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摘 要：本文分析了焚烧炉结焦、积灰等问题，介绍了垃圾飞灰的熔点特性，垃圾焦阳的熔点特性等问题。
关键词：焚烧炉；结焦；积灰
机械炉排炉的结焦、积灰会导致焚烧炉前、后拱处形成的“喉口”部位通流面积变小甚至堵塞，从而造成停炉检修；另外如果过热器管外壁沾污、腐蚀，过热器第一、二管屏间隙变小甚至堵塞，降低锅炉运行经济性和安全性，因此必须从机械炉排炉运行中的烟气流速和流动方向，烟温、壁温、飞灰浓度、配风情况等考虑影响受热面结焦、积灰的重要因素，分析导致锅炉烟道沾污、积灰的主要原因，研究影响炉内结焦、积灰的影响规律。
当灰粒温度低于软化温度时，在受热面上，一般只能形成疏松的弱粘聚形灰渣，易脱落；当灰粒温度高于软化温度时，灰将以粘聚性较强的渣型粘附于受热面上；灰层表面温度进一步升高时，就可能形成熔渣。
对于烟道积灰，由于其熔融温度远高于通过烟道的烟气温度，所以烟道中只有少量积灰，未发生熔融，易用吹灰器吹掉。经检测，飞灰的各熔融特征温度接近 1500℃，分析认为这可能与加入的脱酸物质 Ca（OH）2有关。另外，流动温度与初始变形温度差值与灰渣形态有关。当该温差小时，管壁上可形成薄层熔渣，粘结牢固，吹灰器难于吹掉；当温差大时，灰渣层会较厚，在灰渣熔融前对管壁的粘附作用小，用吹灰器较易清除。对比以上各熔融温度，渣块熔融温度最低，与喉口处的严重结渣情况相对应，且 t2-t1=4℃，t4-t3=6℃，渣块达到变形温度后，迅速地软化，流动，更加重了结渣，并难以清除。
1.垃圾飞灰的熔点特性研究
垃圾焚烧与一般燃料燃烧相比，垃圾焚烧具有发热值低、灰份高、热值变化大却含水量高等特点，因此垃圾在焚烧过程中情况也较为复杂，具有气、液、固体多项反应混合发展，多介质中的传递、同相和异相间传递交替发生的特点，并受晶界过程、电化学过程和应力演变过程等多重因素的影响；
所以，垃圾焚烧环境中发生的结焦、结灰比一般燃料燃烧过程中更复杂。
在垃圾飞灰实际测量的灰熔融特性来看，其变形、软化、熔融温度均低于粉煤灰的温度，这决定了垃圾焚烧炉易于结焦的特点，根据深能环保武汉厂取灰样的情况，t1=950℃，t2=980-990℃。
由于垃圾的组成复杂，灰渣在管壁（水冷管壁、过热器管壁）上沉积存在两个不同的过程：第一个沉积过程是初始沉积层的形成过程。初始沉积层为化学活性高的薄灰层，它由尺寸很小的灰颗粒组成。第二个沉积过程是较大灰粒在惯性力作用下冲击到管壁的初始沉积层上（惯性沉积），当初始沉积层具有粘性时，它捕获惯性力输运的的灰颗粒，并使渣层厚度迅速增加。由于初始沉积层主要是由挥发分灰组分的冷凝及微小颗粒的热迁移而引起，在实际运行中很难防止初始沉积层的形成。一旦初始沉积层形成后，往往造成炉内结焦迅速增加，并对锅炉安全运行构成威胁。
2. 垃圾焦样的熔点特性研究
分析焦样成分中可知，单项氧化物的熔点温度较高。在实践生产中炉膛出口结焦严重，说明焦渣的熔融特性与其组分有关。因为仅仅从焚烧炉出口处烟气温度是低于氧化物熔点温度，理论上分析是不会结焦。基于煤结焦的大量试验数据，给出了结焦的各个判别指数。虽然煤和生活垃圾差异很大，但生活垃圾与煤结焦的焦样成分相似，用煤结焦判别指数判别生活垃圾的结焦程度也有很大参考价值。
通过硅铝比、碱酸比等积灰判别数据的分析可以得出垃圾焚烧飞灰有严重的积灰、积焦的倾向，且垃圾灰的积灰趋势高于煤灰。而实际运行中的垃圾焚烧炉由于运行工况、垃圾成分变化较大，积灰往往较严重。粘结性积灰对受热面的影响更大，生长较快且难以清除，粘结性积灰主要发生在从过热器一段、二段、三段以及省煤器前部区域。松散性积灰主要发生在垃圾焚烧炉尾部烟道受热面上。
用三种结焦判别指数判断，生活垃圾结焦程度都属严重结焦状态。深能环保在南山、宝安、武汉等几个垃圾发电厂焚烧炉炉膛出口结焦情况普遍存在。情况严重时，需一个月打焦一次。一般 1.5-2 个月左右打焦一次，属正常状态。运行调整较好时，打焦时间稍长，在 2.5-3 个月左右。
在垃圾焚烧炉实际运行中，烧结是一个复杂的理化过程，微粒表面自由能的降低，向自由能和表面积最小状态进行是烧结反应的原始推动力，在热力学上是不可逆过程。因此烧结固相反应与焚烧炉高温粘结灰的发展密不可分。
在研究过程中，我们认为积灰的烧结一般在低于灰熔点的温度下进行，主要的以固相反应为主，但积灰中仍然可能有熔融相的存在，但少量的液相成分可能对固相反应和烧结过程起到重要影响。大量不同的小颗粒或更小的亚微颗粒在高温多相反应和表面熔融相共同作用，是造成烧结团聚的驱动力，并在积灰内部呈现致密的烧结结构。在积灰中液相的主要原因是由于低熔点共熔体熔融和气态凝结共同造成的。液相的存在为灰颗粒的附着提供了较强的化学力，而且可能在毛细作用下使颗粒重新排列而加快颗粒间的致密化，同时使强烈烧结和快速化学反应成为可能。
在垃圾积灰烧结过程主要包括固-固反应和气-固反应，其中硅铝酸盐矿物与碱金属生成低熔点共熔物的反应是固相参与的化学反应主要形式，碱金属和碱土金属在烟气中的硫酸盐化反应是气-固反应主要形式。在垃圾焚烧过程的烧结积灰分析中，垃圾焚烧飞灰和积灰除了含有多个晶相，往往还会含有液相和玻璃相。积灰中 Ca主要以硫酸盐的形式存在，以Ca SO4为主。
综上所述，垃圾焚烧炉在对流受热面Ca-S型烧结积灰形成问题的分析可以概括为：在垃圾焚烧过程中产生的以 CaO亚微小颗粒为主的灰颗粒在接触到扩散到其表面的SO2等气体的情况下，开始硫酸盐化过程，与 Si O2 等发生固相化学反应生成少量钙的硅酸盐。如果运行中燃烧温度控制不当，过高温度造成Ca SO4 和钙的硅酸盐等表面产生熔融相，融入的颗粒之间接触，加之反应后反应物扩大的体积，加速了积灰的烧结固化速度。垃圾焚烧环境中发生的结焦、积灰结渣比一般燃煤机组、煤粉炉燃烧过程中更复杂，更容易产生。
武汉深能环保新沟垃圾发电有限公司的2#锅炉于2016年4月19日停炉检修，检查发现炉膛结焦非常严重，结焦部位主要集中在焚烧炉出口前后拱处（厚度约 1.5 米），延伸至焚烧炉出口后墙水冷壁 7.8-9 米高度（第一垂直烟道），二次风口几乎被焦块掩埋，风口呈鼓泡状。焦块质地非常坚硬，强度超过混凝土，除焦难度非常大，我们主要采取用风镐打和大锤敲的方法，危险性也很大，清焦的时间为4天。
3. 结束语
如何减少垃圾焚烧发电中产生的二噁英的问题，一直是广受关注的环境问题，因此垃圾焚烧炉发电过程中除进一步严格按照“3T+E”原则保证垃圾完全燃烧和优化烟气处理工艺提高烟气中二噁英的去除外，关键是减少焚烧炉的停炉和冷启动次数。但通常我国城市生活垃圾的中的玻璃、灰份和盐分等成分相对较高，产生飞灰容易在高温条件下产生熔融，导致焚烧炉易出现结焦、积灰现象，不但会降低锅炉热效率，严重时甚至会造成焚烧炉喉部通流面积减小或过热器爆管等迫使焚烧炉停炉检修的事故，成为垃圾焚烧炉增加非正常工况焚烧二噁英的排放量、节能减排的主要障碍。
关键词：焚烧炉；结焦；积灰
机械炉排炉的结焦、积灰会导致焚烧炉前、后拱处形成的“喉口”部位通流面积变小甚至堵塞，从而造成停炉检修；另外如果过热器管外壁沾污、腐蚀，过热器第一、二管屏间隙变小甚至堵塞，降低锅炉运行经济性和安全性，因此必须从机械炉排炉运行中的烟气流速和流动方向，烟温、壁温、飞灰浓度、配风情况等考虑影响受热面结焦、积灰的重要因素，分析导致锅炉烟道沾污、积灰的主要原因，研究影响炉内结焦、积灰的影响规律。
当灰粒温度低于软化温度时，在受热面上，一般只能形成疏松的弱粘聚形灰渣，易脱落；当灰粒温度高于软化温度时，灰将以粘聚性较强的渣型粘附于受热面上；灰层表面温度进一步升高时，就可能形成熔渣。
对于烟道积灰，由于其熔融温度远高于通过烟道的烟气温度，所以烟道中只有少量积灰，未发生熔融，易用吹灰器吹掉。经检测，飞灰的各熔融特征温度接近 1500℃，分析认为这可能与加入的脱酸物质 Ca（OH）2有关。另外，流动温度与初始变形温度差值与灰渣形态有关。当该温差小时，管壁上可形成薄层熔渣，粘结牢固，吹灰器难于吹掉；当温差大时，灰渣层会较厚，在灰渣熔融前对管壁的粘附作用小，用吹灰器较易清除。对比以上各熔融温度，渣块熔融温度最低，与喉口处的严重结渣情况相对应，且 t2-t1=4℃，t4-t3=6℃，渣块达到变形温度后，迅速地软化，流动，更加重了结渣，并难以清除。
1.垃圾飞灰的熔点特性研究
垃圾焚烧与一般燃料燃烧相比，垃圾焚烧具有发热值低、灰份高、热值变化大却含水量高等特点，因此垃圾在焚烧过程中情况也较为复杂，具有气、液、固体多项反应混合发展，多介质中的传递、同相和异相间传递交替发生的特点，并受晶界过程、电化学过程和应力演变过程等多重因素的影响；
所以，垃圾焚烧环境中发生的结焦、结灰比一般燃料燃烧过程中更复杂。
在垃圾飞灰实际测量的灰熔融特性来看，其变形、软化、熔融温度均低于粉煤灰的温度，这决定了垃圾焚烧炉易于结焦的特点，根据深能环保武汉厂取灰样的情况，t1=950℃，t2=980-990℃。
由于垃圾的组成复杂，灰渣在管壁（水冷管壁、过热器管壁）上沉积存在两个不同的过程：第一个沉积过程是初始沉积层的形成过程。初始沉积层为化学活性高的薄灰层，它由尺寸很小的灰颗粒组成。第二个沉积过程是较大灰粒在惯性力作用下冲击到管壁的初始沉积层上（惯性沉积），当初始沉积层具有粘性时，它捕获惯性力输运的的灰颗粒，并使渣层厚度迅速增加。由于初始沉积层主要是由挥发分灰组分的冷凝及微小颗粒的热迁移而引起，在实际运行中很难防止初始沉积层的形成。一旦初始沉积层形成后，往往造成炉内结焦迅速增加，并对锅炉安全运行构成威胁。
2. 垃圾焦样的熔点特性研究
分析焦样成分中可知，单项氧化物的熔点温度较高。在实践生产中炉膛出口结焦严重，说明焦渣的熔融特性与其组分有关。因为仅仅从焚烧炉出口处烟气温度是低于氧化物熔点温度，理论上分析是不会结焦。基于煤结焦的大量试验数据，给出了结焦的各个判别指数。虽然煤和生活垃圾差异很大，但生活垃圾与煤结焦的焦样成分相似，用煤结焦判别指数判别生活垃圾的结焦程度也有很大参考价值。
通过硅铝比、碱酸比等积灰判别数据的分析可以得出垃圾焚烧飞灰有严重的积灰、积焦的倾向，且垃圾灰的积灰趋势高于煤灰。而实际运行中的垃圾焚烧炉由于运行工况、垃圾成分变化较大，积灰往往较严重。粘结性积灰对受热面的影响更大，生长较快且难以清除，粘结性积灰主要发生在从过热器一段、二段、三段以及省煤器前部区域。松散性积灰主要发生在垃圾焚烧炉尾部烟道受热面上。
用三种结焦判别指数判断，生活垃圾结焦程度都属严重结焦状态。深能环保在南山、宝安、武汉等几个垃圾发电厂焚烧炉炉膛出口结焦情况普遍存在。情况严重时，需一个月打焦一次。一般 1.5-2 个月左右打焦一次，属正常状态。运行调整较好时，打焦时间稍长，在 2.5-3 个月左右。
在垃圾焚烧炉实际运行中，烧结是一个复杂的理化过程，微粒表面自由能的降低，向自由能和表面积最小状态进行是烧结反应的原始推动力，在热力学上是不可逆过程。因此烧结固相反应与焚烧炉高温粘结灰的发展密不可分。
在研究过程中，我们认为积灰的烧结一般在低于灰熔点的温度下进行，主要的以固相反应为主，但积灰中仍然可能有熔融相的存在，但少量的液相成分可能对固相反应和烧结过程起到重要影响。大量不同的小颗粒或更小的亚微颗粒在高温多相反应和表面熔融相共同作用，是造成烧结团聚的驱动力，并在积灰内部呈现致密的烧结结构。在积灰中液相的主要原因是由于低熔点共熔体熔融和气态凝结共同造成的。液相的存在为灰颗粒的附着提供了较强的化学力，而且可能在毛细作用下使颗粒重新排列而加快颗粒间的致密化，同时使强烈烧结和快速化学反应成为可能。
在垃圾积灰烧结过程主要包括固-固反应和气-固反应，其中硅铝酸盐矿物与碱金属生成低熔点共熔物的反应是固相参与的化学反应主要形式，碱金属和碱土金属在烟气中的硫酸盐化反应是气-固反应主要形式。在垃圾焚烧过程的烧结积灰分析中，垃圾焚烧飞灰和积灰除了含有多个晶相，往往还会含有液相和玻璃相。积灰中 Ca主要以硫酸盐的形式存在，以Ca SO4为主。
综上所述，垃圾焚烧炉在对流受热面Ca-S型烧结积灰形成问题的分析可以概括为：在垃圾焚烧过程中产生的以 CaO亚微小颗粒为主的灰颗粒在接触到扩散到其表面的SO2等气体的情况下，开始硫酸盐化过程，与 Si O2 等发生固相化学反应生成少量钙的硅酸盐。如果运行中燃烧温度控制不当，过高温度造成Ca SO4 和钙的硅酸盐等表面产生熔融相，融入的颗粒之间接触，加之反应后反应物扩大的体积，加速了积灰的烧结固化速度。垃圾焚烧环境中发生的结焦、积灰结渣比一般燃煤机组、煤粉炉燃烧过程中更复杂，更容易产生。
武汉深能环保新沟垃圾发电有限公司的2#锅炉于2016年4月19日停炉检修，检查发现炉膛结焦非常严重，结焦部位主要集中在焚烧炉出口前后拱处（厚度约 1.5 米），延伸至焚烧炉出口后墙水冷壁 7.8-9 米高度（第一垂直烟道），二次风口几乎被焦块掩埋，风口呈鼓泡状。焦块质地非常坚硬，强度超过混凝土，除焦难度非常大，我们主要采取用风镐打和大锤敲的方法，危险性也很大，清焦的时间为4天。
3. 结束语
如何减少垃圾焚烧发电中产生的二噁英的问题，一直是广受关注的环境问题，因此垃圾焚烧炉发电过程中除进一步严格按照“3T+E”原则保证垃圾完全燃烧和优化烟气处理工艺提高烟气中二噁英的去除外，关键是减少焚烧炉的停炉和冷启动次数。但通常我国城市生活垃圾的中的玻璃、灰份和盐分等成分相对较高，产生飞灰容易在高温条件下产生熔融，导致焚烧炉易出现结焦、积灰现象，不但会降低锅炉热效率，严重时甚至会造成焚烧炉喉部通流面积减小或过热器爆管等迫使焚烧炉停炉检修的事故，成为垃圾焚烧炉增加非正常工况焚烧二噁英的排放量、节能减排的主要障碍。