燃煤电厂为减少NO_x的排放，通常采用选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）技术对燃烧后烟气进行脱硝处理. 处理时会在烟气中注入氨气（NH₃），绝大部分NH₃会与NO_x反应，还原成N₂，但由于工艺的原因，会有一部分未反应的NH₃进入下游系统，这个过程称为氨逃逸. 逃逸的NH₃会与烟气中其他成分反应，生成沉积物.

目前，相关的研究主要集中在NH₃与SO₃的反应上，此反应会生成具有黏性的NH₄HSO₄，黏附在锅炉尾部受热面上，吸附飞灰，形成沉积物造成受热面堵塞和腐蚀. 研究者们在NH₄HSO₄的形成机理^[1-3]，对受热面腐蚀、沉积的影响^[4-6]，反应条件对NH₄HSO₄积灰的影响^[5]以及NH₄HSO₄的脱除^[7]等方面做了大量的研究，取得了丰硕的成果.

煤燃烧释放的氯主要以HCl气体的形式存在^[8-9]，其质量浓度约为50 mg/m^3[10]. HCl在一定条件下会与逃逸的NH₃反应生成氯化铵（NH₄Cl），并在适当的温度范围内发生沉积. 当烟气温度低于337.8 ℃时^[11]，NH₃和HCl气体会直接反应生成NH₄Cl固体颗粒^[12]，随着温度的降低，NH₄Cl的生成量逐渐增多^[13]，在75~115 ℃的温度范围内NH₄Cl颗粒会结晶析出^[14]. 同时，研究发现，NH₄Cl在管道沉淀后会产生沉积下腐蚀^[15]，能促进锌在大气中的腐蚀^[16]，生物质锅炉的积灰中发现有NH₄Cl存在^[17].

目前，已经有对NH₄Cl的形成和结晶条件的相应研究，但对电厂烟气中NH₄Cl影响飞灰沉积的研究不足，也少有对脱除烟气中NH₄Cl的研究. 本文通过模拟锅炉烟气中NH₄Cl的氛围，研究NH₄Cl如何影响飞灰聚集引起探针受热面热流密度变化，同时实验将NaOH，Mg(OH)₂，Ca(OH)₂作为脱除剂，研究碱性氢氧化物对烟气中NH₄Cl的脱除效果.

图1为实验系统示意图，主要包括热风机、蠕动泵、空压机、给灰机、竖式炉（内径100 mm，高度1 500 mm）、积灰探针、油循环温度控制系统、数据采集系统、引风机、烟气管路外设置的伴热带等. 热风机、给灰机、竖式炉、引风机和伴热带共同模拟锅炉尾部烟道的烟气条件，引风机用于维持系统负压，蠕动泵配合空压机雾化NH₄Cl溶液，探针用于收集积灰，油循环温度系统用于控制探针表面的温度，数据采集系统记录实验过程中探针表面的温度.

实验选择喷入雾化NH₄Cl溶液的方式而不选择通入NH₃和HCl气体的原因：1）实验侧重研究NH₄Cl颗粒对受热面积灰的影响，喷入NH₄Cl溶液的方式，更符合实际情况；2）用NH₃和HCl反应提供NH₄Cl难以控制烟气中NH₄Cl颗粒的质量浓度.

实验参数如表1所示. 实验烟气温度设定为310 ℃，有利于加快雾化NH₄Cl溶液蒸发，形成NH₄Cl气氛，探针顶部表面温度设定100 ℃，与之相对的探针底部表面温度为90 ℃，这2个温度都在NH₄Cl结晶析出的温度范围内^[14]. 为了缩短实验时间防止实验系统堵塞，同时增强积灰过程，模拟电厂长期运行的积灰情况，有效比较不同脱除剂的脱除效果，实验中的NH₄Cl和飞灰质量浓度要高于电厂烟气中的实际质量浓度. 工况1为对照组，只喷入NH₄Cl（99.5%，AR）溶液，不添加脱除剂，工况2、3、4为实验组，分别添加NaOH（96%，AR），Mg(OH)₂（95%，AR），Ca(OH)₂（95%，AR）做NH₄Cl脱除剂，脱除剂均匀混合在原灰中，模拟在烟气中喷入脱除剂的情况，脱除剂掺入比例根据化学反应式

(1) $ {\rm{N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Cl + NaOH }} \xrightarrow{{{\rm{\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}}}} {\rm{ NaCl + N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}, $

(2) $ {\rm{2N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Cl + Mg}}{\left({{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}} \xrightarrow{{{\rm{\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}}}} {\rm{ MgC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 2N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O,}} $

(3) $ {\rm{2N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Cl + Ca}}{\left({{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}}\xrightarrow{{{\rm{\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}}}} {\rm{ CaC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 2N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}{\rm{.}} $

按NH₄Cl能够完全反应确定. 实验用原灰采集自浙江某电厂，原灰的X 射线荧光（X-ray fluorescence，XRF）分析结果如表2所示，原灰颗粒平均直径为10.86 μm.

实验所用积灰探针为定制品，其结构如图2所示. 探针长700 mm，探针头直径40 mm，积灰区域长度76 mm. 探针头上以圆心为对称中心，顶部和底部各钻有2个小孔，内孔到圆心距离r_i = 15 mm，外孔到圆心距离r_o = 19 mm，孔内插入K型热电偶，记录实验期间探针顶部和底部温度. 热流密度计算式为

(4) $ q{\rm{ = }}\frac{{{\rm{\lambda }}\left({{\theta _{\rm{o}}} - {\theta _{\rm{i}}}} \right)}}{{{{R}}\ln \left({\dfrac{{{{{r}}_{\rm{o}}}}}{{{{{r}}_{\rm{i}}}}}} \right)}}. $

式中：q为探针表面热流密度，λ为探针材料的导热系数，θ_o为外孔热电偶测得的温度，θ_i为内孔热电偶测得的温度，R为积灰探针头半径.

探针表面形成沉积物后，传热热阻会增大，探针表面热流密度将会降低. 各工况热流密度稳定时的热流密度降低率η用于表征脱除剂的脱除效果.

(5) $ \eta {\rm{ = }}\frac{{{q_{_0}}{\rm{ - }}{q_{{\rm{_{st}}}}}}}{{{q_{_0}}}}. $

式中： q₀为探针头的初始热流密度，q_st为热流密度稳定时探针头的热流密度. 与工况1的热流密度降低率做比较，添加脱除剂后，如果该工况的热流密度降低率小于工况1的，说明脱除剂具有较好的脱除效果；反之，脱除剂效果较差.

各工况探针积灰情况如图3所示. 图中，顶部为迎风侧，底部为背风侧. 由图可以看出，各工况顶部的积灰都较为致密，其中工况2的最为粗糙，有明显的大颗粒灰粒，其他工况积灰形貌相似；各工况底部的积灰沿探针头轴线向两侧逐渐增多. 添加了脱除剂后，底部浮灰的沉积量有着不同程度地增加，可能是由于实验所用脱除剂为碱性氢氧化物，对部分灰分碱活化形成硅铝酸盐凝胶，增强了灰分的黏结性^[17]，促使灰分吸附在探针底部，而顶部受烟气冲刷，浮灰不易附着.

根据式（4）计算各工况通过积灰探针的顶部和底部热流密度q；为了减小实验系统误差的影响，更好地比较不同工况下热流密度的变化，使用q/q_Max表示各工况的相对热流密度，其中q_Max为实验最大热流密度；t表示灰沉积的时间，结果如图4所示. 根据式（5）计算各工况稳定后探针的热流密度降低率，结果如图5所示.

由图4、5可知，在顶部，随着时间的增加，探针表面的热流密度逐渐下降. 在图4（a）中，工况4的相对热流密度曲线出现了先上升后下降的情况，这是由于在实验初期，Ca(OH)₂与NH₄Cl反应较快，探针表面没有形成沉积物，探针表面温度上升较快，热流密度呈上升趋势，随着实验的进行，探针顶部开始逐渐形成沉积物，热流密度开始下降. 在其他工况中，脱除剂与NH₄Cl反应较慢，实验开始后探针表面就出现沉积物，热流密度从起点开始下降. 工况1、2、3、4热流密度降低率分别为20.42%、24.53%、8.91%、3.61%，这说明烟气中的NH₄Cl颗粒会与灰分作用产生沉积，引起热流密度降低. 脱除剂脱除效果排序为Ca(OH)₂ > Mg(OH) ₂ >无添加 > NaOH. 在底部，工况2的相对热流密度出现先下降后上升的变化，推测是由于底部没有烟气冲刷，灰分聚集，开始时灰分比较疏松，随着实验进行，探针底部灰分中的NaOH与NH ₄Cl缓慢发生反应，灰层变得密实，使传热条件得到改善，相对热流密度变化逐渐减小. 工况1、2、3、4热流密度降低率分别为10.55%、6.46%、40.17%、18.27%，脱除剂脱除效果排序为NaOH > 无添加 > Ca(OH) ₂ > Mg(OH) ₂.

各工况积灰的X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）结果如图6所示. 图中，a表示NH₄Cl，b表示SiO₂，c表示莫来石（Al₆Si₂O₁₃），d表示NaCl，e表示Mg(OH)₂，衍射角2 $\theta $范围为5°~80°。各工况积灰的主要物质如表3所示. 在工况2的积灰中检测出NaCl，说明在添加NaOH后，NaOH与烟气中的NH₄Cl反应生成了NaCl，并且生成的NaCl容易在探针头顶部沉积，NaCl的存在可能加剧了热流密度的变化，但关于NaCl为什么能加剧热流密度变化的原因尚不清楚，未发现相关的研究. 在工况3的积灰中检测出Mg(OH)₂，这是因为Mg(OH)₂在水中溶解度较低，与NH₄Cl反应有限，所以部分Mg(OH)₂沉积在探针上. 工况4积灰的主要物质与工况1的一致，两者的XRD图也类似，结合图5（a），可以推断Ca(OH)₂和NH₄Cl在烟气中反应，使烟气中的NH₄Cl质量浓度下降，积灰在探针顶部沉积量减少，热流密度变化减小；检测结果中未发现CaCl₂，说明生成的CaCl₂不易在探针顶部沉淀.

各工况顶部主要物质的检测结果也很好地解释了图3中各工况顶部积灰情况的差异，工况1、3、4的主要物质都是NH₄Cl，积灰情况相似，工况2的主要物质是NaCl，表面积灰较为粗糙.

如图7所示为原灰和各工况积灰的扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）结果，放大倍数为1 000. 原灰和各工况下的积灰在形貌上有很大的不同. 原灰中灰颗粒呈圆球状，灰粒之间相互分离，没有明显的黏结. 工况1顶部主要是形状不规则的NH₄Cl晶体颗粒，灰颗粒很少，因此，相比于NH₄HSO₄黏附灰分产生积灰导致热流密度下降^[7]，NH₄Cl黏附灰颗粒的能力较弱，导致热流密度下降的原因应该是在探针头上形成了NH₄Cl沉积层. 工况1底部可见分散的NH₄Cl晶体颗粒和大量分散的灰颗粒，在NH₄Cl颗粒上吸附了一些灰颗粒形成较为松散的灰层. 工况2顶部分布大量不规则的块状NaCl和NH₄Cl，可以看到灰颗粒黏附其中. 工况3、4顶部主要是形状不规则的NH₄Cl晶体颗粒和少量的灰颗粒. 添加了脱除剂后各工况底部呈现出不同程度的灰分聚集情况，表现为工况2 > 工况1 > 工况4 > 工况3，这就解释了探针底部的热流密度变化规律.

本文采用竖式炉系统模拟锅炉尾部烟道，探针收集积灰，将NaOH，Mg(OH)₂，Ca(OH)₂作为脱除剂，研究3种碱性氢氧化物对烟气中NH₄Cl的脱除效果. 研究结果对指导电厂锅炉脱除NH₄Cl、清洁高效运行具有重要意义. 主要结论如下.

（1）NH₄Cl黏附灰颗粒的能力较弱，由NH₄Cl引起的探针顶部热流密度下降的主要原因是从烟气中析出的NH₄Cl在探针顶部形成了一层NH₄CL沉积层，增大了传热热阻. 在探针底部，热流密度下降的主要原因是析出的NH₄Cl颗粒为灰分颗粒提供了着力点，使灰分聚集形成了松散的灰层.

（2）在各种脱除剂中，添加Ca(OH)₂对探针顶部热流密度降低有益，热流密度降低率从20.42%减少到3.61%，添加NaOH对探针底部热流密度降低有益，降低率从10.55%减少到6.46%，添加Mg(OH)₂控制探针顶部热流密度变化的效果一般，且会加剧探针底部热流密度的降低.

（3）综合NaOH和Ca(OH)₂在探针顶部和底部脱除NH₄Cl的不同表现，在之后的研究中，可以尝试同时添加NaOH和Ca(OH)₂，通过控制添加量，研究是否存在可以中和在单独添加两者时有不利影响的比例.

（4）本文仅进行了1种脱除剂添加比例的实验，可以继续探究不同脱除剂添加比例对探针热流密度变化的影响.