生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐摻燒防腐蝕劑的試驗研究*

宋景慧，譚 巍

（1. 廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州 510080；2. 深圳市能源環(huán)保有限公司，深圳 518052）

生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐摻燒防腐蝕劑的試驗研究*

宋景慧1，譚 巍2?

（1. 廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州 510080；2. 深圳市能源環(huán)保有限公司，深圳 518052）

在亞洲最大的50 MW生物質(zhì)循環(huán)流化床直燃鍋爐上進行了摻燒防腐蝕劑的燃燒試驗，防腐蝕劑采用多孔膜結(jié)構(gòu)，主要成分是MgO、高嶺土、活性Al2O3和發(fā)泡劑，試驗結(jié)果表明：摻燒防腐蝕劑不會降低鍋爐熱效率，且能夠有效地降低飛灰中K、Cl元素的含量，將其固留在爐渣中。當防腐蝕劑添加量占總?cè)剂腺|(zhì)量的3%時，飛灰中的K元素含量由7.62%下降為5.69%，Cl元素含量由3.86%下降為2.35%；而爐渣中的K元素含量由4.03%上升為4.71%，Cl元素含量由756.58 mg/kg上升為1 121.31 mg/kg；同時煙氣中的HCl排放量由25 mg/Nm3下降為15 mg/Nm3，NO含量由268 mg/Nm3上升為309 mg/Nm3。

生物質(zhì)循環(huán)流化床；防腐蝕劑；鉀；氯；污染物排放

0 引 言

生物質(zhì)直燃發(fā)電是利用生物質(zhì)能的主要方式之一，由于生物質(zhì)燃料中 K、Na等堿金屬元素和Cl元素含量較高，在純生物質(zhì)電廠可引起受熱面腐蝕、結(jié)焦和積灰等問題[1-4]。研究表明，在生物質(zhì)燃料中加添加劑是緩解這些問題的有效途徑。劉洋等[5]對中國北方幾座生物質(zhì)電廠結(jié)焦腐蝕情況進行了分析，提出了向燃料中添加高嶺土或摻燒高鋁煤可緩解受熱面腐蝕、結(jié)渣；馬孝琴等[1]針對添加劑對秸稈燃燒過程中堿金屬行為的影響進行了試驗，結(jié)果表明，采用高嶺土、燃煤飛灰等添加劑可以減少沉積物中水溶性含K、Cl元素化合物的含量，進而減輕秸稈燃燒過程中的腐蝕和結(jié)渣現(xiàn)象。但上述研究都只針對單一的添加劑，且未在工程實踐中進行應(yīng)用。

廣東湛江生物質(zhì)發(fā)電項目（2 × 50 MW）為亞洲最大的生物質(zhì)發(fā)電項目，采用由華西能源工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的 HX220/9.8-IV1型循環(huán)流化床直燃鍋爐，鍋爐在運行幾個月后，受熱面（屏式過熱器、高溫過熱器）腐蝕嚴重，檢查發(fā)現(xiàn)受熱面表面依附了一層沉積物，并有分層剝離的現(xiàn)象，利用 EDAX Apollo X電制冷能譜儀對外壁剝落下的腐蝕產(chǎn)物進行了微區(qū)成分分析，其成分以Ca、Si、K、Cl、S、P、O元素為主，其中Cl-離子平均含量超過3 wt%，局部高達10.99 wt%，分析表明，該腐蝕主要與氣態(tài)HCl和堿性氯化物有關(guān)[6]。為探究緩解腐蝕的方法，本文在湛江生物質(zhì)電廠 2# 爐進行了摻燒防腐蝕劑的燃燒試驗，并分析了防腐蝕劑對鍋爐效率、污染物排放、飛灰和爐渣中K、Cl元素含量的影響。

1 試驗部分

1.1 實驗物料

試驗中燃料主要為桉樹砍伐加工產(chǎn)生的樹皮、枝葉、木材、家具加工產(chǎn)生的廢料（如邊角料、木段、刨花、鋸末、碎木板）以及當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物，具體成分為70%樹皮 + 30%其他（樹碎、花生殼、三級板等），燃料工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 燃料的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuel

防腐蝕劑為多孔膜結(jié)構(gòu)（如圖1所示），主要成分是MgO、高嶺土、活性Al2O3和發(fā)泡劑，MgO、高嶺土和活性 Al2O3這三種組分的質(zhì)量百分含量分別為20%～60%、25%～65%和15%～30%，發(fā)泡劑在整個防腐蝕劑中的質(zhì)量百分含量為20%～50%[7]。

圖1 防腐蝕劑Fig. 1 Anticorrosive agent

1.2 試驗裝置

廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電廠循環(huán)流化床鍋爐主要技術(shù)特征為：高溫高壓參數(shù)、單鍋筒、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、鋼架雙排柱懸吊結(jié)構(gòu)（如圖2所示），鍋爐主要由一個膜式水冷壁爐膛、兩臺旋風分離器和一個汽冷包覆的尾部豎井三部分組成。給料系統(tǒng)包括四臺給料裝置，全部置于爐前，在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置，燃料由播料風送入爐膛，燃燒產(chǎn)生的煙氣攜帶大量床料經(jīng)爐頂轉(zhuǎn)向，通過位于后墻水冷壁外彎與包墻管形成的水平煙道煙氣出口，分別進入兩個上排氣渦殼式絕熱旋風分離器進行氣-固分離，分離后含少量飛灰的干凈煙氣由分離器中心筒引出通過前包墻拉稀管進入尾部豎井，對布置在其中的低溫過熱器、省煤器及空氣預(yù)熱器放熱，到鍋爐尾部出口時，煙溫已降至140℃左右，被分離器捕集下來的灰，通過分離器下部的立管和返料裝置送回爐膛實現(xiàn)循環(huán)燃燒。

試驗采用嶗應(yīng)-3012H型自動煙塵（氣）測試儀對飛灰進行等速取樣，飛灰取樣點在尾部空預(yù)器出口煙道上第一排孔；同時采用傅里葉紅外氣體分析儀（型號FTIR Dx4000）和MRU煙氣分析儀（型號VARIO PLUS）對煙氣成分進行在線檢測，每1 min對NOx、CO、HCl、O2等進行一次測定，煙氣成分濃度均換算成煙氣含氧量6%條件下的值。

圖2 220 t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐示意圖Fig. 2 Schematic diagram of 220 t/h biomass-fired circulating fluidized bed

1.3 試驗工況

本文共進行了兩種工況下的試驗，工況1為摻燒防腐蝕劑前鍋爐運行工況，工況2為摻燒防腐蝕劑工況，試驗時機組負荷為50 MW，排煙氧含量為4.0%左右，防腐蝕劑摻燒量占總?cè)剂腺|(zhì)量的3%，通過二級螺旋給料機送入爐內(nèi)，整個添加過程歷時1 h，測試時間為4 h，總添加量為2 t。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 防腐蝕劑對鍋爐效率的影響

試驗參照GB10184-1988《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》和DL/T964-2005《循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》采用反平衡法計算鍋爐效率，試驗測量和計算結(jié)果見表2。

表2 鍋爐性能試驗測試結(jié)果Table 2 Measurement results of the performance tests

由表2可知，該機組鍋爐熱效率約為86.7%，相比于燃煤鍋爐，生物質(zhì)鍋爐熱效率普遍偏低，排煙熱損失（q2）和氣體未完全燃燒熱損失（q3）相對較大，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，煙氣中CO含量在（10～9 000）mg/Nm3之間頻繁波動，分析其主要原因應(yīng)與生物質(zhì)燃料物性有關(guān)。生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高，固定碳含量少，熱值偏低，燃盡時間較短，其放熱集中在燃燒前期。在燃燒初期，揮發(fā)分大量析出，析出量大、時間短，再加上給料系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，實際燃料水分遠高于設(shè)計值等因素的影響，導(dǎo)致了爐內(nèi)燃燒波動大，氣體未完全燃燒熱損失偏大。對比摻燒防腐蝕劑前、后鍋爐熱效率，變化量很小，在正常波動范圍內(nèi)。由圖1可知，防腐蝕劑為柱形顆粒狀，單粒質(zhì)量為0.5～3 g，熔點為1 600℃，在爐內(nèi)相當于床料的作用，在爐內(nèi)隨床料一起循環(huán)，然后隨爐渣排出爐外，其機械強度較大，對爐內(nèi)燃燒情況影響很小。

2.2 防腐蝕劑對飛灰和爐渣中的K、Cl元素含量的影響

在生物質(zhì)燃料的燃燒產(chǎn)物中，K元素的主要存在形式為KCl和KOH，Cl元素主要存在形式為HCl和KCl[8]，研究表明，生物質(zhì)鍋爐受熱面腐蝕等運行問題均與飛灰中K、Cl元素含量和形態(tài)密切相關(guān)；灰中堿金屬化合物與其它非金屬氧化物形成低溫共熔體是引起聚團和燒結(jié)的主要原因，沉積在受熱面表面的堿金屬化合物會引起受熱面腐蝕，而 Cl可穿透金屬表面的保護性氧化膜，對腐蝕具有催化作用[9,10]，圖3和圖4分別為摻燒防腐蝕劑前、后飛灰和爐渣中K、Cl元素的含量。

圖3 防腐蝕劑對飛灰和爐渣中K元素含量的影響Fig. 3 Effect of anticorrosive agent on mass percentage of K in fly ash and furnace slag

圖4 防腐蝕劑對飛灰和爐渣中Cl元素含量的影響Fig. 4 Effect of anticorrosive agent on mass percentage of Cl in flue ash and furnace slag

由圖3、圖4可知，在燃料中摻燒3%的防腐蝕劑后，飛灰中的K元素含量由7.62%降低為5.69%，而爐渣中的K含量由4.03%上升為4.71%；飛灰中的Cl元素含量由3.86%降低為2.35%，而爐渣中的Cl元素含量由756.58 mg/kg上升為1 121.31 mg/kg。研究表明，高嶺土和氣態(tài)KCl能發(fā)生如下反應(yīng)[1,2]：

由反應(yīng)式（1）和（2）可知，燃料燃燒生成的KCl與高嶺土反應(yīng)后生成高熔點的 KAlSiO4和KAlSi3O8滯留在爐渣中，同時，Al2O3比SiO2更容易與堿金屬反應(yīng)生成高熔點的化合物，對燒結(jié)具有一定的抑制作用[11]。由于防腐蝕劑采用多膜結(jié)構(gòu)，且孔隙率和比表面積都較大，能夠增大其與燃燒產(chǎn)物的反應(yīng)面積，在燃燒過程中很容易將K、Cl元素吸附在爐渣中。

2.3 防腐蝕劑對污染物排放的影響

生物質(zhì)燃料中Cl元素含量較高，燃料燃燒過程中，Cl元素的主要析出形式為HCl和堿金屬氯化物，HCl是一種腐蝕性較強的酸性氣體，容易對鍋爐受熱面和尾部煙道造成腐蝕，排入大氣中會對人體健康造成嚴重危害。圖5為煙氣中HCl排放量隨時間變化的曲線圖，橫坐標零點代表開始添加防腐蝕劑時刻，整個添加過程歷時1 h。從圖中可以看出，加入防腐蝕劑后，煙氣中HCl含量迅速下降，分析其主要原因是防腐蝕劑中的MgO和Al2O3對HCl具有吸收作用，其反應(yīng)如下：

在整個實驗過程中，煙氣中HCl排放率呈現(xiàn)為先減少后增加再減少的規(guī)律，其排放量變化曲線基本反應(yīng)了防腐蝕劑對飛灰中 K、Cl元素的吸收過程。在實驗前60 min，隨著防腐蝕劑的加入，煙氣中HCl排放量持續(xù)降低，由初始純生物質(zhì)燃燒時的25 mg/Nm3下降到了15 mg/Nm3，由反應(yīng)式（1）～（4）可知，在這過程中，既發(fā)生了MgO和Al2O3對HCl的吸收反應(yīng)，也有高嶺土與KCl反應(yīng)生成HCl，同時防腐蝕劑的多孔膜結(jié)構(gòu)對于 HCl也有吸附作用。當停止添加防腐蝕劑15 min后，也就是摻燒實驗進行了75 min時，HCl排放量開始增大，分析其原因是防腐蝕劑中的MgO和Al2O3含量減少，其對HCl吸收作用減弱，當停止添加防腐蝕劑40 min后，恢復(fù)到了純生物質(zhì)燃燒時的排放量，其后排放量仍繼續(xù)升高，分析其原因是此時防腐蝕劑仍含有一定的高嶺土，其與KCl反應(yīng)生成HCl，當停止添加防腐蝕劑150 min后，HCl排放量與純生物質(zhì)燃燒時相同且波動較少，此時防腐蝕劑中高嶺土應(yīng)已完全消耗。

圖5 防腐蝕劑對HCl排放量的影響Fig. 5 Effect of anticorrosive agent on HCl emission

圖6為摻燒防腐蝕劑前、后煙氣中NO的排放量，生物質(zhì)燃燒生成的NOx主要為NO，加入防腐蝕劑后，NO排放量有一定的增加，分析其可能的原因是防腐蝕劑抑制了[K]對燃燒過程中焦炭還原NO的催化作用，其反應(yīng)如下[12]：

防腐蝕劑中的高嶺土與 KCl反應(yīng)生成了KAlSiO4和KAlSi3O6固留在爐渣中，減少了飛灰中的K元素，抑制了焦炭和CO對NO的還原作用。添加防腐蝕劑后 NO排放量由 268 mg/Nm3增加到 309 mg/Nm3，低于現(xiàn)行國家污染物排放標準（400 mg/Nm3），但遠高于2014年7月將執(zhí)行的新標準（200 mg/Nm3）。

圖6 防腐蝕劑對NO排放量的影響Fig. 6 Effect of anticorrosive agent on NO emission

3 結(jié) 論

（1）對比摻燒防腐蝕劑前、后鍋爐各項熱損失和鍋爐熱效率可知，摻燒防腐劑不會降低鍋爐效率。

（2）摻燒防腐蝕劑能夠有效地降低飛灰中K、Cl元素含量，將其固留在爐渣中；由于防腐蝕劑采用多膜結(jié)構(gòu)，且孔隙率和比表面積都較大，能夠增大其與燃燒產(chǎn)物的反應(yīng)面積，在燃燒過程中很容易將K、Cl吸附在灰渣中；當防腐蝕劑添加量占總?cè)剂腺|(zhì)量的3%時，飛灰中的K元素含量由7.62%下降為5.69%，Cl元素含量由3.86%下降為2.35%。而爐渣中的K元素含量由4.03%上升為4.71%，Cl元素含量由756.58 mg/kg上升為1 121.31 mg/kg。

（3）摻燒防腐劑后，煙氣中HCl的排放量由純生物質(zhì)燃燒時的25 mg/Nm3下降為15 mg/Nm3，但NO排放量有所增加。

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Experimental Investigation on Addition of Anticorrosive Agent in a 50-MW Biomass-Fired Circulating Fluidized Bed Boiler

SONG Jing-hui1, TAN Wei2
(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China; 2. Shenzhen Energy Environment Engineering Co., Ltd, Shenzhen 518052, China)

Experiments on combustion of pure biomass and biomass with anticorrosive agent were carried out in a 50-MW biomass-fired circulating fluidized bed boiler. The anticorrosive agent has a porous structure and mainly contains magnesium oxide (MgO), kaolin, activated alumina (Al2O3) and foamer. Results obtained in experiments show that, boiler thermal efficiency was weakly influenced by the anticorrosive agent, and contents of K and Cl in flue ash decreased as contrast to the increase of K and Cl in furnace slag. When the mass percentage of anticorrosive agent is 3%, in the flue ash, the K values ranged from 7.62% to 5.69%, and Cl values reduced from 3.86% to 2.35%. While in furnace slag, the values K varied from 4.03% to 4.71%, and Cl values increased from 756.58 mg/kg to 1 121.31 mg/kg. Due to the anticorrosive agent, the content of HCl in flue gas decreased from 25 mg/Nm3to 15 mg/Nm3, as the emission of NO increased from 268 mg/Nm3to 309 mg/Nm3.

biomass-fired circulating fluidized bed boiler; anticorrosive agent; potassium; chlorine; emission of pollutants

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.04.005

2095-560X（2014）04-0270-05

宋景慧（1973-），男，工學碩士，教授級高級工程師，主要從事電站調(diào)試、試驗和科研等方面的工作。

2014-04-14

2014-05-14

? 通信作者：譚 巍，E-mail：tanwei6220@163.com

譚 巍（1986-），男，工學碩士，主要從事生物質(zhì)燃燒特性的研究。