翅片管式空气预热器中ABS积灰的实验研究

《International Journal of Thermal Sciences》：Experimental study on the ash accumulation of ABS in a heat-tube type air preheater

　　

摘要
本文制备了一台缩尺热管式空气预热器，用于实验研究硫酸氢铵（ABS）积灰的局部与整体特征。基于可视化、扫描电镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）以及空气预热器的压降与传热分析，对积灰的形貌、成分和分布进行了研究。同时还讨论了关键参数（包括烟气温度190–280°C和ABS-灰比例1/120–1/30）对积灰特征的影响。研究发现，不含ABS的飞灰在竖直光滑管上不能形成稳定的积灰层。相比之下，ABS的加入使飞灰颗粒迅速在管壁上堆积并形成钟形致密积灰层，这是因为液相ABS显著增强了飞灰颗粒的粘附力。ABS的酸性分解产物与飞灰中的碱性氧化物发生化学反应，生成硫酸盐化合物，这不仅改变了积灰层的成分，还促进了积灰层的致密化。随着烟气温度升高，积灰层厚度先增大后减小，当ABS处于较为充分的熔融状态时，在烟气进口温度Tg,i = 220°C时达到最大值26.2 mm。当ABS-灰比例从1/120增大到1/30时，积灰层厚度显著增加了217%，但ABS-灰比例对ABS与飞灰成分的反应路径影响有限。此外，回流涡旋导致第二排管（第2排）处的积灰层最厚。

1. 引言
燃煤电厂作为中国电力供应的主要贡献者之一，其发电量仍占全国总发电量的一半以上。在满足日益增长的电力需求的同时，也面临着越来越严格的环境要求。为降低NOx及其他有害气体的排放，选择性催化还原（SCR）技术得到了广泛应用，该技术在降低烟气中NOx浓度方面卓有成效[1,2,3]。然而，SCR技术导致烟气中SO3浓度持续升高，从而带来了一系列新的挑战，特别是硫酸氢铵（ABS）等副产物的生成。由于ABS附着在飞灰颗粒表面，增大了颗粒的黏性，从而加剧了飞灰颗粒的积灰[4]。这会堵塞空气预热器及其他换热设备，进而降低锅炉的热效率。在燃烧高硫煤时，这一问题尤为突出，因为高硫煤会加剧ABS的形成。空气预热器是燃煤电厂的关键设备之一[5]，它通过回收烟气余热来提高锅炉效率。在各种空气预热器结构中，热管式空气预热器因传热效率高、结构简单而在工业锅炉系统中得到广泛应用[6]。热管可将蒸发段的高温烟气热量传递至冷凝段。空气在冷凝段被预热后进入锅炉，从而进一步提高锅炉的运行效率[7]。尽管热管式空气预热器具有较高的热效率，但在SCR技术的影响下，ABS的生成与积灰也导致堵塞问题日益严重。ABS积灰不仅降低了空气预热器的换热效果，还可能导致严重堵塞、增加清灰成本，甚至引发非计划停机[8,9,10]。因此，研究热管式空气预热器中ABS的积灰机理与换热特征具有重要意义。

目前关于ABS积灰的实验研究主要采用两种方法来复现ABS积灰环境[11]。一种是向装置中引入NH3和SO2气体直接合成ABS，另一种是按比例将ABS粉末与飞灰颗粒混合制备实验样品。气相合成法受气体混合效率与反应条件的限制，可能导致生成的ABS浓度出现波动[12,13]。目前该方法在实验研究中较少使用。相比之下，预混法通过精确称量固体粉末，可实现对ABS的定量控制。因此，预混法已成为目前研究ABS积灰特征的主流方法[14]。此外，关于ABS积灰模式的研究主要包括两种途径：一种是积灰探针法，通过温度可控的探针模拟换热面的工作状态，实时观测ABS与飞灰的积灰动态过程；另一种是现场实验法，将换热器插入运行锅炉的真实烟气中，监测换热器上的积灰情况[15]。

在积灰探针法方面，Zhou等[16]建立了积灰探针实验平台并结合在线图像监控技术，证实了低温环境会导致飞灰与ABS混合物的积灰层增厚，从而降低换热效率。同时，研究人员还通过微观表征进一步阐明了积灰分布形貌对传热效率的影响规律。Zhang等[17,18]利用积灰探针探究了烟气温度和混合比对ABS积灰行为的影响，发现低温和高混合比条件下，积灰层增厚现象受到协同促进。此外，ABS含量的增加会增强积灰层的结构致密性。Ni等[19]研究了加热温度对积灰现象的影响，发现延长加热时间可有效改善积灰的表面形貌。尤其是当加热温度达到365°C以上时，可降低ABS的黏附强度并促进积灰层的剥离。Abd-Elhady等[20]发现飞灰颗粒会在探针迎风侧发生碰撞，导致物质主要在该侧堆积。此外，在烟气流通过程中，探针后方会出现绕流现象。

在现场实验法方面，Liu等[21]对引风机内部的积灰情况进行了观察研究，结论表明湍流效应加剧了颗粒的积灰，进一步促进了致密层的生成。Chen等[22]研究了SCR改造后的机组，发现空气预热器的热端主要受机械磨损影响，而中温段则表现出ABS粘附与材料腐蚀的协同效应。冷端区域由于材料表面性质的差异，导致积灰。Xiao等[23]分析了微观机理并指出，致密积灰层的形成是由于ABS与飞灰之间的物理吸附以及硫酸盐的化学相互作用，共同形成了复合胶凝体。界面间的结合力增强了积灰结构的稳定性。Cai等[24]调整了锅炉的运行参数，发现飞灰中硫酸盐比例的增加会增强ABS的液相吸附能力，从而加剧积灰。

综上所述，现有研究主要通过积灰探针法和现场实验法来研究积灰。积灰探针法主要关注空气预热器内的局部积灰特征，如积灰形貌；而现场实验法则侧重于积灰对换热器总压降和传热性能的整体影响。因此，现有研究尚未充分建立局部积灰形貌、晶相变化与空气预热器整体压降和传热性能之间的关系。为此，本文设计了一台缩尺热管式空气预热器，并搭建了ABS积灰可视化实验装置。基于该平台，深入研究了ABS积灰的局部特征与整体性能。此外，还研究了影响ABS积灰的关键参数，以评估其对积灰的具体影响。

2. 实验系统与流程

2.1 实验系统
图1展示了热管式空气预热器内积灰实验系统的示意图和照片。该系统由烟气加热装置（型号：Purui-Prah2，中国）、螺旋给料机（型号：Xingchanglong-5GU，中国）、热管式空气预热器、飞灰回收装置、鼓风机和数据采集器组成。其中，烟气加热装置提供热风，携带由螺旋给料机提供的混合物料形成合成烟气，然后进入空气预热器的蒸发段以完成积灰与传热过程。冷却空气由鼓风机吹入冷凝段。运行过程中，通过热电偶、涡街流量计、差压变送器和图像采集系统实时监测流量、温度和积灰形貌。

图2(a)展示了本文中的缩尺热管式空气预热器。在该系统中，空气预热器被视为一种气-气换热器，以热管为中间介质进行传热。冷却空气与烟气的流向相反：冷却空气流经空气预热器的上部，烟气则流经下部。这两个流股分别对应热管的冷凝段和蒸发段，两区域之间由绝热段隔开。热管总长度设计为530 mm，其中绝热段长30 mm。由于积灰的存在，烟气侧的传热热阻会增加。因此，为减小积灰对烟气侧传热的影响，增大了蒸发段的表面积。据此，蒸发段和冷凝段的长度分别设为300 mm和200 mm，比例为3:2，参照文献[25]。空气预热器前端装有耐高温玻璃观察窗，便于观察热管蒸发段的积灰模式。热管由钢材制成，以水作为传热介质。冷凝段采用翅片管以提高传热性能，蒸发段采用光滑管以防止堵塞。图2(b)展示了热管束的配置，包括六排各九根热管，呈交错排列。各排沿烟气流动方向编号为#1至#6。此外，每排热管蒸发段和冷凝段的壁温通过18个T型热电偶进行监测。另有四个T型热电偶用于测量烟气和冷却空气的进出口温度。热电偶的安装位置在图2中用红点标示。

2.2 实验样品
本研究的实验样品由飞灰和ABS混合物组成，如图3所示。飞灰采集自工业锅炉尾部除尘器的尾部，其成分如表1所示。使用无量纲参数ε来定义混合物中的ABS-灰比例。

本实验中，选取 ε 值为 1/30、1/60、1/90 和 1/120 的混合物作为参考参数。此范围位于锅炉实际运行中 ε 的操作范围内 [26]。

图 3. 实验样品照片。
表 1. 飞灰成分 (%)。
成分 比例 (%)
SiO2 53.15
Al2O3 26.91
Fe2O3 7.23
CaO 4.52
K2O 2.89
Others 5.30

使用激光粒度分析仪对 ABS 和飞灰的混合物进行粒度分析。从图 4(a) 所示的粒度分布图可以看出，大约 70% 的颗粒分布在 3.0 到 29.0 μm 范围内，平均粒径为 28.0 μm，表明样品混合物具有较好的均匀性。图 4(b) 显示了混合物的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。可以观察到，ABS 颗粒（不规则小颗粒）和飞灰颗粒（光滑球形颗粒）由于吸附作用而聚集在一起，导致整体粒径增加。

图 4. 实验样品的微观表征。

2.3. 数据处理
选取每排受热管的中心位置进行图像分析，以考察 ABS 积灰的形貌变化，并基于捕获的图像数据计算积灰厚度。图 5 说明了用于确定积灰厚度的图像处理方法。管径标记为 d [25 mm，图 2(b)]，对应的像素数为 Pd。积灰最大厚度标记为 δmax，对应的像素数为 Pδ。因此，基于相似原理，积灰最大厚度可按公式 (1) 计算。积灰平均厚度标记为 δm，可通过将图像中灰层面积除以灰层沿管长度得到。

(1) δmax/d = Pδ/Pd

图 5. 积灰厚度数据处理示意图。

k 是空气预热器的传热系数，是评估其传热效率的关键参数。它使用传热公式计算，如公式 (2) 所示。

(2) k = Φ / (A · ΔTm) [W·m?2·°C?1]

这里，A 代表空气预热器的换热面积，为 0.495 m2；ΔTm 指对数平均温差。此外，Φ 代表预热器蒸发段和冷凝段的平均传热速率。这些参数可以使用公式 (3) 提供的方程确定。

(3)
Φ = (Φg + Φa) / 2 [W]
ΔTm = (ΔTmax - ΔTmin) / ln(ΔTmax/ΔTmin) [°C]
Φg = cg · ρg · Vg · (Tg,i - Tg,o) [W]
Φa = ca · ρa · Va · (Ta,o - Ta,i) [W]

其中 Φg 是烟气的传热速率，Φa 是冷却空气的传热速率。cg 表示烟气的比热，固定值为 1071 J·kg?1·°C?1；ca 表示冷却空气的比热，固定值为 1005 J·kg?1·°C?1。ρg 表示烟气的密度，值为 0.931 kg m?3；ρa 表示冷却空气的密度，值为 1.205 kg m?3。Vg 表示烟气的体积流量；Va 表示冷却空气的体积流量。Tg,i 和 Ta,i 分别代表烟气和冷却空气的入口温度；Tg,o 和 Ta,o 分别指烟气和冷却空气的出口温度。

2.4. 不确定度评估
实验中测量的物理量涉及温度、压降、流量、传热系数和积灰厚度。其中，温度、压降和流量是实验中直接测量的物理量。温度不确定度来源于 T 型热电偶 (±0.1 °C) 和数据采集系统 (±0.1 °C)。使用方和根法，合成温度不确定度约为 0.47 °C。压力测量的不确定度归因于差压变送器，为 0.12 Pa。涡街流量计引入的流量测量不确定度为 0.5%。

通过测量光滑管上特征点的厚度，间接测量积灰厚度。根据正态分布假设，使用公式 (4) 计算源自这些特征点的积灰厚度偶然误差 [27]，结果为 1.67 × 10?? mm。

(4) ur = tN-1,95% · √[Σ(xi - x?)2 / (N·(N-1))]

其中 tN-1,95% 代表对应于 95% 置信区间的覆盖因子，x? 表示积灰最大厚度，N 指样本数量。

此外，空气预热器的传热系数也是一个间接确定的变量。因此，使用公式 (5) 给出的不确定度传播关系评估间接测量不确定度 uy [27]。

(5) uy = √[Σ(?y/?xj · ux,j)2] = √[(?y/?x1 · ux,1)2 + (?y/?x2 · ux,2)2 + ? + (?y/?xj · ux,j)2]

其中 y 代表间接测量量，xj 表示直接测量量，ux,j 指 xj 直接测量值的测量不确定度。

相应地，将公式 (2) 代入公式 (5)，得出空气预热器传热系数的不确定度为 3.19%。

3. 结果与讨论
本文通过与无 ABS 和有 ABS 情况进行比较，分析了本论文的参考运行条件 (v = 8 m/s, Tg,i = 220 °C, ε = 1/60)，以研究积灰特性，包括积灰的宏观和微观形貌、矿物相、灰厚分布、压降和传热系数。同时，研究了烟气温度 (190-280 °C) 和 ABS-灰比值 (1/120-1/30) 的影响。

3.1. 积灰和传热特性
3.1.1. 积灰形貌与成分分析
本文以太原锅炉集团有限公司生产的工业锅炉运行参数，即 v = 8 m/s, Tg,i = 220 °C 和 ε = 1/60，作为实验条件。选择第 2 排受热管 (图 2) 作为研究对象。图 6 (a) 和 (b) 说明了有无 ABS 情况下积灰形貌和厚度随时间的变化。如图 6 (a) 所示，在无 ABS 条件下，在 τ = 180 min 时，受热管表面的积灰厚度非常薄。图 6 (b) 中的定量分析表明，积灰最大厚度小于 1 mm，且没有随时间增加的趋势。这意味着当没有 ABS 时，仅依靠范德华力等弱相互作用力，飞灰颗粒无法在垂直光滑管表面形成连续且稳定的积灰层。相比之下，在有 ABS 的条件下，如图 6 (a) 所示，随着时间推移，管子迎风侧逐渐形成了垂直钟形的致密积灰层。图 6 (b) 中的定量分析表明，积灰过程可分为两个明显阶段：快速积灰阶段 (τ ≤ 150 min) 和稳定阶段 (τ > 150 min)。在 τ = 180 min 时，积灰现象已达到稳定阶段。因此，本文选择该时刻作为后续参数分析的时间点。如图 6 (b) 所示，可以观察到积灰最大厚度随时间逐渐增加。积灰平均厚度也表现出与积灰最大厚度相同的增长趋势。由于积灰最大厚度现象更为明显，在后续研究中，我们使用积灰最大厚度作为评估标准。在快速积灰阶段，ABS 的强吸附作用增强了管表面与飞灰颗粒之间的粘附能力，其高温烟气中的熔融行为形成粘性液膜，进一步促进颗粒桥接，导致积灰厚度迅速上升。进入稳定阶段后，随着积灰厚度增加，飞灰颗粒向管壁迁移的阻力增加，积累率逐渐降低并稳定，最终形成厚度为 δmax = 26.2 mm 的稳定致密钟形积灰层。

图 6. 随时间变化的有无 ABS 积灰特性 (第 2 排，Tg,i = 220 °C, v = 8 m/s, ε = 1/60)。

图 7 展示了 τ = 180 min 时无 ABS 和有 ABS 情况下积灰层的扫描电子显微镜微观表征。它显示，在无 ABS 条件下，积灰层中的飞灰颗粒形貌均为规则球形，表面光滑且间隙较大。飞灰颗粒之间没有粘合痕迹，它们是通过范德华力等弱相互作用松散堆积在一起的。相比之下，有 ABS 条件下积灰层颗粒的微观表征发生了显著变化。飞灰颗粒的表面粗糙度增加，且大量小颗粒粘附并聚集。这是因为飞灰颗粒中的 ABS 被烟气加热并熔化成液态。当携带飞灰颗粒的烟气流经受热管时，ABS 液滴形成高粘度液膜，包裹在颗粒表面。液膜通过物理渗透增加了飞灰颗粒之间的接触面积，并促进颗粒间的桥接，最终形成致密的团聚结构。

图 7. 有无 ABS 积灰层的扫描电子显微镜微观表征。

为了阐明 ABS 的粘附机制，本研究在沉积物的扫描电子显微镜图像 [图 7(b)] 中选择了三个特征区域进行能谱 (EDS) 分析。A 点区域代表大颗粒表面，B 点区域是颗粒之间的连接位置，C 点区域是附着在大颗粒表面的小颗粒。三个点的 EDS 元素分析数据如图表 2 所示。分析表明，A 点区域的元素组成与原始飞灰颗粒基本相同，表明该区域是飞灰成分。B 点的硫含量明显高于原始飞灰颗粒，证实 ABS 在颗粒连接点起粘合剂作用，从而显著增强了飞灰的粘附特性。C 点的硫含量也大于原始飞灰颗粒，表明 ABS 积聚在大颗粒表面并形成细小颗粒，进一步增加了飞灰颗粒的结合特性。

表 2. 图 7(b) 中三个点的 EDS 结果。
元素 A (%) B (%) C (%)
C 5.79 13.41 8.55
O 52 52.09 55.60
Na 0.98 0.48 0.69
S / 5.44 1.8
Al 14.93 8.93 14.16
Si 22.08 15.73 16.10
K 1.64 1.11 0.99
Ca 1.54 1.46 1.02
Fe 1.04 1.35 1.09

图 8 展示了有无 ABS 情况下积灰层的 X 射线衍射 (XRD) 图谱，相应的矿物成分如图表 3 所示。无 ABS 时，矿物成分为 SiO2 和 Al6Si2O13，这与原始飞灰的矿物成分高度一致。这表明在积累过程中没有发生显著的矿物相变，沉积物主要来源于飞灰颗粒的物理积累。然而，引入 ABS 后，积灰层的 XRD 图谱不仅保留了飞灰固有的矿物特征峰，还显示了 NH4HSO4、Ca(SO4)(H2O)2、CaSO4、Na2SO4、(NH4)Al(SO4)2(H2O)12 和 NH4Fe(SO4)2(H2O)12 等次生相的典型衍射峰。CaSO4 和 Na2SO4 等硫酸盐的形成源于 ABS 与飞灰中 CaO 和 Na2O 等碱性成分的酸碱中和反应。此外，(NH4)Al(SO4)2(H2O)12 和 NH4Fe(SO4)2(H2O)12 等化合物的出现表明 ABS 与飞灰中的 Al2O3 和 Fe2O3 等成分发生了化学反应，形成了水合硫酸盐结构。这些新相的形成表明 ABS 在高温条件下与飞灰中的活性成分发生了复杂的化学反应。这些反应不仅改变了积灰的化学成分，还可能通过水合相的存在 [如 (NH4)Al(SO4)2(H2O)12、Ca(SO4)(H2O)2、(NH4)Fe(SO4)2(H2O)12] 影响灰结构的紧密度。

图 8. 有无 ABS 积灰层的 XRD 图谱。

表 3. 有无 ABS 沉积物的 XRD 矿物相组成。
实验条件 矿物成分
Without ABS a-SiO2, b-Al6Si2O13
With ABS a-SiO2, b-Al6Si2O13, c-NH4HSO4, d-Ca(SO4)(H2O)2, CaSO4, e-Na2SO4, (NH4)Al(SO4)2(H2O)12, NH4Fe(SO4)2(H2O)12

3.1.2. 积灰分布
图 9 描绘了不同时间下积灰厚度随排管数量的变化。

结果表明，在无 ABS 条件下，受热管每一排上的积灰厚度均保持在极低水平，且沿管排方向没有明显的分布规律。在有 ABS 条件下，在固定时间点，积灰厚度随着管排数的增加 initially 先上升，在第 2 排达到峰值，这是由于回流涡的作用，随后逐渐下降，在第 5 排出现反弹，并在第 6 排继续下降。参考图 10 所示的空气预热器中烟气流场特征，可以对该现象进行定性分析，图 10 提供了烟气流过空气预热器的流动示意图。烟气进入空气预热器时，飞灰颗粒开始在受热管表面沉积。在第 2 排附近区域，由于受热管的跨排布置形成了涡流，携带 ABS 液滴和飞灰颗粒的烟气在涡流区域聚集并碰撞。结合 ABS 的熔融效应，颗粒的粘附效率显著增加，导致该排积灰厚度最厚。随后，随着烟气中 ABS 和飞灰含量的降低，导致第 3 排和第 4 排的积灰厚度开始减小。在第 5 排，由于靠近空气预热器出口，飞灰颗粒在空气预热器壁上反弹并形成局部涡流，促进部分颗粒的二次沉积，从而导致积灰厚度短暂上升。而在第 6 排，ABS 浓度的降低导致积灰能力不足，积灰厚度随之减小。

图 9. 不同时间下积灰厚度随管排数的变化 (Tg,i = 220 °C, v = 8 m/s, ε = 1/60)。

图 10. 烟气流经受热管空气预热器的流动示意图 (Tg,i = 220 °C, v = 8 m/s, ε = 1/60)。

图 11 展示了有无 ABS 条件下管壁温度随管排数的变化。以 τ = 180 min 为例，有无 ABS 条件下的温度分布均显示出随管排数增加先升高后降低的趋势。这也可归因于管束的跨排布置。烟气经过第 1 排后，在第 2 排形成回流涡，增强了局部传热效果，导致第 2 排的管壁温度达到峰值。随后，烟气逐渐流向后续管排，在与受热管进行热交换后，温度逐渐降低，导致从第 2 排到第 6 排管壁温度呈下降趋势。此外，有 ABS 条件下蒸发段与冷凝段之间的温差大于无 ABS 条件。这是由于有 ABS 条件下积灰厚度较大，空气预热器的整体换热性能低于无 ABS 条件，导致管壁界面及烟气的热阻显著增加。

图 11. 有无 ABS 条件下管壁温度随管排数的变化 (Tg,i = 220 °C, τ = 180 min, v = 8 m/s, ε = 1/60)。

3.1.3. 压损与传热
图 12(a) 展示了有无 ABS 条件下空气预热器压损随时间的变化。可以看出，随着试验时间的推移，由于空气预热器中积灰逐渐增加，烟气的有效流通面积减小，导致空气预热器进出口的压损逐渐增大。与初始时刻相比，在 τ = 180 min 时，有 ABS 条件下的压损增加了 11.7%，大于无 ABS 条件下的增加幅度（8.3%）。这是因为加入 ABS 显著增加了飞灰颗粒的附着力，导致光管上积灰厚度大幅上升（图 6）。

图 12(b) 展示了有无 ABS 条件下空气预热器传热系数随时间的变化。随着时间推移，两个样品的传热系数均下降了一定程度。其中有 ABS 样品的下降幅度大于无 ABS 样品，分别为 11.5% 和 3.4%。这主要是由于在有 ABS 条件下，逐渐增厚的积灰增加了受热管表面的接触热阻，从而抑制了传热效率。而在无 ABS 样品中，飞灰颗粒间的表面粘附力相对较弱，使得积灰厚度难以持续增加。最终形成疏松的薄层结构，对热阻的影响有限。

图 12. 不同样品对流动和传热特性的影响 (Tg,i = 220 °C, v = 8 m/s, ε = 1/60)。

3.2. 烟气温度的影响
3.2.1. 积灰形貌与成分分析
图 13 展示了烟气温度对积灰厚度的影响，以 τ = 180 min 为例。发现随着烟气温度的升高，积灰厚度呈现先上升后下降的趋势。结合 ABS 的物理性质（熔点为 147 °C [26]）可以对此进行解释。当烟气温度为 Tg,i = 190 °C 时，ABS 的熔融程度相对较低，表面附着力弱，导致飞灰吸附效率有限。测得的积灰最大厚度为 16.9 mm。当烟气温度升高至 Tg,i = 220 °C 时，ABS 达到更充分的熔融状态，形成连续的液膜并有效捕获飞灰颗粒。因此，积灰厚度增加至 26.2 mm，比 Tg,i = 190 °C 时高出约 55%。然而，当温度继续升高至 Tg,i = 250 °C 和 Tg,i = 280 °C 时，积灰厚度分别降至 22.6 mm 和 19.2 mm。这是由于高烟气温度促进了 ABS 的挥发和分解，缩短了液相 ABS 的停留时间，从而抑制了积灰行为。

图 13. 烟气温度对积灰厚度的影响 (第 2 排，ε = 1/60, τ = 180 min, v = 8 m/s)。

图 14 展示了不同烟气温度下积灰层的扫描电镜（SEM）微观表征。在 Tg,i = 190 °C 条件下，SEM 图像显示积灰层由分散的近球形颗粒组成，表面光滑，边界清晰，且孔隙率较高。这种疏松结构表明 ABS 未完全熔融，导致飞灰颗粒间粘附力弱，证实了上述推测（图 14）。当烟气温度升至 220 °C 时，SEM 图像表明飞灰颗粒表面出现熔融迹象，表面粗糙度增加，颗粒间隙减小，并通过粘附形成致密堆积。这意味着 ABS 已完全熔融，表面粘附特性增强，飞灰颗粒紧密结合，导致宏观积灰厚度高达 26.2 mm（图 13）。然而，当温度进一步增至 250 °C 和 280 °C 时，SEM 微图显示飞灰颗粒的团聚程度降低，积灰层呈现分散趋势，且表面可见由热分解引起的微裂纹。这表明 ABS 开始发生热分解，部分挥发产物的逃逸削弱了积灰层结构的稳定性，导致积灰厚度较 Tg,i = 220 °C 条件下减小。

图 14. 不同烟气温度下积灰层的扫描电镜微观表征。

图 15 展示了不同烟气温度下积灰层的 XRD 图谱，相关物相数据见表 4。原始飞灰由 SiO? 和 Al?Si?O?? 组成，加入 ABS 后，积灰层的物相中出现了 ABS 的物相。在 Tg,i = 190 °C 条件下，除初始物相外，还检测到少量新生成的硫酸盐化合物，如 CaSO?、Ca(SO?)(H?O)? 和 (NH?)Al(SO?)?(H?O)??。这意味着 ABS 已开始熔融，但其与飞灰成分的化学反应有限。相比之下，在 Tg,i = 220 °C 条件下，由于 ABS 熔融更完全，XRD 图谱显示物相种类增加，包括 Na?SO?、NH?Fe(SO?)?(H?O)?? 等。这表明液相 ABS 通过化学键与飞灰颗粒结合，形成复杂的多相积灰层。该微观机制与宏观积灰厚度峰值 26.2 mm（图 13）一致，确认了在 Tg,i = 220 °C 下积灰最为严重。进一步地，当烟气温度升至 250 °C 和 280 °C 时，XRD 图谱中出现了一些新的物相，如 (NH?)?SO? 和 (NH?)Cr(SO?)?(H?O)?? 等，然而积灰厚度分别降至 22.6 mm 和 19.2 mm（图 13）。这可能是由于高温对积灰行为的双重影响所致：一方面，ABS 的挥发性和化学活性增强，促进了与飞灰成分中 CaO、Fe?O? 等的反应，导致物相多样性；另一方面，ABS 的挥发和热分解缩短了液相 ABS 的停留时间，减少了积灰量。值得注意的是，即使在高温条件下，XRD 图谱中仍包含 ABS 物相，表明 ABS 的挥发和分解是一个渐进过程，部分未反应或未分解的 ABS 仍以物相形式残留在积灰层中。总体而言，通过 XRD 可以观察到不同温度下物相的变化。这些物相变化反映了 ABS 的状态变化。随着烟气温度升高，ABS 逐渐转变为熔融状态并与飞灰反应，从而形成致密的积灰层。当烟气温度进一步升高时，ABS 开始挥发，其与飞灰颗粒的结合能力恶化，导致积灰层变得疏松。当积灰层变得更致密时，表明 ABS 与飞灰颗粒的结合能力更强。因此，积灰厚度也会增加，进而导致空气预热器压损增加。

图 15. 不同烟气温度下积灰层的 XRD 图谱。

表 4. 不同温度下含 ABS 沉积物的 XRD 物相组成。

| 实验条件 | 矿物组成 |
| :--- | :--- |
| 原始飞灰 | a-SiO?, b-Al?Si?O?? |
| Tg,i = 190 °C | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-(NH?)Al(SO?)?(H?O)?? |
| Tg,i = 220 °C | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-Na?SO?, (NH?)Al(SO?)?(H?O)??, NH?Fe(SO?)?(H?O)?? |
| Tg,i = 250 °C | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-Na?SO?, (NH?)Al(SO?)?(H?O)??, NH?Fe(SO?)?(H?O)??, (NH?)?SO? |
| Tg,i = 280 °C | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-Na?SO?, (NH?)Al(SO?)?(H?O)??, NH?Fe(SO?)?(H?O)??, (NH?)?SO?, NH?Cr(SO?)?(H?O)?? |

3.2.2. 积灰分布
图 16(a) 展示了不同烟气温度下积灰厚度随管排数的变化（τ = 180 min）。实验结果表明，随着烟气温度升高，每一排管上的积灰厚度显著增加，其中第 2 排管的增加最为明显，第 6 排管的增加最小。此外，烟气温度的变化对积灰厚度沿管排数的变化趋势没有影响。

图 16.

烟气温度不同时，灰层厚度与管壁温度随管排数的变化情况（ε = 1/60，τ = 180 min，v = 8 m/s）。图16(b)展示了管壁温度随管排数的变化规律。可以看出，随着烟气温度的升高，每一排管的蒸发段和冷凝段的温度均有所上升。同时，越靠近后排，温度的上升幅度越弱，这是因为换热器采用了冷却空气与烟气逆流的设计，且在所有工况下冷凝段的冷却空气温度保持不变。

3.2.3 压力损失与传热

图17(a)展示了烟气温度对空气预热器蒸发段进出口压力损失的影响。实验开始和结束时压力损失的增幅是关注的重点，其呈现随烟气温度升高先增大后减小的趋势。具体而言，当烟气温度从190 °C升至220 °C时，压力损失的增幅从5.5%升至11.7%；随后当温度继续升高至250 °C时，增幅降至8.8%，在280 °C时进一步降至7.0%。这一变化趋势与空气预热器中的积灰行为密切相关。在220 °C时，ABS的积灰最为严重，导致流通截面减小、烟气流动阻力显著增加，压力损失的增幅达到最大值；当烟气温度进一步升高至250 °C和280 °C时，灰层厚度逐渐减小，通道阻力相应降低，压力损失也随之下降。

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图17 烟气温度对流动和传热特性的影响（v = 8 m/s，ε = 1/60）。

图17(b)揭示了烟气温度对空气预热器传热系数的影响。在某一给定时刻，传热系数按190 °C、280 °C、250 °C和220 °C的顺序递减。此外，从实验开始到结束，传热系数的下降幅度也依次按190 °C、280 °C、250 °C和220 °C的顺序递增。这与图13中关于灰层厚度随烟气温度变化的规律相一致。因为灰层厚度的增加导致传热阻力增大，从而使传热系数降低。随着实验的进行，灰层越厚，传热系数的下降幅度越大。

综上所述，在实际工业应用中，应避免烟气温度接近220 °C附近。在此温度下，积灰最为严重，压力损失最大，换热性能最差。

3.3 ABS-灰比例的影响

3.3.1 积灰形态与成分分析

图18展示了ABS-灰比例（ε）对灰层厚度的影响，以τ = 180 min为例。可以看出，随着ABS-灰比例的升高，管壁上的灰层逐渐增厚。在当前ABS-灰比例范围内（ε = 1/120 ~ 1/30），灰层厚度从14.1 mm增加至44.7 mm，增幅达217%，表明灰层厚度与ABS-灰比例之间存在显著的正相关性。这一现象与ABS在高温烟气环境中的特性密切相关。如3.2.1节所述，在220 °C的烟气实验设定温度下，ABS可完全熔融，其黏性特征使其能够形成连续液膜，有效吸附飞灰颗粒。随着ABS-灰比例的增加，飞灰中ABS的比例上升，意味着更多的ABS颗粒参与飞灰颗粒的沉积过程。这些液态ABS能更强烈地吸附飞灰颗粒，从而促进其沉积在管壁表面，形成更厚的灰层。

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图18 ABS-灰比例对灰层厚度的影响（第2排，τ = 180 min，v = 8 m/s，Tg,i = 220 °C）。

图19展示了不同ABS-灰比例下积灰层的SEM微观形貌表征。可以观察到，随着ABS-灰比例的升高，积灰层的形貌和颗粒间相互作用发生了显著变化。当ε = 1/120时，积灰层由一些稀疏、分离的球形颗粒组成，颗粒表面光滑，边界清晰，颗粒间隙较大，因此整体结构相对松散。这表明在较低的ABS-灰比例下，ABS含量不足，飞灰颗粒间的附着力较弱，形成的灰层相对较薄。当ABS-灰比例增加到1/90时，飞灰颗粒间的间隙减小，开始出现堆积趋势。虽然飞灰颗粒表面仍保持光滑，但边缘变得不规则，表明ABS的粘合作用增强，促进了飞灰颗粒的聚集。当ABS-灰比例进一步增至1/60时，颗粒间隙进一步减小，表面粗糙度增加，飞灰颗粒通过粘附形成紧密连接。最后，在ε = 1/30时，积灰层呈现高度聚集的结构，飞灰颗粒紧密堆积，几乎无间隙，部分飞灰颗粒边界变得模糊。这表明在高ABS-灰比例下，ABS作为粘结剂的作用增强，显著提高了飞灰颗粒的附着力，形成了更加致密的积灰层结构。

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图19 不同ABS-灰比例下积灰层的SEM微观表征。

图20展示了不同ABS-灰比例下积灰层的XRD图谱，相关矿物相数据见表5。结果表明，在不同ABS-灰比例下，积灰层的矿物相组成没有变化。在所有工况中，均检测到SiO?、Al?Si?O??、NH?HSO?、Ca(SO?)(H?O)?、CaSO?、Na?SO?、(NH?)Al(SO?)?(H?O)??和NH?Fe(SO?)?(H?O)??等主要组分，表明ABS-灰比例的变化并未引入新的化学反应路径或产生其他矿物相。从矿物相组成来看，SiO?和Al?Si?O??的持续存在反映了飞灰中硅铝氧化物的稳定性，作为主要惰性组分，它们未与ABS发生反应。值得注意的是，虽然ABS-灰比例从1/120增加到1/30，ABS的比例显著增加，但在XRD图谱中未检测到NH?HSO?的分解产物[如(NH?)?SO?]，表明在220 °C的实验温度下，飞灰与ABS之间的相互作用主要与熔融过程相关，而非热分解过程。这一现象进一步验证了ABS-灰比例的变主要影响积灰的物理过程，而对ABS与飞灰成分的反应路径影响有限。

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图20 不同ABS-灰比例下积灰层的XRD图谱。

表5 含ABS的不同ABS-灰比例下沉积物的XRD矿物相组成。

| 实验条件 | 矿物组成 |
|---------|---------|
| 原始飞灰 | a-SiO?, b-Al?Si?O?? |
| ε = 1/120 | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-Na?SO?, (NH?)Al(SO?)?(H?O)??, NH?Fe(SO?)?(H?O)?? |
| ε = 1/90 | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-Na?SO?, (NH?)Al(SO?)?(H?O)??, NH?Fe(SO?)?(H?O)?? |
| ε = 1/60 | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-Na?SO?, (NH?)Al(SO?)?(H?O)??, NH?Fe(SO?)?(H?O)?? |
| ε = 1/30 | a-SiO?, b-Al?Si?O??, c-NH?HSO?, d-Ca(SO?)(H?O)?, CaSO?, e-Na?SO?, (NH?)Al(SO?)?(H?O)??, NH?Fe(SO?)?(H?O)?? |

3.3.2 积灰分布

图21揭示了不同ABS-灰比例下，灰层厚度与管壁温度随管排数的变化情况。从图21(a)可以看出，随着ABS-灰比例的升高，每一排热管的灰层厚度呈上升趋势。此外，ABS-灰比例对第2排热管积灰的影响更为显著。从图21(b)可以观察到，ABS-灰比例的增加对蒸发段和冷凝段的管壁温度均无明显影响。这是因为积灰仅发生在管的特定区域，对热管的整体壁温没有显著影响。

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图21 不同ABS-灰比例下，灰层厚度与管壁温度随管排数的变化情况（τ = 180 min，v = 8 m/s，Tg,i = 220 °C）。

3.3.3 压力损失与传热

图22(a)和(b)分别展示了ABS-灰比例对空气预热器压力损失和传热系数的影响。如图22(a)所示，ABS-灰比例越大，蒸发段的压力损失随时间的增加越快。当ABS-灰比例从1/120增加到1/30时，τ = 180 min相对于τ = 0 min时压力损失的增幅从4.3%急剧上升至22.0%。这一变化主要归因于积灰速率的加快。随着ABS-灰比例的升高，烟气中ABS的含量增加，促进了积灰层的快速形成，减小了有效流通截面，从而增大了流动阻力。图22(b)显示，在固定时间点，空气预热器的传热系数随ABS-灰比例的升高而降低。这一现象可能是由于ABS-灰比例的增加导致热管表面灰层厚度增大，进而使灰层的传热阻力增加，从而削弱了传热性能并降低了传热系数。具体而言，当ABS-灰比例从1/120升至1/30时，传热系数的降幅范围为4.8%至21.1%。

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图22 ABS-灰比例对流动和传热特性的影响（v = 8 m/s，Tg,i = 220 °C）。

综上所述，在实际应用中，可以采取降低SCR脱硝后的NH?排放和降低烟气中SO?浓度等措施，以减少空气预热器中ABS的含量。因为ABS-灰比例的增加会显著增加积灰厚度，导致空气预热器压力损失增大和换热性能下降。

4 结论

本文构建了一套热管式空气预热器积灰实验系统，并研究了ABS的积灰特性。基于实验结果，主要结论总结如下：

1. 对于无ABS的条件，竖直光滑管表面未形成稳定的积灰层。相比之下，在有ABS的条件下，飞灰颗粒随时间迅速沉积在管壁上，形成致密的钟形积灰层。随着管排数的增加，灰层厚度先升高后降低。在第2排处，由于回流涡流的影响达到峰值，在τ = 150 min时，最大厚度为26.2 mm。

2. SEM、EDS和XRD分析表明，液态ABS在飞灰颗粒连接处起到粘结剂的作用，从而形成致密的团聚积灰层。ABS的酸性分解产物与飞灰中的碱性氧化物和金属离子结合形成硫酸盐化合物，这不仅改变了积灰层的化学组成，还促进了积灰层的致密性。

与无ABS工况相比，有ABS工况下较大的灰积厚度导致蒸发段与冷凝段之间的温差增大，同时也放大了试验结束时相对于开始时压降的增加幅度和传热系数的下降幅度。3. 参数分析表明，随着烟气温度的升高，灰积厚度也随之增加，当ABS达到更完全熔融状态时，在Tg,i = 220°C时达到最大值。然而，温度的进一步升高会导致ABS的挥发和热分解，从而减少灰积。4. 随着ABS-灰分比从1/120增加到1/30，灰积厚度显著增加了217%。同时，灰积层中的颗粒间隙进一步减小，表面粗糙度增加，导致堆积结构更加致密。然而，ABS-灰分比的变化不会引入新的化学反应路径或产生其他矿物相。基于本研究中上述得出的结论，在实际工程中，应使烟气温度避开220°C左右，并应降低ABS-灰分比。此外，可以优化空气预热器的结构。例如，可以增大换热管之间的间距，以减少回流涡流效应，从而最大限度地减少由该因素引起的积灰问题。此外，应定期对空气预热器进行吹灰，以减少空气预热器内部的积灰。最后，实际临界温度可能会根据飞灰成分、ABS浓度、烟气流速和空气预热器配置的不同而有所变化。CRediT作者贡献声明Zetian Guo：撰写——初稿。Yang Guo：撰写——审阅与编辑。Xiaojun Tian：撰写——审阅与编辑。Linwei Wen：撰写——审阅与编辑。Xiaomin Pang：撰写——审阅与编辑。Jiajie Zhang：撰写——审阅与编辑。Yong Li：撰写——审阅与编辑。Suxia Ma：撰写——审阅与编辑。Zhiguo Qu：撰写——审阅与编辑。Zetian Guo|Yang Guo|Xiaojun Tian|Linwei Wen|Xiaomin Pang|Jiajie Zhang|Yong Li|Suxia Ma|Zhiguo Qu