王 準,華曉宇，胡 卿，裘立春，余春江

(1.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

75t/h生物質循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器沉積特性研究

王 準1,華曉宇1，胡 卿1，裘立春1，余春江2

(1.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

某生物質電廠循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器表面發(fā)生嚴重的沉積情況，對該電廠燃料進行了分析檢測，并研究高溫過熱器管束表面的沉積特性。研究發(fā)現(xiàn)該生物質燃料具有積灰結渣特性；沉積物具有明顯的分層結構，SEM和EDS以及XRD的測試結果表明，沉積物的主要元素為K、Na、Cl，各層的主要成分為KCl；KCl的存在是導致過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熱器表面沉積問題的關鍵。

生物質；高溫過熱器；沉積；堿金屬；燃料

0 引言

隨著經濟的快速增長，世界常規(guī)能源消費的日益增加，能源短缺和環(huán)境保護成為困擾人類社會發(fā)展的主要問題。生物質能，具有可再生和二氧化碳零排放等特點，逐漸成為清潔利用的新能源[1-4]。我國生物質資源豐富，利用清潔可再生的生物質能源對建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進我國經濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大的戰(zhàn)略意義[5-6]。

國內最主要的生物質能利用手段是直接燃燒發(fā)電，我國投產和在建的生物質電廠已有100多家，這些電廠主要采用爐排爐和循環(huán)流化床鍋爐。然而生物質燃料中含有大量的鉀、氯等無機雜質，在燃燒過程中常常會導致受熱面的沉積、腐蝕等問題，嚴重影響電廠鍋爐設備的安全性和穩(wěn)定性[7-18]。

本文針對國內某生物質循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器表面的沉積情況，通過收集并研究過熱器管束表面的沉積產物，探索過熱器表面沉積物形成過程和原因。

1 試驗部分

某生物質電廠2臺75t/h鍋爐，鍋爐型號為TG-75/9.8-T為高溫高壓、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風、半露天布置、鋼架單排柱懸吊結構、固態(tài)排渣，燃生物質循環(huán)流化床汽包爐。鍋爐的設計燃料為：40%木屑+30%竹屑+30%菌棒，設計水分30%，實際運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?shù)厣镔|燃料。近年來，由于燃料緊缺采用桉樹皮作為主要燃料。運行期間鍋爐內部高溫過熱器表面的沉積、腐蝕情況嚴重，影響機組的正常運行。

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

2 結果分析

2.1 燃料分析

該生物質電廠燃料的特性分析見表1，從表1可以看出，桉樹皮是一種低水分、高揮發(fā)分(揮發(fā)分高達81.56%)、低灰分、高發(fā)熱量的高品質生物質燃料。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，說明桉樹皮含有大量的堿金屬成分。對燃料中的K+，Ca+、Na+以及水溶性的Cl-、SO4-2等無機組分進行了測定，結果顯示燃料中的K、Cl含量偏高。

為了研究生物質燃料對過熱器表面沉積情況的影響，首先需要了解生物質燃料的結渣特性。目前，生物質燃料的結渣特性主要采用堿性指數(shù)來判斷。其計算公式為：

(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，%。

當堿性指數(shù)小于0.17時，不易發(fā)生結渣現(xiàn)象；當堿性指數(shù)為0.17～0.34時，結渣的可能性隨著指數(shù)的增加而提高；當堿性指數(shù)大于0.34時，則發(fā)生積灰結渣現(xiàn)象。該生物質電廠燃料的堿性指數(shù)大于0.34，會發(fā)生積灰結渣現(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的氣化，對積灰形成具有重要的作用。

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

2.2 沉積物宏觀形貌分析

高溫過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小的黃色顆粒物；中間層為沉積物的主體成分，其質地較為酥松，呈灰色并伴有大量的白色晶體；貼壁層呈黑色，較薄但質地相對于其他層堅硬。

表1 燃料的分析

項 目工業(yè)分析/%元素分析/%MarAarVarFCarCarHarNarSt,arQarQnet,ar/J·g-1桉樹皮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，通過掃描電鏡(SEM)一能譜(EDS)聯(lián)用對沉積物的三層結構進行分析。表3為沉積物三層結構的能譜分析結果，結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物。

2.4 沉積物XRD分析

為了進一步了解沉積物各層的化學成分，分別從各層刮取粉末并研磨制樣進行了XRD分析，并對比EDS的分析結果。XRD的分析結果顯示，過熱器表面的沉積物主要由KCl、NaCl、CaCO3、SiO2等物質組成，XRD的分析結果與EDS的分析結果相互印證。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出有Fe3O4的存在。

表3 沉積物外層、中間層、內層EDS分析結果 %

3 沉積的原因分析

生物質循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器表面的沉積生成是鍋爐本身設計、燃料特性及鍋爐運行條件共同作用的結果，其形成包含復雜的物理和化學過程。

該電廠運行的DCS數(shù)據(jù)顯示鍋爐的燃燒溫度為750℃，有學者研究發(fā)現(xiàn)，當爐內溫度大于700℃時，燃料中的K、Cl元素大量析出進入氣相并隨著煙氣流動。當煙氣流經高溫受熱面，由于受熱面表面溫度低于煙氣溫度，煙氣中的KCl結晶析出并在管壁上凝結形成初始沉積層。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的凝結作用降低。附著的含Si、Ca含量飛灰顆粒在高溫下與KCl反應形成復合硅酸鹽，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物與沉積物的結合。

4 結語

(1)高溫過熱器表面的沉積物具有明顯的分層結構，主要可分為內層、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的存在是導致過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熱器表面沉積問題的有效途徑。

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

[5]蔣大華,孫康泰,亓 偉,等.我國生物質發(fā)電產業(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.中國秸稈直燃發(fā)電技術現(xiàn)狀[J].化工進展,2010,29(zl):84-90.

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

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

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

[11]王學斌,張利孟,王新民,等.生物質燃燒設備受熱面結焦的機理研究[J].工程熱物理學報,2013(11):2189-2193.

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

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

[14]程偉良,王立成,李柏杰,等.生物質鍋爐中溫過熱器結渣機理研究[J].燃燒科學與技術,2014(5):401-405.

[15]秦建光,余春江,王勤輝,等.流化床秸稈燃燒技術研究與開發(fā)[J].水利電力機械,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鍋爐中的研究進展[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(4):60-62.

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

[18]張小輝,王啟明,宗 晨.生物質秸稈鍋爐受熱面積灰沉積物分析[J].沈陽工程學院學報,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(1989-)，男，浙江臺州人，工程師，主要從事火電廠技術服務工作。E-mail：95296749@qq.com