生物质循环流化床锅炉掺烧防腐蚀剂的试验研究*

宋景慧，谭 巍

（1. 广东电网公司电力科学研究院，广州 510080；2. 深圳市能源环保有限公司，深圳 518052）

生物质循环流化床锅炉掺烧防腐蚀剂的试验研究*

宋景慧1，谭 巍2†

（1. 广东电网公司电力科学研究院，广州 510080；2. 深圳市能源环保有限公司，深圳 518052）

在亚洲最大的50 MW生物质循环流化床直燃锅炉上进行了掺烧防腐蚀剂的燃烧试验，防腐蚀剂采用多孔膜结构，主要成分是MgO、高岭土、活性Al2O3和发泡剂，试验结果表明：掺烧防腐蚀剂不会降低锅炉热效率，且能够有效地降低飞灰中K、Cl元素的含量，将其固留在炉渣中。当防腐蚀剂添加量占总燃料质量的3%时，飞灰中的K元素含量由7.62%下降为5.69%，Cl元素含量由3.86%下降为2.35%；而炉渣中的K元素含量由4.03%上升为4.71%，Cl元素含量由756.58 mg/kg上升为1 121.31 mg/kg；同时烟气中的HCl排放量由25 mg/Nm3下降为15 mg/Nm3，NO含量由268 mg/Nm3上升为309 mg/Nm3。

生物质循环流化床；防腐蚀剂；钾；氯；污染物排放

0 引 言

生物质直燃发电是利用生物质能的主要方式之一，由于生物质燃料中 K、Na等碱金属元素和Cl元素含量较高，在纯生物质电厂可引起受热面腐蚀、结焦和积灰等问题[1-4]。研究表明，在生物质燃料中加添加剂是缓解这些问题的有效途径。刘洋等[5]对中国北方几座生物质电厂结焦腐蚀情况进行了分析，提出了向燃料中添加高岭土或掺烧高铝煤可缓解受热面腐蚀、结渣；马孝琴等[1]针对添加剂对秸秆燃烧过程中碱金属行为的影响进行了试验，结果表明，采用高岭土、燃煤飞灰等添加剂可以减少沉积物中水溶性含K、Cl元素化合物的含量，进而减轻秸秆燃烧过程中的腐蚀和结渣现象。但上述研究都只针对单一的添加剂，且未在工程实践中进行应用。

广东湛江生物质发电项目（2 × 50 MW）为亚洲最大的生物质发电项目，采用由华西能源工业股份有限公司生产的 HX220/9.8-IV1型循环流化床直燃锅炉，锅炉在运行几个月后，受热面（屏式过热器、高温过热器）腐蚀严重，检查发现受热面表面依附了一层沉积物，并有分层剥离的现象，利用 EDAX Apollo X电制冷能谱仪对外壁剥落下的腐蚀产物进行了微区成分分析，其成分以Ca、Si、K、Cl、S、P、O元素为主，其中Cl-离子平均含量超过3 wt%，局部高达10.99 wt%，分析表明，该腐蚀主要与气态HCl和碱性氯化物有关[6]。为探究缓解腐蚀的方法，本文在湛江生物质电厂 2# 炉进行了掺烧防腐蚀剂的燃烧试验，并分析了防腐蚀剂对锅炉效率、污染物排放、飞灰和炉渣中K、Cl元素含量的影响。

1 试验部分

1.1 实验物料

试验中燃料主要为桉树砍伐加工产生的树皮、枝叶、木材、家具加工产生的废料（如边角料、木段、刨花、锯末、碎木板）以及当地农业生产废弃物，具体成分为70%树皮 + 30%其他（树碎、花生壳、三级板等），燃料工业分析和元素分析见表1。

表1 燃料的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuel

防腐蚀剂为多孔膜结构（如图1所示），主要成分是MgO、高岭土、活性Al2O3和发泡剂，MgO、高岭土和活性 Al2O3这三种组分的质量百分含量分别为20%～60%、25%～65%和15%～30%，发泡剂在整个防腐蚀剂中的质量百分含量为20%～50%[7]。

图1 防腐蚀剂Fig. 1 Anticorrosive agent

1.2 试验装置

广东粤电湛江生物质发电厂循环流化床锅炉主要技术特征为：高温高压参数、单锅筒、自然循环、单炉膛、平衡通风、露天布置、固态排渣、钢架双排柱悬吊结构（如图2所示），锅炉主要由一个膜式水冷壁炉膛、两台旋风分离器和一个汽冷包覆的尾部竖井三部分组成。给料系统包括四台给料装置，全部置于炉前，在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置，燃料由播料风送入炉膛，燃烧产生的烟气携带大量床料经炉顶转向，通过位于后墙水冷壁外弯与包墙管形成的水平烟道烟气出口，分别进入两个上排气涡壳式绝热旋风分离器进行气-固分离，分离后含少量飞灰的干净烟气由分离器中心筒引出通过前包墙拉稀管进入尾部竖井，对布置在其中的低温过热器、省煤器及空气预热器放热，到锅炉尾部出口时，烟温已降至140℃左右，被分离器捕集下来的灰，通过分离器下部的立管和返料装置送回炉膛实现循环燃烧。

试验采用崂应-3012H型自动烟尘（气）测试仪对飞灰进行等速取样，飞灰取样点在尾部空预器出口烟道上第一排孔；同时采用傅里叶红外气体分析仪（型号FTIR Dx4000）和MRU烟气分析仪（型号VARIO PLUS）对烟气成分进行在线检测，每1 min对NOx、CO、HCl、O2等进行一次测定，烟气成分浓度均换算成烟气含氧量6%条件下的值。

图2 220 t/h生物质循环流化床锅炉示意图Fig. 2 Schematic diagram of 220 t/h biomass-fired circulating fluidized bed

1.3 试验工况

本文共进行了两种工况下的试验，工况1为掺烧防腐蚀剂前锅炉运行工况，工况2为掺烧防腐蚀剂工况，试验时机组负荷为50 MW，排烟氧含量为4.0%左右，防腐蚀剂掺烧量占总燃料质量的3%，通过二级螺旋给料机送入炉内，整个添加过程历时1 h，测试时间为4 h，总添加量为2 t。

2 试验结果和分析

2.1 防腐蚀剂对锅炉效率的影响

试验参照GB10184-1988《电站锅炉性能试验规程》和DL/T964-2005《循环流化床锅炉性能试验规程》采用反平衡法计算锅炉效率，试验测量和计算结果见表2。

表2 锅炉性能试验测试结果Table 2 Measurement results of the performance tests

由表2可知，该机组锅炉热效率约为86.7%，相比于燃煤锅炉，生物质锅炉热效率普遍偏低，排烟热损失（q2）和气体未完全燃烧热损失（q3）相对较大，在实验过程中发现，烟气中CO含量在（10～9 000）mg/Nm3之间频繁波动，分析其主要原因应与生物质燃料物性有关。生物质燃料挥发分含量高，固定碳含量少，热值偏低，燃尽时间较短，其放热集中在燃烧前期。在燃烧初期，挥发分大量析出，析出量大、时间短，再加上给料系统的不稳定性，实际燃料水分远高于设计值等因素的影响，导致了炉内燃烧波动大，气体未完全燃烧热损失偏大。对比掺烧防腐蚀剂前、后锅炉热效率，变化量很小，在正常波动范围内。由图1可知，防腐蚀剂为柱形颗粒状，单粒质量为0.5～3 g，熔点为1 600℃，在炉内相当于床料的作用，在炉内随床料一起循环，然后随炉渣排出炉外，其机械强度较大，对炉内燃烧情况影响很小。

2.2 防腐蚀剂对飞灰和炉渣中的K、Cl元素含量的影响

在生物质燃料的燃烧产物中，K元素的主要存在形式为KCl和KOH，Cl元素主要存在形式为HCl和KCl[8]，研究表明，生物质锅炉受热面腐蚀等运行问题均与飞灰中K、Cl元素含量和形态密切相关；灰中碱金属化合物与其它非金属氧化物形成低温共熔体是引起聚团和烧结的主要原因，沉积在受热面表面的碱金属化合物会引起受热面腐蚀，而 Cl可穿透金属表面的保护性氧化膜，对腐蚀具有催化作用[9,10]，图3和图4分别为掺烧防腐蚀剂前、后飞灰和炉渣中K、Cl元素的含量。

图3 防腐蚀剂对飞灰和炉渣中K元素含量的影响Fig. 3 Effect of anticorrosive agent on mass percentage of K in fly ash and furnace slag

图4 防腐蚀剂对飞灰和炉渣中Cl元素含量的影响Fig. 4 Effect of anticorrosive agent on mass percentage of Cl in flue ash and furnace slag

由图3、图4可知，在燃料中掺烧3%的防腐蚀剂后，飞灰中的K元素含量由7.62%降低为5.69%，而炉渣中的K含量由4.03%上升为4.71%；飞灰中的Cl元素含量由3.86%降低为2.35%，而炉渣中的Cl元素含量由756.58 mg/kg上升为1 121.31 mg/kg。研究表明，高岭土和气态KCl能发生如下反应[1,2]：

由反应式（1）和（2）可知，燃料燃烧生成的KCl与高岭土反应后生成高熔点的 KAlSiO4和KAlSi3O8滞留在炉渣中，同时，Al2O3比SiO2更容易与碱金属反应生成高熔点的化合物，对烧结具有一定的抑制作用[11]。由于防腐蚀剂采用多膜结构，且孔隙率和比表面积都较大，能够增大其与燃烧产物的反应面积，在燃烧过程中很容易将K、Cl元素吸附在炉渣中。

2.3 防腐蚀剂对污染物排放的影响

生物质燃料中Cl元素含量较高，燃料燃烧过程中，Cl元素的主要析出形式为HCl和碱金属氯化物，HCl是一种腐蚀性较强的酸性气体，容易对锅炉受热面和尾部烟道造成腐蚀，排入大气中会对人体健康造成严重危害。图5为烟气中HCl排放量随时间变化的曲线图，横坐标零点代表开始添加防腐蚀剂时刻，整个添加过程历时1 h。从图中可以看出，加入防腐蚀剂后，烟气中HCl含量迅速下降，分析其主要原因是防腐蚀剂中的MgO和Al2O3对HCl具有吸收作用，其反应如下：

在整个实验过程中，烟气中HCl排放率呈现为先减少后增加再减少的规律，其排放量变化曲线基本反应了防腐蚀剂对飞灰中 K、Cl元素的吸收过程。在实验前60 min，随着防腐蚀剂的加入，烟气中HCl排放量持续降低，由初始纯生物质燃烧时的25 mg/Nm3下降到了15 mg/Nm3，由反应式（1）～（4）可知，在这过程中，既发生了MgO和Al2O3对HCl的吸收反应，也有高岭土与KCl反应生成HCl，同时防腐蚀剂的多孔膜结构对于 HCl也有吸附作用。当停止添加防腐蚀剂15 min后，也就是掺烧实验进行了75 min时，HCl排放量开始增大，分析其原因是防腐蚀剂中的MgO和Al2O3含量减少，其对HCl吸收作用减弱，当停止添加防腐蚀剂40 min后，恢复到了纯生物质燃烧时的排放量，其后排放量仍继续升高，分析其原因是此时防腐蚀剂仍含有一定的高岭土，其与KCl反应生成HCl，当停止添加防腐蚀剂150 min后，HCl排放量与纯生物质燃烧时相同且波动较少，此时防腐蚀剂中高岭土应已完全消耗。

图5 防腐蚀剂对HCl排放量的影响Fig. 5 Effect of anticorrosive agent on HCl emission

图6为掺烧防腐蚀剂前、后烟气中NO的排放量，生物质燃烧生成的NOx主要为NO，加入防腐蚀剂后，NO排放量有一定的增加，分析其可能的原因是防腐蚀剂抑制了[K]对燃烧过程中焦炭还原NO的催化作用，其反应如下[12]：

防腐蚀剂中的高岭土与 KCl反应生成了KAlSiO4和KAlSi3O6固留在炉渣中，减少了飞灰中的K元素，抑制了焦炭和CO对NO的还原作用。添加防腐蚀剂后 NO排放量由 268 mg/Nm3增加到 309 mg/Nm3，低于现行国家污染物排放标准（400 mg/Nm3），但远高于2014年7月将执行的新标准（200 mg/Nm3）。

图6 防腐蚀剂对NO排放量的影响Fig. 6 Effect of anticorrosive agent on NO emission

3 结 论

（1）对比掺烧防腐蚀剂前、后锅炉各项热损失和锅炉热效率可知，掺烧防腐剂不会降低锅炉效率。

（2）掺烧防腐蚀剂能够有效地降低飞灰中K、Cl元素含量，将其固留在炉渣中；由于防腐蚀剂采用多膜结构，且孔隙率和比表面积都较大，能够增大其与燃烧产物的反应面积，在燃烧过程中很容易将K、Cl吸附在灰渣中；当防腐蚀剂添加量占总燃料质量的3%时，飞灰中的K元素含量由7.62%下降为5.69%，Cl元素含量由3.86%下降为2.35%。而炉渣中的K元素含量由4.03%上升为4.71%，Cl元素含量由756.58 mg/kg上升为1 121.31 mg/kg。

（3）掺烧防腐剂后，烟气中HCl的排放量由纯生物质燃烧时的25 mg/Nm3下降为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，工学硕士，教授级高级工程师，主要从事电站调试、试验和科研等方面的工作。

2014-04-14

2014-05-14

† 通信作者：谭 巍，E-mail：tanwei6220@163.com

谭 巍（1986-），男，工学硕士，主要从事生物质燃烧特性的研究。