摻燒高嶺土對CFB 鍋爐高溫受熱面沉積和腐蝕特性影響研究

李定青，李德波，畢武林，陳洪世，費芳芳，廖宏楷，馮永新，陳兆立

（1.廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司，廣東 湛江 524000）2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣州 510080）

0 引言

生物質(zhì)能作為綠色清潔能源利用的一種形式，因其具有儲量豐富、低污染和可再生等特點，逐步成為研究和發(fā)展的熱點，我國生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出全面加速的發(fā)展態(tài)勢[1-3]。與此同時，由于生物質(zhì)燃料中含有大量的堿金屬Na，K及Cl 元素，在高溫下極易生成KCl 和NaCl，堿金屬在熱解階段揮發(fā)析出，粘結(jié)在鍋爐受熱面上，呈粘稠狀熔融態(tài)，捕集氣體中的固體顆粒，使得受熱面上形成沉積，影響鍋爐管束傳熱，降低鍋爐效率；另一方面受熱面上的沉積中由于富含堿金屬，在高溫下極易造成高溫腐蝕，降低受熱面壽命，影響發(fā)電廠安全運行，生物質(zhì)直燃發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的沉積和堿金屬高溫氯腐蝕已被公認是生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)發(fā)展的瓶頸[4-6]。

根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果和大量的工業(yè)應(yīng)用表明，生物質(zhì)燃燒過程的K 和Cl 在爐內(nèi)高溫條件下有相當(dāng)部分會進入氣相，氣相中的堿金屬與相關(guān)無機物質(zhì)在灰相和煙氣氣氛的作用下，存在凝結(jié)成核、氣固相反應(yīng)、氣相均相反應(yīng)、熔融、沾附等復(fù)雜物理化學(xué)過程，爐內(nèi)的氣氛、灰顆粒成分、氣相組分、水分、溫度等條件又會通過復(fù)雜的機理影響上述過程，考慮到堿金屬相關(guān)問題的物理化學(xué)過程本質(zhì)，燃燒過程加入添加劑，利用添加劑可以通過加入物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)特性和物理特性改變沉積結(jié)渣形成過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從而達到抑制堿金屬問題的目的，利用添加劑在爐內(nèi)高溫環(huán)境下的物理化學(xué)作用，減輕甚至消除堿金屬問題不失為一條可行的技術(shù)路線[7-14]。

為了研究生物質(zhì)鍋爐高溫受熱面的沉積特性及添加劑對抑制堿金屬沉積腐蝕影響，以50 MW生物質(zhì)CFB（循化流化床）鍋爐為試驗平臺，在工業(yè)環(huán)境下添加高嶺土，通過高溫受熱面探槍試驗，進行沉積機理和腐蝕作用的影響因素研究。

1 試驗介紹

1.1 試驗生物質(zhì)CFB 鍋爐簡介

本試驗平臺為生物質(zhì)CFB 鍋爐，其主要參數(shù)如表1 所示，為高溫高壓參數(shù)、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、露天布置、鋼架雙排柱懸吊結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣循環(huán)流化床鍋爐。循環(huán)物料分離采用絕熱式旋風(fēng)分離器，爐膛后部靠近爐膛出口布置高溫受熱面，包括屏式過熱器和高溫過熱器，該高溫受熱面為本文主要研究對象。

1.2 試驗生物質(zhì)燃料及高嶺土

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

試驗生物質(zhì)燃料主要采用桉樹皮、桉樹根、桉樹枝葉和甘蔗渣等農(nóng)林廢棄物，為避免試驗過程不同品種燃料熱值、水分等參數(shù)對試驗結(jié)果造成影響，試驗前采取同批次桉樹皮為主的燃料進行摻配，以保證試驗期間試驗燃料的熱值、水分等參數(shù)維持在較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。收集試驗生物質(zhì)燃料進行綜合化驗分析，燃料特性分析見表2。為了評估試驗生物質(zhì)燃料中堿金屬及相關(guān)無機物質(zhì)含量，采用原子吸收光譜對樹皮消解液中的陽離子進行分析測試，采用離子色譜對樹皮去離子水浸出液中的陰離子進行測試，測試結(jié)果見表3。對試驗高嶺土主要化學(xué)成分進行檢測，檢測結(jié)果見表4。

1.3 試驗方法

試驗高嶺土通過生物質(zhì)燃料輸送系統(tǒng)添加入爐，試驗在鍋爐高溫受熱面附近插入探槍，采集探槍表面沉積樣品，通過SEM（掃描電鏡）、XRD（X-射線衍射）等分析手段對高溫受熱面沉積形成的動態(tài)過程進行分析。首先以高嶺土添加量為1.5 t/h 進行高溫受熱面沉積形成過程研究試驗，其次將高嶺土添加量從0.15 t/h 開始，以不同的梯度逐級增加，研究高嶺土對抑制腐蝕作用影響的程度，試驗共進行7 個工況。

表2 試驗生物質(zhì)燃料工業(yè)分析、元素分析結(jié)果

表3 試驗生物質(zhì)燃料無機雜質(zhì)含量分析結(jié)果 %

表4 試驗高嶺土化學(xué)成分檢測分析結(jié)果 %

2 結(jié)果與討論

2.1 空白試驗

為研究高嶺土對腐蝕的抑制作用，采集未添加任何添加劑的生物質(zhì)CFB 鍋爐高溫受熱面沉積物進行分析，分析結(jié)果作為本次試驗的空白試驗數(shù)據(jù)。

如圖1 所示，采集沉積物具有明顯分層現(xiàn)象，外層顆粒較細，顆粒之間無明顯空隙，較致密，有明顯的熔融現(xiàn)象，中間層顆粒偏大，棱角分明，類似結(jié)晶物形態(tài)，內(nèi)層顆粒較中間層小，結(jié)構(gòu)疏松，類似于煤粉爐積灰。

圖1 沉積物宏觀形貌

為確認沉積物各層的主要元素組成，對采集的沉積物樣品進行能譜分析，如圖2 所示，外層主要元素為Ca，Mg，Si，以及少量的Cl 和S 元素，內(nèi)層白色結(jié)晶物含有大量的氯、鉀和鈣元素，判斷內(nèi)層白色結(jié)晶主要以堿金屬氯化物的形式存在，貼壁層的Fe 含量很高，屬于典型的堿金屬高溫腐蝕造成管壁金屬物質(zhì)剝離造成Fe 含量高，另外貼壁層還有合金鋼中常見的Ni，Cr 及Mo[2]。

圖2 沉積物各層主要元素組成

2.2 受熱面沉積特性分析

當(dāng)高嶺土添加量為1.5 t/h 時，對試驗探槍表面采集樣品進行SEM 分析，如圖3 所示，在600倍放大倍數(shù)下觀察，試驗1 h 后探槍表面可見明顯覆蓋沉積。繼續(xù)放大倍數(shù)觀察，出現(xiàn)2 種物質(zhì)形態(tài)，經(jīng)能譜分析結(jié)果顯示，區(qū)域1 物質(zhì)主要組成為Ca 和S 元素，從Ca 和S 元素質(zhì)量上分析，主要是以CaSO4和其他含鈣鹽類存在，高嶺土的主要成分為Al2Si2O5（OH）4，而飛灰中CaSO4含量極低，CaSO4極可能是由反應(yīng)生成，具體過程為：高嶺土與生物質(zhì)燃料（主要桉樹皮）混合燃燒時與氣態(tài)KCl 發(fā)生以下反應(yīng)：

Al2Si2O5（OH）4＋2SiO2＋2KCl（g）→2KAlSi2O6＋H2O＋2HCl（g）

Al2Si2O5（OH）4＋2KCl（g）→2KAlSiO4＋H2O＋2HCl（g）

從而產(chǎn)生大量HCl，并與飛灰主要成分CaCO3發(fā)生反應(yīng)：

圖3 沉積物在不同時段下的掃描電鏡形貌

CaCO3+2HCl（g）→CaCl2+CO2（g）+H2O

使飛灰中含有一定量的CaCl2，其低熔點的特性使其易于粘附在管壁上，超過熱泳作用沉積在壁面的其他飛灰小顆粒成為沉積的主要成分，并與煙氣中SO2緩慢反應(yīng)生成CaSO4。試驗分別對試驗進行1 h，2 h，5 h，15 h 采集沉積樣品進行能譜分析，分析結(jié)果見表5 和表6，結(jié)果顯示隨著試驗時間推移沉積物以CaSO4含量為主，而堿金屬氯化物（KCl 和NaCl）含量增長到一定程度不再發(fā)生明顯變化，分析受熱面沉積已發(fā)展到成熟階段。

與空白試驗工況對比，添加高嶺土的的試驗沉積物中CaSO4含量大幅上升，KCl 的含量大幅下降，試驗結(jié)果顯示添加高嶺土能有效減少沉積物中的K 和Cl 元素含量，可以有效減緩高溫受熱面沉積腐蝕，如表7 所示。

1 天的沉積中，S，Cl，Ca 的含量均較高，沉積的主要成分應(yīng)該為CaSO4和CaCl2，CaCl2含量明顯高于之前的沉積。其原因可能是鍋爐運行過程中工況波動等因素導(dǎo)致高過區(qū)域呈現(xiàn)還原性氣氛（比如煙氣中O2含量偏低），CaCl2生成CaSO4的速率減小。第2 天及第4 天沉積的能譜結(jié)果顯示，其成分仍為CaSO4。顯然此時的沉積仍為發(fā)展成熟，如圖4 所示。

圖4 沉積物在不同時段下的掃描電鏡形貌

2.3 高嶺土經(jīng)濟添加量試驗分析

為研究高嶺土抑制腐蝕的有效添加量，試驗從0.15 t/h 開始，以不同的梯度量逐級增加高嶺土，試驗共進行6 個工況，通過采集探槍表面沉積樣品進行能譜分析，如圖5 所示，試驗結(jié)果表明，隨著高嶺土添加量的增加，沉積中KCl 的含量逐漸下降。在添加量大于0.45 t/h 后，KCl 含量低于20%，而0.45 t/h 高嶺土添加量后繼續(xù)加大添加量，KCl 含量減少幅度放緩，由此可見，0.45 t/h 的添加量是一個較為有效且經(jīng)濟的高嶺土添加量。

表5 沉積樣品能譜分析結(jié)果（區(qū)域1） %

表6 沉積樣品能譜分析結(jié)果（區(qū)域2） %

表7 沉積樣品能譜分析結(jié)果（高嶺土梯度添加量） %

圖5 高嶺土梯度添加量與KCl 含量關(guān)系圖

3 結(jié)論

（1）通過添加高嶺土研究抑制生物質(zhì)CFB 鍋爐高溫受熱面腐蝕特性，試驗結(jié)果表明：添加高嶺土后，試驗沉積物中CaSO4含量大幅上升，KCl的含量大幅下降，可見添加高嶺土能有效減少生物質(zhì)CFB 鍋爐高溫受熱面沉積物中的K 和Cl 元素含量，可以有效減緩高溫受熱面沉積腐蝕。

（2）通過高嶺土經(jīng)濟添加量試驗研究，試驗結(jié)果表明：隨著高嶺土添加量的增加，沉積中KCl 的含量逐漸下降，在添加量大于0.45 t/h 后，KCl 含量低于20%，而0.45 t/h 高嶺土添加量后繼續(xù)加大添加量，KCl 含量減少幅度放緩。由此可見，0.45 t/h 的高嶺土添加量是一個較為經(jīng)濟有效的添加量。