煤飞灰颗粒烧结机制解析：基于抗压强度的气化炉积灰问题调控研究

针对气流床煤气化炉运行中飞灰沉积导致的换热效率下降问题，中国科学院团队通过抗压强度测试结合相变演化分析，揭示了不同粒径飞灰（<45 μm与45-65 μm）在900-1000°C下的烧结机制：小颗粒因适中Si/Al比促进钙长石结晶，大颗粒依赖高粘度熔体致密化。该研究为调控煤灰碱组分、优化合成气冷却温度提供了理论依据，对解决工业气化炉积灰难题具有重要意义。

　　

在清洁能源技术快速发展的今天，煤气化作为煤炭高效利用的核心途径，其稳定性却长期受困于一个看似微小却影响深远的难题——飞灰沉积。当高温合成气携带着煤飞灰颗粒流经换热器时，这些微米级的"不速之客"会在管壁上安营扎寨，形成顽固的积灰层。这不仅像给换热器"穿棉袄"般阻碍热交换，更可能引发管道腐蚀、气流阻塞，甚至迫使整个气化系统停机检修。传统的高压气体吹扫在这些烧结致密的灰层面前往往收效甚微，而问题的根源，正隐藏在飞灰颗粒间复杂的烧结行为中。

以往研究多聚焦于原煤灰分的烧结特性，但实际气化过程中形成的飞灰在化学组成和矿物特性上已发生显著变化。更棘手的是，不同粒径的飞灰在高温环境下展现出截然不同的"黏人"本领：有的靠熔体"胶水"粘合，有的借晶体"榫卯"互锁。这种差异使得工业现场难以制定普适性的防积灰策略。为此，中国科学院团队在《Fuel》发表的研究，首次通过抗压强度这一工程敏感指标作为突破口，结合多尺度表征手段，解码了飞灰烧结的"分子语言"。

研究人员从Shell气流床气化炉除尘单元获取原始飞灰样本，通过激光衍射粒度分析仪筛选出<65 μm的细颗粒，并进一步划分为<45 μm和45-65 μm两组。采用自主设计的烧结实验系统，在900-1000°C范围内模拟不同停留时间、气氛（氧化/还原）、温度条件下的烧结过程。借助X射线衍射（XRD）追踪矿物相变，场发射扫描电镜（FE-SEM）结合能谱（EDS）解析元素迁移，并基于热力学模型计算熔体粘度与表面张力。抗压强度测试则定量评估烧结体的机械稳定性。

Sample characterization部分
粒度分析显示原始飞灰呈双峰分布，<45 μm颗粒具有更高的CaO和Na₂
O含量。XRD显示小颗粒组初始含有石英（SiO₂
）和赤铁矿（Fe₂
O₃
），而大颗粒组以莫来石（3Al₂
O₃
·2SiO₂
）为主。这种组成差异为后续烧结行为的分化埋下伏笔。

Thermodynamic modelling部分
热力学模拟揭示：<45 μm颗粒在900°C即出现钙长石（CaAl₂
Si₂
O₈
）结晶峰，其理论熔体粘度随温度升高先降后升，与结晶过程吻合；而45-65 μm颗粒因高SiO₂
/Al₂
O₃
比（Si/Al>2.5）形成粘稠硅氧网络，抑制晶体成核。这一预测为后续实验现象提供理论支撑。

Conclusions部分
研究得出三重机制：1）<45 μm颗粒通过"粘度-结晶"双路径烧结，适中Si/Al比（1.5-2.0）促进钙长石析出，残余熔体粘度升高增强颗粒结合力；2）45-65 μm颗粒依赖"粘性流动"单一机制，高硅熔体（粘度>10⁵
Pa·s）在毛细力作用下形成无定形致密结构；3）还原气氛中Fe²⁺
通过形成Fe-O-Si低温共熔体，使烧结强度提升30%。

该研究首次建立飞灰粒径-熔体性质-结晶行为-抗压强度的关联模型，提出通过调控煤中碱金属含量（尤其是Na₂
O<3%）和合成气冷却速率（避免900-950°C温区滞留）来打破烧结链式反应。这些发现不仅为气化炉防积灰材料设计提供新思路，其提出的"机械强度导向"烧结评价方法，更可推广至陶瓷、冶金等粉末烧结领域。正如Xiaoming Li团队在讨论中指出："认识飞灰的‘黏性密码’，就是握住了打开气化炉长周期运行之门的钥匙。"