生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐存在的問題及控制措施

李佳剛

摘 要：循環(huán)流化床鍋爐是一種非常適合燃燒生物質(zhì)的鍋爐，但是相較煤炭而言，生物質(zhì)中含有較多的堿金屬和氯元素，這給燃燒生物質(zhì)的鍋爐帶來了一系列特殊的問題，文章在探討這些問題的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的控制措施。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐；床料燒結(jié)控制措施；高溫腐蝕控制措施；低溫腐蝕控制措施

1 循環(huán)流化床鍋爐簡介

循環(huán)流化床鍋爐具有效率高、煤種適用性廣、調(diào)峰能力強、污染物排放量低、爐渣綜合利用性好等特點，自上世紀80年代以來循環(huán)流化床鍋爐得到了迅速的發(fā)展，技術(shù)也日趨成熟。循環(huán)流化床鍋爐是一種流態(tài)化燃燒的鍋爐，在爐膛內(nèi)部存在著大量的循環(huán)床料。一次風(fēng)從爐膛底部進入鍋爐，把大量的床料吹起，使床料在爐膛的中間部分沿爐膛向上運動，而在爐膛的四周，床料則沿著水冷壁下降，并在下降過程中完成熱量交換。

循環(huán)流化床鍋爐的特點是設(shè)置了由分離器和返料器組成的物料循環(huán)回路。燃料在爐膛內(nèi)燃燒生成大量的煙氣，這些煙氣攜帶大量的物料從爐膛進入分離器，在分離器內(nèi)物料和煙氣進行氣固分離，煙氣從分離器頂部進入鍋爐尾部煙道，而分離下來的物料則通過返料器再次進入爐膛，參與下一次燃燒循環(huán)。因此循環(huán)流化床鍋爐具有很高的燃燒效率。

2 生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐簡介

煤炭作為一種不可再生的化石能源，在國民生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，但是一方面煤炭是一種不可再生能源，這使得尋找替代能源已成為無法回避的問題；另一方面煤炭也是一種高污染的能源。當(dāng)前環(huán)境污染已經(jīng)成為我國面臨的重大問題之一，為了治理環(huán)境污染，我國出臺了一系列的法律法規(guī)，燃煤鍋爐將受到越來越嚴格的限制。生物質(zhì)的可再生性和清潔性，使它在熱電領(lǐng)域成為了煤炭的理想替代者，近年來燃用生物質(zhì)的鍋爐已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

目前燃燒生物質(zhì)的鍋爐主要有兩種，一種是爐排式的層燃鍋爐，一種是流化床鍋爐。生物質(zhì)燃料的一般特點是水分很高、發(fā)熱值偏低，因此著火和燃盡都比較困難。循環(huán)流化床鍋爐的爐膛內(nèi)存在著大量的溫度在800℃左右的床料，蓄熱量大，并且具有很高的循環(huán)倍率，因此即使生物質(zhì)含水率高達50%～60%，也能夠保證正常的著火燃燒。同時由于物料的不斷循環(huán)，使得燃料的燃盡率能夠得到最大的保證，因此循環(huán)流化床鍋爐是最適合燃燒生物質(zhì)的鍋爐。但循環(huán)流化床鍋爐在燃燒生物質(zhì)方面也存在一定的問題，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

（1）生物質(zhì)燃料揮發(fā)份高、灰量偏少，造成了鍋爐自身循環(huán)物料量不足。

（2）生物質(zhì)中堿金屬和氯元素含量高，易于積灰和堵灰，并造成受熱面的高溫腐蝕和低溫腐蝕。

3 生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐存在問題的分析及控制措施

3.1 床料燒結(jié)問題及控制措施

如上所述，在循環(huán)流化床鍋爐的爐膛內(nèi)有大量的循環(huán)物料，這是保證鍋爐正常運行的必要條件，而生物質(zhì)燃料揮發(fā)份高、灰份低、灰量偏少，無法保證鍋爐正常運行的循環(huán)灰量，因此在運行中要需要添加一定的循環(huán)床料。比較普遍的做法是向爐膛內(nèi)添加石英砂，但是添加石英砂會帶來兩個問題，一是由于砂子硬度高，會增加鍋爐受熱面的磨損；二是容易造成爐膛內(nèi)物料燒結(jié)和結(jié)渣，這主要是由于生物質(zhì)中鉀、鈉等堿金屬含量較高而造成的。溫度、流化風(fēng)速和氣氛都會影響到生物質(zhì)灰的燒結(jié)，但溫度是影響燒結(jié)的最主要因素，溫度越高越易燒結(jié)。一般認為，在高溫條件下生物質(zhì)灰中的鉀和鈉與砂中的SiO2反應(yīng)，生成低熔點的共晶體，共晶體在爐膛的高溫下熔化并沿著砂的縫隙流動，將砂粒粘結(jié)，形成塊狀。其反應(yīng)方程式如下：

2SiO2+Na2O-Na2O·2SiO2

4SiO2+K2O-K2O·4SiO2

要防止運行中燒結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，可采取以下兩種控制措施：

（1）在鍋爐結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)措施，從根本上解決爐膛溫度過高的問題。主要措施是選取合理的一、二次風(fēng)配比和合理的爐膛受熱面布置，使?fàn)t膛的溫度場更加均勻，保證爐膛運行溫度不會過高。

（2）在添加循環(huán)物料的時候，選取適宜的惰性物料以抑制低熔點共晶體的形成。不同的元素對燒結(jié)的影響是不同的，從這個角度出發(fā)，可以選擇富含抑制燒結(jié)元素的床料，提高燒結(jié)發(fā)生的溫度。從經(jīng)濟性和易獲性考慮，建議選用煤渣刷分下來的顆?；蛉济貉h(huán)流化床鍋爐的渣料作為鍋爐的循環(huán)物料。

3.2 高低溫腐蝕問題及控制措施

生物質(zhì)燃料中的氯元素是造成受熱面高溫腐蝕和低溫腐蝕的主要因素，其腐蝕曲線如圖1所示。其中高溫腐蝕主要發(fā)生在過熱器處，其發(fā)生的原因有兩個：一是受熱面的管壁溫度處于易腐蝕區(qū)域，二是受熱面表面形成含有堿金屬氯化物的高溫粘結(jié)灰。這種粘結(jié)灰形成以后，與煙氣中硫化物和氯化物會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成積灰腐蝕，影響受熱面安全。針對高溫腐蝕的形成機理，可采取以下幾種控制措施。

（1）過熱器受熱面的布置，可采用低溫過熱器在前，高溫過熱器在后的布置方式，使高溫過熱器的管壁溫度避開腐蝕較高的溫度區(qū)域。（2）過熱器管材可選用耐腐蝕的不銹鋼管材，以減輕腐蝕的影響。（3）尾部受熱面采用順列布置，并采用較大的橫向節(jié)距，減少管列間搭橋堵塞的可能性。（4）在所有的對流受熱面處都必須布置性能良好的吹灰器，并多次數(shù)運行。特別需要注意的是，在鍋爐剛開始運行時就投入吹灰器，否則，如果受熱面一旦粘結(jié)灰分就不易去除。

低溫腐蝕主要發(fā)生在空氣預(yù)熱器的冷段，特別是冷空氣進口端。其發(fā)生的原因是煙氣溫度低于酸露點溫度，從而使煙氣中的酸性氣體在受熱面上凝結(jié)形成酸液，造成受熱面的腐蝕。生物質(zhì)燃燒生成的煙氣中除了含有會形成硫酸的硫氧化物外，還含有能形成鹽酸的氯化物。通常來說生物質(zhì)中硫含量極低且大部分為硫酸鹽形式的無機硫，因此硫氧化物造成的腐蝕份額很小，主要是含氯的鹽酸類造成的低溫腐蝕。煙氣中的HCL來源于生物質(zhì)中的氯，正常狀態(tài)下這些氯與堿金屬形成堿金屬鹽，但是在爐內(nèi)高溫下部分堿金屬鹽會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進入氣相以HCL形式存在。針對低溫腐蝕的形成機理，可采取以下幾種控制措施。

（1）爐膛采用低溫燃燒。低溫燃燒可以將生物質(zhì)中的氯大部分維持在灰相中，以堿金屬氯化物的形式存在，減少氣相氯的析出，從根本上緩解低溫腐蝕問題。（2）設(shè)計合理的排煙溫度，盡量使排煙溫度高于酸露點。（3）選擇具有良好耐腐蝕性能的空預(yù)器材質(zhì)。目前搪瓷管空氣預(yù)熱器已經(jīng)在防腐蝕方面得到了廣泛的應(yīng)用。（4）空預(yù)器采用臥式布置，這樣即使發(fā)生腐蝕也便于檢修更換。

4 結(jié)束語

煤炭資源的不斷減少和環(huán)境問題的日益突出，使生物質(zhì)能源對煤炭的替代率將會越來越高，而循環(huán)流化床鍋爐作為燃燒生物質(zhì)的最適宜爐型，必將獲得更大的發(fā)展。文章分析了循環(huán)流化床鍋爐燃燒生物質(zhì)時存在的主要問題及控制措施，使生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的特性有了更清晰的呈現(xiàn)，希望能給廣大鍋爐設(shè)計工作者帶來有益幫助。

參考文獻

[1]岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計與運行[M].中國電力出版社.

[2]盧嘯風(fēng).大型循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備與運行[M].中國電力出版社.