75t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐高溫過(guò)熱器沉積特性研究

王 準(zhǔn),華曉宇，胡 卿，裘立春，余春江

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

75t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐高溫過(guò)熱器沉積特性研究

王 準(zhǔn)1,華曉宇1，胡 卿1，裘立春1，余春江2

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027)

某生物質(zhì)電廠循環(huán)流化床鍋爐高溫過(guò)熱器表面發(fā)生嚴(yán)重的沉積情況，對(duì)該電廠燃料進(jìn)行了分析檢測(cè)，并研究高溫過(guò)熱器管束表面的沉積特性。研究發(fā)現(xiàn)該生物質(zhì)燃料具有積灰結(jié)渣特性；沉積物具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，SEM和EDS以及XRD的測(cè)試結(jié)果表明，沉積物的主要元素為K、Na、Cl，各層的主要成分為KCl；KCl的存在是導(dǎo)致過(guò)熱器管壁沉積的直接原因，減少燃料中的堿金屬含量是解決高溫過(guò)熱器表面沉積問(wèn)題的關(guān)鍵。

生物質(zhì)；高溫過(guò)熱器；沉積；堿金屬；燃料

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，世界常規(guī)能源消費(fèi)的日益增加，能源短缺和環(huán)境保護(hù)成為困擾人類社會(huì)發(fā)展的主要問(wèn)題。生物質(zhì)能，具有可再生和二氧化碳零排放等特點(diǎn)，逐漸成為清潔利用的新能源[1-4]。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，利用清潔可再生的生物質(zhì)能源對(duì)建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大的戰(zhàn)略意義[5-6]。

國(guó)內(nèi)最主要的生物質(zhì)能利用手段是直接燃燒發(fā)電，我國(guó)投產(chǎn)和在建的生物質(zhì)電廠已有100多家，這些電廠主要采用爐排爐和循環(huán)流化床鍋爐。然而生物質(zhì)燃料中含有大量的鉀、氯等無(wú)機(jī)雜質(zhì)，在燃燒過(guò)程中常常會(huì)導(dǎo)致受熱面的沉積、腐蝕等問(wèn)題，嚴(yán)重影響電廠鍋爐設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性[7-18]。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐高溫過(guò)熱器表面的沉積情況，通過(guò)收集并研究過(guò)熱器管束表面的沉積產(chǎn)物，探索過(guò)熱器表面沉積物形成過(guò)程和原因。

1 試驗(yàn)部分

某生物質(zhì)電廠2臺(tái)75t/h鍋爐，鍋爐型號(hào)為T(mén)G-75/9.8-T為高溫高壓、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、半露天布置、鋼架單排柱懸吊結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣，燃生物質(zhì)循環(huán)流化床汽包爐。鍋爐的設(shè)計(jì)燃料為：40%木屑+30%竹屑+30%菌棒，設(shè)計(jì)水分30%，實(shí)際運(yùn)行期間燃燒竹木加工廢料、菌菇棒、林木枝條、稻桿和油菜桿等當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)燃料。近年來(lái)，由于燃料緊缺采用桉樹(shù)皮作為主要燃料。運(yùn)行期間鍋爐內(nèi)部高溫過(guò)熱器表面的沉積、腐蝕情況嚴(yán)重，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

為了探索高溫過(guò)熱器表面沉積層的形成機(jī)理，從高溫過(guò)熱器管束截取一段沉積情況較為嚴(yán)重的鍋爐管段，從其表面剝離出一塊完整的沉積層進(jìn)行分析。試驗(yàn)通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察沉積物的微觀表面形貌，并耦合能譜(EDS)測(cè)量其表面的元素成分。為了確定沉積物的組成成分，試驗(yàn)采用X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行XRD分析。

2 結(jié)果分析

2.1 燃料分析

該生物質(zhì)電廠燃料的特性分析見(jiàn)表1，從表1可以看出，桉樹(shù)皮是一種低水分、高揮發(fā)分(揮發(fā)分高達(dá)81.56%)、低灰分、高發(fā)熱量的高品質(zhì)生物質(zhì)燃料。表2是該燃料的灰成分分析，與稻草、木屑等常規(guī)生物質(zhì)燃料相比，其灰中K2O、Na2O含量較高，其中K2O是稻草、木屑的3～6倍，說(shuō)明桉樹(shù)皮含有大量的堿金屬成分。對(duì)燃料中的K+，Ca+、Na+以及水溶性的Cl-、SO4-2等無(wú)機(jī)組分進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示燃料中的K、Cl含量偏高。

為了研究生物質(zhì)燃料對(duì)過(guò)熱器表面沉積情況的影響，首先需要了解生物質(zhì)燃料的結(jié)渣特性。目前，生物質(zhì)燃料的結(jié)渣特性主要采用堿性指數(shù)來(lái)判斷。其計(jì)算公式為：

(1)

式中：Q為燃料在干燥基和定容下的高位發(fā)熱量，GJ/kg；Yf為燃料中的灰分百分含量，%；YK2O，YNa2O為灰分中堿性氧化物的含量，%。

當(dāng)堿性指數(shù)小于0.17時(shí)，不易發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象；當(dāng)堿性指數(shù)為0.17～0.34時(shí)，結(jié)渣的可能性隨著指數(shù)的增加而提高；當(dāng)堿性指數(shù)大于0.34時(shí)，則發(fā)生積灰結(jié)渣現(xiàn)象。該生物質(zhì)電廠燃料的堿性指數(shù)大于0.34，會(huì)發(fā)生積灰結(jié)渣現(xiàn)象。且燃料中的含有一定量的氯，以離子的形式存在，氯的存在影響高溫下成灰物質(zhì)的氣化，對(duì)積灰形成具有重要的作用。

通過(guò)對(duì)該鍋爐的燃料分析，初步可以判斷其高溫過(guò)熱器表面嚴(yán)重的沉積情況與燃料中高含量的堿金屬元素和氯有關(guān)。

2.2 沉積物宏觀形貌分析

高溫過(guò)熱器管段剝離的沉積物，具有一定的硬度，其厚度最大處為1.5cm，最小處僅為0.5cm。觀察沉積物可以發(fā)現(xiàn)，其具有明顯的分層現(xiàn)象，大致可以分為外層、中間層和貼壁層。

沉淀物外層凹凸不平，有明顯的熔融和被沖刷的痕跡，表面呈灰黑色并伴有細(xì)小的黃色顆粒物；中間層為沉積物的主體成分，其質(zhì)地較為酥松，呈灰色并伴有大量的白色晶體；貼壁層呈黑色，較薄但質(zhì)地相對(duì)于其他層堅(jiān)硬。

表1 燃料的分析

項(xiàng) 目工業(yè)分析/%元素分析/%MarAarVarFCarCarHarNarSt,arQarQnet,ar/J·g-1桉樹(shù)皮6.741.7981.5618.1145.745.090.210.0447.12160700

表2 燃料的灰成分分析 wB/%

2.3 沉積物微觀形貌和能譜分析

為了研究沉積物的微觀形貌和元素組成，通過(guò)掃描電鏡(SEM)一能譜(EDS)聯(lián)用對(duì)沉積物的三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。表3為沉積物三層結(jié)構(gòu)的能譜分析結(jié)果，結(jié)果顯示沉積物外層的元素組成主要是O、K、Ca、Na等元素,推斷外層的主要成分為大量的生物質(zhì)灰和金屬氯化物。沉積物中間層層表面分布有大量的顆粒狀晶體，中間層中的氯元素相對(duì)外層較高，該處K、Cl的含量分別為13.43%、12.5%，因此可以推斷其沉積物中層附著的大量白色晶體為KCl。沉積物貼壁層表面也有明顯的熔融，還發(fā)現(xiàn)有針刺狀的鐵的金屬氧化物。由于與金屬表面直接接觸，沉積物的貼壁層的組成除了由灰和金屬氯化物外，還包含管壁表面腐蝕后的金屬產(chǎn)物。

2.4 沉積物XRD分析

為了進(jìn)一步了解沉積物各層的化學(xué)成分，分別從各層刮取粉末并研磨制樣進(jìn)行了XRD分析，并對(duì)比EDS的分析結(jié)果。XRD的分析結(jié)果顯示，過(guò)熱器表面的沉積物主要由KCl、NaCl、CaCO3、SiO2等物質(zhì)組成，XRD的分析結(jié)果與EDS的分析結(jié)果相互印證。沉積物各層均檢出有大量的KCl存在，除此之外貼壁層還檢測(cè)出有Fe3O4的存在。

表3 沉積物外層、中間層、內(nèi)層EDS分析結(jié)果 %

3 沉積的原因分析

生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐高溫過(guò)熱器表面的沉積生成是鍋爐本身設(shè)計(jì)、燃料特性及鍋爐運(yùn)行條件共同作用的結(jié)果，其形成包含復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程。

該電廠運(yùn)行的DCS數(shù)據(jù)顯示鍋爐的燃燒溫度為750℃，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐內(nèi)溫度大于700℃時(shí)，燃料中的K、Cl元素大量析出進(jìn)入氣相并隨著煙氣流動(dòng)。當(dāng)煙氣流經(jīng)高溫受熱面，由于受熱面表面溫度低于煙氣溫度，煙氣中的KCl結(jié)晶析出并在管壁上凝結(jié)形成初始沉積層。初始沉積層處于熔融狀態(tài)且具有粘附性，不斷吸附煙氣中的飛灰顆粒，使沉積層不斷成長(zhǎng)增厚。隨著沉積層不斷增加，沉積層表面的溫度不斷升高，KCl的凝結(jié)作用降低。附著的含Si、Ca含量飛灰顆粒在高溫下與KCl反應(yīng)形成復(fù)合硅酸鹽，表面的粘性逐漸降低，沉積物捕獲飛灰的能力也隨之減弱，使沉積層逐漸趨于穩(wěn)定。因此，該生物質(zhì)電廠高溫受熱面的沉積物各層中均含有KCl，其外層所含的飛灰顆粒較多；中間層的主體是白色氯化鉀晶體；貼壁層的形成是由于KCl與受熱面管壁接觸，管壁表面高溫腐蝕所生成的腐蝕產(chǎn)物與沉積物的結(jié)合。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)高溫過(guò)熱器表面的沉積物具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，主要可分為內(nèi)層、中層和貼壁層。沉積的組成元素主要是K、Cl、Na等元素，各層的主要組成的成分為KCl。

(2)KCl的存在是導(dǎo)致過(guò)熱器管壁沉積的直接原因，因此減少燃料中的堿金屬含量是解決高溫過(guò)熱器表面沉積問(wèn)題的有效途徑。

[1]Saidur R,Abdelaziz E A,Demirbas A,et al.A review on biomass as a fuel for boilers[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(5):2262-2289.

[2]Vassilev S V,Baxter D,Vassileva C G.An overview of the behaviour of biomass during combusion (I):phase-mineral transformation of organic and inorganic matter[J].Fuel，2013,112:391-449.

[3]Yu C, Qin J, Nie H,et al. Experimental research on agglomeration in straw-fied fluidized beds[J].Applied Energy,2011,88(12):4534-4543.

[4]金 山.生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)的探索[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(1):50-52.

[5]蔣大華,孫康泰,亓 偉,等.我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及建議[J].可再生能源,2014,32(4):542-546.

[6]羅 凱,林世華.2×75t/h循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能分析[J].電力科技與環(huán)保,2012,28(6):49-52.

[7]李廉明,余春江,柏繼松.中國(guó)秸稈直燃發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展,2010,29(zl):84-90.

[8]駱仲泱,陳 晨,余春江.生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐受熱面沉積和高溫腐蝕研究進(jìn)展[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2014,20(3):189-198.

[9]陳 兢,傅培舫,張 斌,等.生物質(zhì)燃燒中堿金屬和氯沉積燒結(jié)行為分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2014(7):1453-1456.

[10]龔 彬.生物質(zhì)鍋爐受熱面沉積機(jī)理與腐蝕特性機(jī)理研究[D].杭州:浙江大學(xué),2015.

[11]王學(xué)斌,張利孟,王新民,等.生物質(zhì)燃燒設(shè)備受熱面結(jié)焦的機(jī)理研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2013(11):2189-2193.

[12]龔 彬,余春江,王 準(zhǔn),等.生物質(zhì)爐排鍋爐不同受熱面沉積特性[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2015,49(8):1578-1584.

[13]黃 芳.秸稈燃燒過(guò)程中受熱面沉積腐蝕問(wèn)題研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

[14]程偉良,王立成,李柏杰,等.生物質(zhì)鍋爐中溫過(guò)熱器結(jié)渣機(jī)理研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2014(5):401-405.

[15]秦建光,余春江,王勤輝,等.流化床秸稈燃燒技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)[J].水利電力機(jī)械,2006,28(12):70-75.

[16]董艷艷,何姍姍,李 薇.熱噴涂防腐涂層在生物質(zhì)鍋爐中的研究進(jìn)展[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(4):60-62.

[17]蘇余寧,伍征團(tuán),余春江.75t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)帽沉積特性研究[J].熱力發(fā)電,2014,43(12):77-81.

[18]張小輝,王啟明,宗 晨.生物質(zhì)秸稈鍋爐受熱面積灰沉積物分析[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào),2015,11(2):119-122.

Deposition performance of superheater in a 75t/h biomass fired circulating fluidized bed bolier

A biomass fired circulating fluidized bed boiler superheater surfaces have serious deposition,the power plant fuel are analyzed and the superheater tubes deposition properties on the surface are studied. Studies have found that the biomass fuel has fouling and slagging characteristics; the deposition has a typical layer structure, SEM and EDS and XRD results show that: the main elements of deposition is K, Na, Cl, the main components of layers are KCl; the presence of KCl directly cause the superheater deposition, reducing the alkali metal content of the fuel is the key to solve the problem of superheater deposition on the surface.

biomass;superheater;deposition;alkali metal;fuel

TK6

B

1674-8069(2017)03-042-03

2016-12-10；

2017-01-29

王 準(zhǔn)(1989-)，男，浙江臺(tái)州人，工程師，主要從事火電廠技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：95296749@qq.com