温度、接触压力与时间对燃煤飞灰固体桥力的影响规律

赵硕，栾超，由长福（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084）



温度、接触压力与时间对燃煤飞灰固体桥力的影响规律

赵硕，栾超，由长福
（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084）

摘要：在所开发的用于在高温条件下（最高使用温度可达1600℃）测量灰的固体桥力的实验系统上，研究了温度、接触压力及接触时间对燃煤飞灰的固体桥力的影响规律。结果显示，燃煤飞灰的脖颈抗拉强度与温度之间呈现出双峰分布曲线的关系。这是由于随着温度的变化，燃煤飞灰的物相状态发生改变，玻璃体成分的含量也随之变化。在温度不变的情况下，燃煤飞灰的烧结脖颈抗拉强度随接触时间和接触压力的增加而增大。

关键词：高温；固体桥力；烧结；测量；脖颈抗拉强度

2016-01-21收到初稿，2016-03-06收到修改稿。

联系人：由长福。第一作者：赵硕（1992—），男，硕士研究生。

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、生物质等固体燃料的燃烧过程中，受热面的积灰结渣现象，会影响锅炉等设备的安全稳定运行。高温条件下灰颗粒之间的相互黏结作用、灰颗粒与受热面之间的黏结作用，是积灰结渣的主要影响因素。在积灰结渣的过程中，黏结力起到了重要作用。灰颗粒间的作用力可分为接触作用力与非接触作用力两类，一般情况下接触作用力远大于非接触作用力，因此主要考虑接触作用力对积灰结渣问题的影响。接触作用力又可以分为液体桥力和固体桥力。对于积灰结渣问题，现阶段对液体桥力有较多的研究并取得了很多重要的成果[1-2]；对于固体桥力的研究则较为缺乏，固体桥力通常因颗粒的熔融烧结而产生，对灰颗粒的黏结有重要影响[3]。

灰颗粒之间的烧结，会在相邻灰颗粒之间形成烧结脖颈并产生固体桥力，使相邻的灰颗粒互相黏结[3-7]，增大灰的密度与强度。Raask[8]指出脖颈尺寸是灰颗粒间形成稳定脖颈的重要判断依据：当脖颈半径与灰颗粒半径之比大于0.3时，即形成了稳定的烧结脖颈，吹灰器就无法清除灰沉积物，即使二者之比为0.1，吹灰器都难以清除灰沉积物。

固体桥力的大小可通过式（1）计算得到

其中，x为脖颈半径，σneck为灰的脖颈抗拉强度。对于脖颈尺寸的变化规律很多学者[9-10]已经有了较为详细的研究，但是对于脖颈抗拉强度的研究却相对有限[11-12]。将脖颈抗拉强度取为同温度下同种材料的抗拉强度的方法存在一定的问题，Mikami 等[13]发现因固体桥力引起的脖颈抗拉强度仅为同温度下同种材料抗拉强度的5%；王希等[14-16]发现，因脖颈中存在较多的晶格缺陷，脖颈抗拉强度远小于散堆颗粒；栾超等[17]使用玻璃作为实验材料测量了其在高温条件下的脖颈抗拉强度，并与玻璃的抗拉强度进行了对比，800℃下玻璃的材料抗拉强度为46.3 kPa，而脖颈抗拉强度仅为17.6 kPa，误差超过160%。但目前尚缺乏足够的有关脖颈抗拉强度的数据。本文在开发出高温条件下灰的固体桥力测量实验系统的基础上，开展了温度、接触时间、接触压力对飞灰固体桥力的影响研究，为进一步建立燃煤飞灰固体桥力模型提供基础。

1　实验部分

1.1实验原料

实验中使用的原料为粉煤灰，其化学成分和熔融温度、烧结温度分别如表1、表2所示。

表1　灰的化学成分Table 1　Chemical composition of ash/% (mass)

表2　灰的熔融温度及烧结温度Table 2　Fusion temperature and sintering temperature of ash/℃

实验材料的具体制备过程如下：

（1）将粉煤灰装入圆柱形坩埚；

（2）将坩埚放入高温马弗炉，在氩气气氛下将高温马弗炉升温至粉煤灰的临界温度，并保温30 min，保证样品各种化学成分均匀混合；

（3）保温结束后，使坩埚在炉膛中以不高于10℃·min−1的速率缓慢降温至室温，保证样品有相同结晶过程；

（4）将坩埚里的灰材料进行机械加工，使之成为如图1所示的圆柱形灰柱。

1.2固体桥力的测量方法

实验系统如图2所示，主要包括拉伸牵引装置、可升降高温滴管炉、压式传感器和数据采集装置4部分。顶部拉伸牵引装置和可升降高温滴管炉由可调速步进电机丝杠导轨控制。步进电机丝杠导轨的最大有效行程为425 mm，速度范围为4.6 µm·min−1～240 mm·min−1，精度为1 µm，垂直牵引载荷最大为15 kg。高温滴管炉的最高温度为1600℃。压式传感器的最大量程为1000 g，精度为0.1 g。

图1　灰的固体桥力实验所用圆柱形灰柱示意图Fig.1　Schematic diagram of cylindrical ash column used for solid-bridge force experiment

图2　实验系统Fig.2　Schematic diagram of experimental system

固体桥力测量实验具体方案如下：

（1）实验开始前，将拉伸牵引装置和压力传感器与上、下灰柱连接，分别从高温滴管炉的顶部和底部伸入炉膛中心位置，使两灰柱端面保持10 mm的距离；

（2）加热高温滴管炉至设定温度，保温20 min以保证炉内温度稳定且分布均匀；

（3）调节顶部拉伸牵引装置，使上、下两个灰柱端面在设定的接触压力下相接触，保持一定时间；

（4）设定拉伸牵引装置以1.4 mm·min−1的速度提升与之相连接的上灰柱，使上、下两灰柱分离，同时使高温滴管炉以0.7 mm·min−1的速度匀速上升；

（5）在整个过程中，数据采集装置实时采集压式传感器的示数，通过分析压式传感器的示数，就可以得到两个灰柱接触面之间固体桥力的大小，并根据式（1）计算得出灰的烧结脖颈抗拉强度值。

本文研究了不同条件对于灰的烧结脖颈抗拉强度的影响规律，采用的实验条件如下。

（1）温度。本研究中选择了一系列锅炉炉膛中的典型温度，分别为750、850、950、1050、1150 和1250℃。

（2）接触压力。接触压力决定了灰端面之间的紧密程度，进而影响烧结脖颈的形成。本研究中选择的接触压力分别为9.5、13.0、16.5和19.9 kPa。

（3）接触时间。烧结脖颈的生长是一个与时间相关的过程。本研究中将接触时间控制为1、2、5、10和20 min。

2　结果与讨论

2.1温度对脖颈抗拉强度的影响

保持恒定的接触时间与接触压力，在不同的温度条件下测量灰的固体桥力。根据式（1），即可计算得到灰的脖颈抗拉强度值。图3给出了脖颈抗拉强度随温度的变化曲线。

从图3中可以看出，在750～1250℃的温度范围内，灰的脖颈抗拉强度与温度之间呈现出双峰分布曲线的关系。当温度为750℃时，因低于灰的烧结温度（783℃），无法发生烧结现象，因此灰的脖颈抗拉强度为零。这表明当灰的温度低于其烧结温度时，无黏结力，不发生沉积行为。当温度从750℃升高至850℃时，灰柱端面之间通过烧结作用形成脖颈，脖颈抗拉强度随温度的升高而迅速增大，并在850℃处达到第1个峰值。当温度继续升高至950℃时，脖颈抗拉强度迅速减小，并在950℃处出现极小值。在950～1250℃的范围内，脖颈抗拉强度随着温度的升高先增大后减小，并在1150℃处出现第2个峰值。

双峰现象的产生，一方面是因为在850℃和1150℃温度下，样品表面有较高的玻璃体成分，950℃时样品表面无明显的玻璃体成分，而玻璃体结构不稳定，在高温下较易融化成黏性物质，使灰柱具有较强的黏结能力，进而具有较大的脖颈抗拉强度[18]。同时，灰柱之间采用平面接触虽然能够使脖颈迅速生长，但是脖颈之间仍然会存在空隙和晶格缺陷。当温度升高时，脖颈处的分子扩散速率会增大，加速了脖颈内空隙和晶格缺陷的改善[3]，因而抗拉强度随之增大。这解释了在950～1150℃的范围内脖颈抗拉强度随温度的升高而增大的现象。但是，当温度继续升高至1250℃时，接近了粉煤灰的流动温度，此时在实验中可以观测到在灰柱表面产生了液态成分，液态成分显著降低灰柱以及脖颈的强度，因而在1150～1250℃范围内，脖颈抗拉强度随温度的升高而迅速减小，且不同接触时间的脖颈抗拉强度均趋于同一量级。

图3　温度对灰的脖颈抗拉强度的影响Fig.3　Effect of temperature on neck tensile strength of ash

2.2接触时间对脖颈抗拉强度的影响

保持恒定的温度与接触压力，在不同的接触时间下测量灰的固体桥力，并计算得到了脖颈抗拉强度值。图4给出了脖颈抗拉强度随接触时间的变化曲线。

图4　接触时间对灰的脖颈抗拉强度的影响Fig.4　Effect of contact duration on neck tensile strength of ash

由图可知，在850～1250℃的温度范围内，灰的烧结脖颈抗拉强度随时间的增加而增大。这是由于烧结脖颈内部存在着空隙和晶格缺陷，随着分子扩散的进行，脖颈内部的空隙和晶格缺陷会逐渐得到改善，其黏结程度也会逐渐发展，使得脖颈抗拉强度随之增大。可以预见，在经过足够长的时间之后，不同温度和压力条件下的脖颈抗拉强度均将达到稳定状态。

在图中还可以发现，当温度较高时（1250℃），脖颈抗拉强度随时间的变化不大，并且很快趋向于一个稳定值，这是由于液相成分大大加快了脖颈的致密化过程。在烧结过程中，一种重要的强化烧结方式是液相的产生，能够大大提高脖颈的发展速度。因此，在1250℃时，脖颈在较短的时间之内就完成了生长过程，强度达到了稳定值，因而随时间的变化不大。

2.3接触压力对脖颈抗拉强度的影响

图5给出了灰的脖颈抗拉强度随接触压力的变化曲线。由图可见，在保持恒定的温度与接触时间的条件下，脖颈抗拉强度随压力的增加而增大。从脖颈抗拉强度的发展趋势来看，接触压力越大，脖颈抗拉强度的增长也越快。当温度较高时，接触压力的增大对于脖颈抗拉强度的变化影响较小，说明高温下脖颈抗拉强度能够较快生长到较稳定的状态；也反映出相较于接触压力，脖颈抗拉强度对于温度的变化更为敏感。如图5(a)所示，接触压力的增加能够明显提高脖颈抗拉强度值，而在图5(c)中，当接触压力高于13.0 kPa以后，对于脖颈抗拉强度的提高效果已经不太明显。

图5　接触压力对灰的脖颈抗拉强度的影响Fig.5　Effect of pressure on neck tensile strength of ash

接触压力的增大能够使两个端面之间的接触更为紧密，有利于提高分子扩散速率，改善脖颈内的空隙及晶格缺陷，从而使脖颈抗拉强度增大。特别是在温度较高时，脖颈在高温和压力的共同作用下，能够迅速生长和完善内部结构，使脖颈抗拉强度在较短时间内达到稳定状态。

3　结　论

高温条件下测量灰的固体桥力对于研究灰的沉积行为具有重要意义。本文在已开发的高温条件下灰的固体桥力测量实验系统上，研究了灰在高温下的固体桥力发展规律及其影响因素。实验结果显示，灰的脖颈抗拉强度与温度之间呈现出双峰分布曲线的关系。由于烧结脖颈内部存在着空隙和晶格缺陷，增加接触时间，随着分子扩散的进行，空隙和晶格缺陷会逐渐得到改善，脖颈抗拉强度随之增大；接触压力的增大能够使两个端面之间的接触更为紧密，有利于提高分子扩散速率，改善脖颈内的空隙及晶格缺陷，从而使脖颈抗拉强度增大。当接触时间足够长后，不同温度和压力条件下的脖颈抗拉强度会趋于稳定状态；而相比较于接触时间与接触压力，脖颈抗拉强度对温度最为敏感；在较高温度下，脖颈抗拉强度在高温和压力的共同作用下，能够快速生长并完善内部结构，使脖颈抗拉强度可以在较短的时间内达到稳定值。本文为进一步建立燃煤飞灰固体桥力模型提供了丰富的数据和基础。

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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

中图分类号：TK 16

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）06—2542—06

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160096

基金项目：国家自然科学基金项目（51476089）；高等学校博士学科点专项科研基金博导类资助课题（20120002110010）。

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