(≥1 300 ℃)，且由于采用加壓純氧技術(shù)，灰含量高[6]，可達(dá)鍋爐的數(shù)十倍(根據(jù)運行經(jīng)驗煤氣化合成氣灰質(zhì)量濃度在100 g/m3以上，鍋爐煙氣灰質(zhì)量濃度約為4 g/m3[7])，因此換熱面灰渣沉積更顯著。如何有效應(yīng)對灰渣沉積、提高換熱效率已成為煤氣化熱量回收技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵。

輻射式合成氣冷卻器(Radiant Syngas Cooler，RSC)是加壓氣流床煤氣化技術(shù)中主要的熱量回收裝置之一，位于氣化爐反應(yīng)室下游，煤粉與氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓合成氣及灰渣顆粒物進(jìn)入RSC，通過輻射與對流的方式將熱量傳遞給水冷壁中的冷卻水并產(chǎn)生飽和蒸汽或過熱蒸汽。煤氣化RSC中的換熱介質(zhì)及換熱方式與粉煤鍋爐相似，因此，可部分借鑒鍋爐領(lǐng)域已有研究成果，如灰渣形成機(jī)理[8]、灰渣顆粒的輸運及沉積機(jī)制[9-12]以及沉積層特點[13-16]。與粉煤鍋爐相比，煤氣化RSC還具有還原性氣氛強(qiáng)、壓力高及灰濃度高等特點，因此其灰渣沉積機(jī)理與特點仍需進(jìn)行針對性研究，但目前相關(guān)研究較少。

20世紀(jì)90年代，德士古公司對冷水電廠IGCC項目中的RSC灰沉積進(jìn)行了研究[17]，發(fā)現(xiàn)換熱管表面沉積有亞微米至10 μm的球形顆粒，且初始沉積層的主要物質(zhì)是鐵的硫化物，而非鍋爐條件下的堿性硫酸鹽，但未見該研究的后續(xù)報道。近年來，我國科研人員對GE廢鍋流程RSC的沉積層成分、形貌、機(jī)械特性等進(jìn)行了分析[18]，發(fā)現(xiàn)水冷壁表面結(jié)渣的主要晶體礦物為石英、鐵輝石、碳硅石、鈣鋁石和鈣長石，并通過試驗獲得渣層的力學(xué)性能參數(shù)。但截至目前，RSC沉積層的研究樣本仍很少，相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和機(jī)理分析缺乏，導(dǎo)致工業(yè)技術(shù)開發(fā)困難。

筆者以現(xiàn)運行煤氣化裝置中RSC底部的水冷壁沉積層為研究對象，對其微觀形貌、結(jié)構(gòu)及元素組成的特點進(jìn)行表征分析，并與已有研究成果進(jìn)行對照，最后計算分析了沉積層在形成過程中對水冷壁傳熱的影響，以期為煤氣化領(lǐng)域灰渣沉積問題的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗原料

灰渣沉積層來自現(xiàn)運行的一套加壓氣流床煤氣化裝置，氣化裝置采用的氣化原料煤及所采集沉積層組成及灰熔點見表1。沉積層樣品在氣化爐停爐期間人工取出，采樣部位為RSC底部水冷壁，如圖1所示。沉積層呈圓弧形，質(zhì)地堅硬，厚度5～8 mm。

表1 原煤及沉積層組成及灰熔點

圖1 沉積層采樣位置及樣品照片

文中對于方位的描述，“內(nèi)”指靠近水冷壁的方向，即圓弧半徑較小的一側(cè)；“外”指遠(yuǎn)離水冷壁的方向，即圓弧半徑較大的一側(cè)；“徑向”指圓弧半徑增大的方向。

根據(jù)沉積層形貌特點，并參考粉煤鍋爐沉積層的分層方法[13-16]，將沉積層橫截面分為3層：最內(nèi)側(cè)為不完整的薄層，質(zhì)地松散，手輕壓即可粉碎，其在沉積層上的結(jié)合強(qiáng)度很弱，用手觸碰即可脫落，因此采集樣品中的內(nèi)層不完整，僅存留小部分；中層呈黑色，多孔狀，目測孔隙率約50%，厚度約為3 mm；外層呈淺灰色，孔隙少且細(xì)小，厚度約為2 mm。

1.2 樣品制備

制備沉積層橫截面和內(nèi)層的內(nèi)、外縱向表面(即垂直于沉積層徑向方向的表面)樣品，用于微觀形貌和元素組成分析。

(1)橫截面樣品的制備。采用鑲樣法，切割出一塊包含內(nèi)層的沉積層，置于金相試樣鑲嵌機(jī)中，橫截面朝上，添加導(dǎo)電型熱鑲嵌樹脂，加熱至150 ℃，冷卻后對上表面進(jìn)行打磨，露出平整的沉積層橫截面剖面。

(2)內(nèi)層內(nèi)表面和內(nèi)層外表面樣品的制取。采用直接制樣法，從沉積層上分離出一小塊內(nèi)層，分為2塊，分別使其內(nèi)表面或外表面朝上，用導(dǎo)電膠粘在單晶硅片上，制成內(nèi)層內(nèi)表面樣品和內(nèi)層外表面樣品。所有待測樣品表面做噴金處理。

1.3 樣品分析

采用ZEISS GeminiSEM 500場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對4個樣品進(jìn)行微觀形貌觀測，同時采用能譜分析(ESD)儀測定表面元素含量。取5～10個500 μm × 500 μm區(qū)域?qū)Ω鲗釉剡M(jìn)行分析，并取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 橫截面形貌與結(jié)構(gòu)分析

沉積層橫截面的SEM照片如圖2(a)所示，采用背散射模式成像，圖像亮度可反映組成元素原子序數(shù)的高低。從微觀形貌和亮度分布看，沉積層呈顯著的分層特點，分內(nèi)、中、外3個主層，每個主層又分為2個子層(劃分方式如圖2(a)紅色虛線所示)。內(nèi)1層位于內(nèi)層內(nèi)側(cè)，亮度沿徑向方向逐漸增加，厚度約0.8 mm；內(nèi)2層位于內(nèi)層外側(cè)，亮度明顯低于內(nèi)1層；中1層與內(nèi)2層相鄰，其間有1條厚度約0.2 mm的縫隙，中1層厚度約0.5 mm，亮度較高，層中有細(xì)小的孔隙；中2層位于中層外側(cè)，厚度最大，含大量連通孔隙(圖2(a)中黑色部分為孔隙)，孔高2～3 mm，多為徑向延伸，呈鐘乳石狀結(jié)構(gòu)；外1層與中2層相鄰，顏色比中層深，孔隙減少，且多為孤立的小空洞；外2層位于沉積層的最外側(cè)，厚約0.5 mm，與外1層間有一條窄縫，該層致密度最高，亮度均勻。

圖2 橫截面SEM圖像

內(nèi)層的二次電子模式成像如圖2(b)所示，可見內(nèi)層是由離散顆粒組成的，顆粒粒徑多為微米級。內(nèi)1層的顆粒分布較均勻，內(nèi)2層中出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚。由顆粒構(gòu)成的沉積內(nèi)層在鍋爐中也被廣泛關(guān)注[13-14,19-20]，一般認(rèn)為，初始沉積時，管壁溫度低，顆粒被冷卻而保持固態(tài)，從而形成顆粒堆積。

中層的二次電子模式成像如圖2(c)所示，可見中層為連續(xù)塊狀，說明沿著沉積層徑向，溫度逐漸升高，沉積顆粒間發(fā)生固相反應(yīng)而相互融合，即燒結(jié)作用。從圖2(a)中層的亮度分布看，中1層呈明暗相間的點狀，說明顆粒間燒結(jié)的程度很低，形成的熔合區(qū)域較小；中2層呈明暗相間的塊狀，相同亮度的區(qū)域面積增大，說明顆粒間燒結(jié)程度大幅增加。因此，可以將中層歸納為在鍋爐沉積中常見的燒結(jié)層[13-14,19]。

外層的二次電子模式成像如圖2(d)所示，可見外層也為連續(xù)塊狀。結(jié)合圖2(a)可見，外1層的孔隙大幅減少，不再呈鐘乳石狀結(jié)構(gòu)，由此判斷外1層發(fā)生部分熔融，沉積層具有一定的流動性，大孔隙被填充，形成較為致密的結(jié)構(gòu)。從外1層亮度分布看，相同亮度區(qū)域進(jìn)一步加大，但仍呈明暗相間的兩相，說明尚未達(dá)到完全熔融。外2層的亮度均勻性明顯增加，除細(xì)小的散點外，層中亮度基本一致，說明外2層的熔融程度高。因此，可以將外層歸為熔融層，類似鍋爐較高溫度區(qū)域沉積層的外層[13-14]。

2.2 橫截面元素分布

沉積層橫截面的元素分布也存在明顯的分層現(xiàn)象，這從圖2(a)中沉積各層的亮度差異可看出。各層中取5～10個區(qū)域進(jìn)行元素組成分析，取平均值作為各層的元素組成，根據(jù)表1沉積層成分計算其元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2，可見，由于采集樣品中內(nèi)層留存量少，表1沉積層分析僅能代表中層和外層部分，不能體現(xiàn)內(nèi)層成分。

表2 沉積層元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

Si，Al，Ca是煤灰分的主要組成元素，在沉積層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比較高。3種元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在內(nèi)層占比最低，在中、外層呈增加趨勢，這種現(xiàn)象在鍋爐沉積[15-16,19]和冷水電廠RSC沉積中[17]也存在，一般認(rèn)為Si，Al，Ca含量高的多為由外部礦物質(zhì)形成的大顆粒，隨沉積層加厚，沉積表面溫度升高、黏性增強(qiáng)，大顆粒物沉積比例增加。

Fe也是沉積層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的元素，在各層中的變化較復(fù)雜，大致呈內(nèi)高外低的分布特點。在沉積層內(nèi)側(cè)的3層(即內(nèi)1、內(nèi)2和中1層)中，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯富集，約為原煤中的2倍，但在沉積層外側(cè)的3層中，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原煤中質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)或低于原煤中質(zhì)量分?jǐn)?shù)。一般認(rèn)為，F(xiàn)e的沉積來源于煤中的黃鐵礦(FeS2)[21]。內(nèi)1層不同位置的Fe和S質(zhì)量分?jǐn)?shù)高度相關(guān)(圖3)，且內(nèi)1層中存在以Fe，S為主的顆粒(Fe與S質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總元素的90%以上)，說明這2種元素在內(nèi)1層中可能以鐵的硫化物形式存在。類似地，在冷水電廠RSC沉積層[17]最內(nèi)側(cè)的0.5 mm內(nèi)，也存在大量Fe，S元素，但2種元素在沉積層中的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)90%，遠(yuǎn)高于本研究，該差異仍需更廣泛的采樣和研究。

圖3 內(nèi)1層中Fe與S質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

另外，S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在內(nèi)2層大幅下降，后續(xù)各層均較低。鐵的硫化物在高溫下不穩(wěn)定，還原性氣氛下黃鐵礦分解機(jī)理[22]為

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)熱力學(xué)平衡計算，在RSC高壓還原性氣氛中，F(xiàn)eS2的分解溫度為450 ℃左右。由于內(nèi)2層溫度升高導(dǎo)致鐵硫化物分解，S以氣體形式溢出，使沉積層中S含量降低。綜上可推測內(nèi)層外側(cè)的溫度為450 ℃左右，以此作為后續(xù)傳熱分析的依據(jù)。

堿金屬元素Na，K在沉積層中的總含量不高，但局部存在富集現(xiàn)象，尤其是內(nèi)層，含量約為原煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3倍。一般認(rèn)為，初始沉積時，氣態(tài)堿金屬及其化合物以直接冷凝的方式在壁面沉積，或先以異相冷凝的方式形成微納米顆粒，再通過熱泳或布朗運動到達(dá)壁面[11,13]，初始沉積時由于壁面溫度低，沉積顆粒以細(xì)顆粒為主，因此堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。與本文不同，冷水電廠RSC沉積[17]內(nèi)層中不含堿金屬，原因尚待進(jìn)一步研究。此外，堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在外層再次增加，同時伴隨Cl質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅增加，與此對應(yīng)，在外層局部位置出現(xiàn)了NaCl，KCl晶體顆粒(圖2(d))，與鍋爐過熱器中堿金屬氯化物沉積現(xiàn)象[23-24]類似。根據(jù)煤質(zhì)成分估算RSC內(nèi)NaCl，KCl的蒸汽分壓，按照安托尼方程(Antoine Equation)及NIST提供的參數(shù)，計算得到NaCl和KCl的冷凝溫度分別為1 050 ℃和955 ℃，可見，由于氣化爐為高壓設(shè)備，冷凝溫度比常壓鍋爐高出約250 ℃。參照文獻(xiàn)[26]，考慮氣體混合對冷凝溫度的影響，估算NaCl和KCl混合蒸汽的冷凝溫度約為1 000 ℃。而NaCl和KCl熔點溫度分別為801 ℃和776 ℃[26]，因此RSC內(nèi)冷凝析出的NaCl和KCl初始狀態(tài)為液態(tài)。由于本文發(fā)現(xiàn)的沉積顆粒尺寸較大(2～5 μm)，推測顆粒在主氣流中形成[25]，由于在氣流中經(jīng)歷了較長時間，顆粒間相互聚并而增大。當(dāng)內(nèi)層和中層形成時，由于沉積表面溫度較低，NaCl或KCl冷凝顆粒在接近沉積表面時被冷卻為固態(tài)，不具有黏性，因此不易沉積。而當(dāng)外層開始形成時，沉積表面溫度升高，接近顆粒熔點，使顆粒在接近沉積表面時仍能保持原有的液體狀態(tài)，因此較易沉積。由此推測外層內(nèi)側(cè)的溫度約為800 ℃，可使沉積顆粒保持液態(tài)而黏附。外層外側(cè)溫度應(yīng)高于外層內(nèi)側(cè)溫度(800 ℃)，同時應(yīng)低于冷凝溫度(1 000 ℃)，因此暫估為900 ℃，作為后續(xù)傳熱分析的依據(jù)。

綜上，沉積層各層呈現(xiàn)不同的特點，尤其是內(nèi)層，在形貌和元素組成上均與中層和外層存在顯著差異。

2.3 內(nèi)層內(nèi)、外表面顆粒分析

內(nèi)層內(nèi)表面是沉積層與金屬管壁的交界面，內(nèi)層外表面是沉積層內(nèi)層與中層的交界面，對顆粒進(jìn)行分析有助于研究沉積層的形成及清除機(jī)制。內(nèi)層內(nèi)、外表面的顆粒形貌及元素組成如圖4所示。

圖4 內(nèi)層內(nèi)、外表面顆粒形貌及成分

內(nèi)層內(nèi)表面顆粒分布較均勻，大部分粒徑在1～2 μm，以短柱狀顆粒居多，還有一些不規(guī)則形狀及球形顆粒，顆粒表面黏附有更微小的顆?；蛐鯛钗?，僅有少量2 μm以上的大顆粒。短柱狀、不規(guī)則及球形顆粒成分接近，均以Si，F(xiàn)e，Ca，Al為主，且堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于原煤灰；絮狀物中Fe和Na元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。大顆粒以Fe和S為主，根據(jù)成分判斷為鐵的硫化物。在內(nèi)表面的顆粒粒徑范圍內(nèi)，由范德華作用產(chǎn)生的臨界黏附力比重力大幾個數(shù)量級[27]，因此，范德華作用可能是顆粒與壁面以及顆粒間黏附的主要原因之一。此外，根據(jù)前人研究[4]，顆粒上附著的微小顆粒及絮狀物也起膠黏劑的作用。相比于燒結(jié)、熔融狀態(tài)的中外層，顆粒狀內(nèi)層的黏結(jié)強(qiáng)度最弱。因此，沉積防治技術(shù)首先應(yīng)是抑制內(nèi)層的增長，盡可能防止中、外層的形成，因為中、外層一旦形成，其黏結(jié)強(qiáng)度將大幅增加，清理難度遠(yuǎn)高于內(nèi)層。

內(nèi)層外表面顆粒直徑顯著增加，出現(xiàn)直徑約幾十至上百微米的顆粒團(tuán)簇，團(tuán)簇中夾雜著細(xì)長針狀物，并含有大量10 μm以上的塊狀顆粒，說明已發(fā)生一定程度的顆粒間固相反應(yīng)，是沉積層由顆粒狀向連續(xù)塊狀轉(zhuǎn)變的臨界位置。針狀束和顆粒團(tuán)以Si，F(xiàn)e，Ca為主，塊狀顆粒以Fe，Si為主，F(xiàn)e約占1/2。研究發(fā)現(xiàn)[13]，粉煤鍋爐沉積內(nèi)外層交界處的Fe含量與2層間的結(jié)合強(qiáng)度呈正相關(guān)，高含鐵顆粒在較低溫度下即可變?yōu)轲に苄裕菍娱g的連接點。筆者發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層外表面的高含鐵塊狀顆粒多具有與徑向垂直的平整表面，由此推測這些塊狀顆粒亦起到了內(nèi)層與中層間“連接點”的作用。由于這種點狀連接的強(qiáng)度較低，因此內(nèi)層易與中層分離，煤粉鍋爐的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)了類似的層間分離與脫落現(xiàn)象[13,19,28]?？梢?，內(nèi)層與中層的連接處是沉積層間結(jié)合的薄弱環(huán)節(jié)，沉積防治技術(shù)的開發(fā)應(yīng)充分利用該特點，在沉積層已發(fā)展出中、外層的情況下，采取措施誘發(fā)層間剪切運動，促使中層與內(nèi)層之間的連接處斷裂，從而使沉積層脫落，以達(dá)到沉積清除的目的。

2.4 沉積層傳熱分析

沉積層形成對RSC傳熱效果的影響是工業(yè)運行中最為關(guān)注的問題，筆者初步構(gòu)建了將沉積狀態(tài)與傳熱特性相關(guān)聯(lián)的計算模型。2.2節(jié)中，根據(jù)內(nèi)層鐵硫化物的變化以及外層堿金屬氯化物沉積現(xiàn)象，推測沉積層內(nèi)的溫度分布。將沉積形成過程分為3個典型狀態(tài)，結(jié)合預(yù)估溫度，對不同狀態(tài)下的傳熱特性進(jìn)行計算。3個沉積狀態(tài)分別為：① 沉積狀態(tài)1，即內(nèi)層形成狀態(tài)，表面溫度(450 ± 50) ℃；② 沉積狀態(tài)2，即中層形成狀態(tài)，表面溫度(800 ± 50) ℃；③ 沉積狀態(tài)3，即外1層形成狀態(tài)，表面溫度為(900 ± 50) ℃?！?0 ℃為預(yù)估的偏差范圍。

圖5 沉積層傳熱示意

(5)

不同沉積狀態(tài)下q由式(6)計算。

qi=σαi[(Tout,i+273)4-(Td,i+273)4]+hi(Tout,i-Td,i)

(6)

其中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取5.67 × 10-8W/(m2·K4)；α為沉積層表面的輻射吸收系數(shù)；h為沉積層表面的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，根據(jù)平壁湍流單相流體強(qiáng)制對流換熱關(guān)系式計算[29]。聯(lián)立式(5)，(6)，可求解不同沉積狀態(tài)下的熱流密度與RSC出口合成氣溫度。由于煤氣化領(lǐng)域還沒有沉積層表面的輻射吸收系數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，參考鍋爐領(lǐng)域已有的研究成果[30-31]，即小于2 μm顆粒構(gòu)成的沉積內(nèi)層輻射吸收系數(shù)<0.3；隨著沉積厚度增加及顆粒間的燒結(jié)，其值可增加至0.4～0.5；當(dāng)沉積層表面處于熔融態(tài)時，其吸收系數(shù)可增至0.9以上。本文計算取值見表3。

表3 沉積層傳熱計算條件

傳熱分析得到不同沉積狀態(tài)下的熱流密度及RSC出口溫度如圖6所示，圖6中誤差棒表示沉積表面溫度及輻射吸收系數(shù)取值預(yù)估偏差帶來的計算結(jié)果不確定性范圍，可見預(yù)估偏差對內(nèi)層熱流密度和RSC出口溫度計算結(jié)果影響最大，分別為±10%和±6%。無沉積狀態(tài)的熱流密度最大，高溫合成氣與壁面換熱最充分，RSC出口溫度最低；沉積狀態(tài)1時，雖然內(nèi)層厚度很薄，但對壁面?zhèn)鳠嵩斐奢^大的阻礙，使熱流密度降低約25%，RSC出口溫度增加170 ℃；沉積狀態(tài)2時，沉積厚度達(dá)到總厚度的70%，熱流密度繼續(xù)下降約10%，RSC出口溫度上升72 ℃；沉積狀態(tài)3時，沉積層厚度達(dá)90%，熱流密度下降約5%，RSC出口溫度上升20 ℃。3層沉積均形成后，熱流密度共下降40%，出口溫度共上升265 ℃。沉積形成過程中，內(nèi)層的形成對于換熱的影響最顯著，后續(xù)沉積的影響相對較弱，該變化趨勢與鍋爐沉積類似[32-33]。

圖6 不同沉積狀態(tài)傳熱分析結(jié)果

為了分析不同沉積狀態(tài)下的熱阻構(gòu)成，識別主要的熱阻來源，對不同沉積狀態(tài)下的各部分熱阻進(jìn)行計算，即

(7)

(8)

其中，Rrc,i為沉積表面輻射對流換熱熱阻；Rd，j為沉積層各層傳熱熱阻，j=1,2,3分別對應(yīng)內(nèi)、中、外層；Rt為水冷管傳熱熱阻，可根據(jù)金屬熱導(dǎo)率及管壁厚度求得；Tti為水冷管水側(cè)溫度，由于水側(cè)對流換熱系數(shù)大，可近似認(rèn)為該溫度不隨沉積狀態(tài)而變化。根據(jù)式(7),(8)，依次計算沉積狀態(tài)1～3的各部分熱阻，結(jié)果如圖7所示?？梢?，無沉積狀態(tài)下，熱阻僅包含金屬表面的輻射對流換熱熱阻；沉積狀態(tài)下，熱阻包含沉積層的導(dǎo)熱熱阻和沉積層表面的輻射對流換熱熱阻2部分。比較3個沉積狀態(tài)較前一個狀態(tài)的熱阻增加值，發(fā)現(xiàn)沉積狀態(tài)1時的熱阻增加值最大(8.58 K·m2/kW)，沉積狀態(tài)2次之(6.08 K·m2/kW)，沉積狀態(tài)3最小(2.25 K·m2/kW)。

圖7 不同沉積狀態(tài)熱阻分布

沉積狀態(tài)1的熱阻由內(nèi)層導(dǎo)熱熱阻和內(nèi)層表面的輻射對流換熱熱阻組成，其中表面輻射對流換熱熱阻占76%。計算可知，在所分析的換熱溫度范圍內(nèi)，輻射換熱量占表面輻射與對流換熱總量的絕大部分(80%～90%)，說明輻射熱阻是輻射對流熱阻的主要部分，也是沉積狀態(tài)1總熱阻的主要部分，輻射熱阻高是由于內(nèi)層表面的輻射特性較差造成的。沉積狀態(tài)2時，中層的導(dǎo)熱熱阻占比最大，但由于中層的表面輻射特性加強(qiáng)，表面輻射熱阻下降，因此熱阻總增加幅度略小。沉積狀態(tài)3時，即3層沉積均形成時，中層的導(dǎo)熱熱阻占比仍最大，其次是外層和內(nèi)層的導(dǎo)熱熱阻，由于沉積表面輻射特性進(jìn)一步增強(qiáng)，輻射熱阻占比減小，相對沉積狀態(tài)2時，總熱阻增加幅度很少。

綜上，沉積層的形成使合成氣向水冷壁的傳熱量大幅下降，開發(fā)有效的沉積防治技術(shù)迫在眉睫。在初始沉積階段或中外層脫落時，內(nèi)層的表面輻射換熱熱阻是主要的傳熱限制環(huán)節(jié)，將造成傳熱量大幅下降，而隨著內(nèi)層表面溫度升高，沉積進(jìn)一步加劇，因此，在沉積防治技術(shù)中抑制或清除內(nèi)層非常重要。筆者構(gòu)建的灰渣沉積狀態(tài)與RSC傳熱特性相關(guān)聯(lián)的計算模型，可為工業(yè)運行提供初步指導(dǎo)，在沉積溫度預(yù)測及沉積層熱物性方面，仍需開展大量的采樣分析工作，并在工業(yè)應(yīng)用中逐步完善。

3 結(jié) 論

(1)沉積層在結(jié)構(gòu)上具有顯著的分層特點。根據(jù)沉積層SEM形貌特征將沉積層橫截面分為3個主層，分別為顆粒內(nèi)層、燒結(jié)中層和熔融外層。與煤粉鍋爐沉積層具有相似性：內(nèi)層最薄，呈松散顆粒狀；中層最厚，呈多孔狀，孔隙大且相互連通；外層致密，呈熔融、半熔融狀。每個主層又可分為2個子層。

(2)沉積層在元素組成上具有分層特點，不同元素的分布規(guī)律不同。其中Si，Al，Ca總質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿沉積層徑向方向呈升高趨勢；Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布具有內(nèi)高外低的特點；內(nèi)1層中的Fe以硫化合物形式存在，并在內(nèi)2層分解，造成S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅降低；Na，K元素在內(nèi)層富集、中層降低、外層再次富集，外層富集與NaCl，KCl晶體顆粒沉積有關(guān)，通過沉積機(jī)理分析推測外層溫度應(yīng)高于堿金屬氯化物的熔點溫度，低于其冷凝溫度。

(3)內(nèi)層內(nèi)表面以粒徑1～2 μm的短柱狀顆粒為主，顆粒黏附的主要機(jī)制為范德華作用和黏性物質(zhì)，黏附力弱。內(nèi)層外表面顆粒尺寸明顯增大，并出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚和結(jié)晶現(xiàn)象，其中含鐵量高的大顆粒起層間連接點的作用。

(4)構(gòu)建了沉積狀態(tài)與傳熱特性關(guān)聯(lián)的計算模型，對不同沉積狀態(tài)下的傳熱變化以及熱阻分布分析表明，內(nèi)層形成時熱流密度下降25%，其主要熱阻為表面輻射換熱熱阻，3層均形成時熱流密度下降40%，其熱阻中中層導(dǎo)熱熱阻占比最大。

(5)鑒于RSC沉積層的分層特點，工業(yè)中應(yīng)有針對性地開發(fā)防治策略，重點抑制內(nèi)層沉積的形成與增長，在中外層形成的情況下，應(yīng)采取措施誘發(fā)層間剪切運動，從而使中外層脫落。