生物质锅炉中碱金属氯化物迁移规律及对炉内结焦的影响

张宏亮 赵 莹 程桂石 董长青 李 薇(.广东电网有限责任公司电力科学研究院 广州 50600)(.华北电力大学 北京 006)

生物质锅炉中碱金属氯化物迁移规律及对炉内结焦的影响

张宏亮1赵 莹2程桂石2董长青2李 薇2
(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院 广州 510600)(2.华北电力大学 北京 102206)

生物质能是一种分布广、资源丰富的可再生能源。然而，这些生物质中碱金属元素含量普遍较高，在燃烧利用过程中碱金属容易与其它成灰元素（如氯、硅）发生化学反应，生成低熔点的物质而造成锅炉受热面结渣，影响锅炉运行的安全性和经济性。本文选用稻草秸秆作为研究对象，利用化学平衡软件FactSage中平衡模块EQUILIB对稻草秸秆燃烧过程进行热力学模拟。计算过程考虑了燃烧温度、炉内压力、过量空气系数、燃料中硫元素的含量和氯元素含量五个因素对碱金属氯化物迁移及锅炉结渣的影响，为工程应用中解决生物质锅炉结焦问题提供了参考。

生物质 碱金属氯化物 迁移 结焦

生物质是继煤、石油、天然气后的第四位能源，其贡献占全世界一次能源消费的14%，且生物质能具有二氧化碳近零排放的特点，所以充分开发和利用生物质资源对缓解能源供应紧张问题和减少温室气体排放等具有重要意义[1-3]。但大多数生物质锅炉在运行过程中均会出现以下两种问题[4-10]：一是燃烧过程中，生物质中含有的碱金属以气态的形式析出，如KCl(g)，NaCl(g)，KOH(g)等，这些气态产物在换热器表面上被冷却，形成粘稠的熔融态物质粘附在受热面上，并继续捕集烟气中的固体颗粒，形成聚团和结渣；二是燃烧过程释放的HCl气体对换热器金属表面造成腐蚀，降低设备的使用寿命。其中较为严重的还是由碱金属元素引起的聚团和结渣问题。

本文选用的生物质原料为稻草秸秆，通过热力学平衡计算分析生物质燃烧过程中碱金属氯化物迁移规律及对锅炉结渣的影响。

1 原料及热平衡计算方法

1.1原料

本实验选用河北某地区的稻草秸秆作为原料，采用MACRO cube CHNSO元素分析仪测定样品中碳、氢、氧、氮、硫元素含量，采用5E-FLD2100型氟氯测定仪测定样品中氯元素的含量，采用240FS AA型原子吸收光谱仪测定样品中钾、钠、钙、镁、硅的含量。其工业分析和元素分析见表1、表2。

表1 稻草中各元素含量/%

表2 稻草工业分析结果/%

1.2 热平衡计算方法

生物质燃烧过程属于多相多组分体系的化学反应过程，一般认为这个过程处于化学平衡状态。在一定的温度、压力和生物质燃料反应物的条件下，整个热反应体系中各个组分均处于准热力学平衡状态，并且各组分的质量或浓度均保持不变，因此可以分析此时反应产物中各化合物的形态转化及分布。本文采用化学热力学平衡软件FactSage中平衡模块EQUILIB对生物质燃烧过程中碱金属氯化物析出过程进行热力学模拟，并分析碱金属氯化物的析出迁移对锅炉结渣的影响。

考虑稻草秸秆原料中C、H、O、N、S、K、Na、Si、Ca、Mg和Cl共11种初始元素，元素含量见表2。输入系统1kg稻草中各元素的摩尔量（见表3）。选定模拟的燃烧情况初始条件为O2/N2燃烧气氛，其中氧浓度为21%。所需理论空气量通过V0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.033Oar计算得出。

表3 1kg稻草秸秆中各元素的含量/mol

2 结果与分析

2.1温度对碱金属氯化物迁移和炉内结焦的影响

如图1所示，气态氯化钾与气态氯化钠生成量的变化规律一致，并且其中KCl(g)的生成量大约是NaCl(g)生成量的10倍，这是由于本身稻草原料中钾的含量就高于钠5倍左右。温度在500～700℃范围内时，K和Na以气态氯化物形式析出较为缓慢，而温度高于700℃以后，KCl(g)和NaCl(g)的生成量随着温度的升高急剧增大，说明温度高于700℃时，碱金属元素很容易以氯化物的形式析出进入气相。图2中的曲线也表明了在高温下熔融态KCl和NaCl的生成量降低，说明随温度升高KCl和NaCl更容易析出进入气相。以气态形式析出的碱金属氯化物随烟气逐渐被冷却，便容易凝结并粘附在换热器表面上，最终造成严重的结渣。

图1 气态碱金属氯化物的生成量随温度变化规律（过量空气系数1.2，1标准大气压）

图2 熔融态碱金属氯化物的生成量随温度变化规律（过量空气系数1.2，1标准大气压）

2.2 过量空气系数对碱金属氯化物迁移和炉内结焦的影响

由图3和图4可以看出，随着过量空气系数的增大，气态KCl和熔融态KCl的生成量逐渐减少，说明增大O2浓度可以抑制KCl的生成；而气态NaCl和熔融态NaCl的生成量随着过量空气系数的增大而逐渐增大，这与氯化钾的变化趋势恰好相反。由于气态KCl和熔融态KCl的减少量比气态NaCl和熔融态NaCl增加量大，因此熔融态物质的生成总量随过量空气系数的增大有所减少，这对缓解生物质锅炉结渣能起到积极的作用。

图3 气态碱金属氯化物的生成量随过量空气系数变化规律（700℃，1标准大气压）

图4 熔融态碱金属氯化物的生成量随过量空气系数变化规律（700℃，1标准大气压）

2.3 压力对碱金属氯化物迁移和炉内结焦的影响

图5表示，在0～0.2MPa范围内，随着压力的增加，生成气态KCl和NaCl的量迅速降低，在此范围内增大压力可以有效地抑制碱金属元素气相析出。在0.2～2MPa范围内生成的气态碱金属氯化物几乎为0，其迁移转化规律受压力的影响不大。图6表示，在0～0.2MPa范围内，随着压力的增加，熔融态KCl的生成量急剧增大，当压力达到0.5MPa以上时，稻草燃烧过程生成的熔融态KCl的量不再随压力的变化而变化。在0～2MPa范围内，压力的变化对熔融态NaCl的生成量影响不大。由此可以看出，压力的升高使熔融态碱金属氯化物的生成量增加，促进低熔点共熔体的生成，形成炉内结焦。

图5 气态碱金属氯化物的生成量随压力变化规律（700℃，过量空气系数1.2）

图6 熔融态碱金属氯化物的生成量随压力变化规律（700℃，过量空气系数1.2）

2.4 硫元素含量对碱金属氯化物迁移和炉内结焦的影响

图7和图8表明，气态碱金属氯化物和熔融态碱金属氯化物的生成量变化趋势一致，均为随燃料中S含量的增大而减小。说明增大燃料中S元素的含量可以抑制碱金属氯化物的生成，这可能是由于随着S元素含量的增加，碱金属元素更多地与S反应生成了不同状态的碱金属硫酸盐，从而导致生成的氯化物减少。

图7 气态碱金属氯化物的生成量随燃料中硫含量变化规律（700℃，过量空气系数1.2，1标准大气压）

图8 熔融态碱金属氯化物的生成量随燃料中硫含量变化规律（700℃，过量空气系数1.2，1标准大气压）

2.5 氯元素含量对碱金属氯化物迁移和炉内结焦的影响

由图9(a)可知，随着燃料中Cl含量的增大，气态KCl的生成量均不断增大，由图9(b)可知，增大Cl元素的含量气态NaCl的生成量均呈先增大后减小的变化趋势，气态碱金属氯化物总生成量随着燃料中Cl含量的增大而增加。因此，在一定范围内，增大燃料中的Cl元素含量能够促进碱金属元素以氯化物的形式析出进入气相。由图10可知，随着燃料中Cl元素含量的变化，熔融态碱金属氯化物生成量的变化趋势与气态碱金属氯化物一样。因此，增大燃料中的Cl元素含量能够促进熔融态碱金属氯化物的生成，加剧了炉内结焦的产生。

图9 气态碱金属氯化物的生成量随燃料中氯含量变化规律（700℃，过量空气系数1.2，1标准大气压）

图10熔融态碱金属氯化物的生成量随燃料中氯含量变化规律（700℃，过量空气系数1.2，1标准大气压）

3 结论

本文利用FactSage软件对稻草秸秆燃烧过程进行了反应热平衡计算，得出了燃烧温度、炉内压力、过量空气系数、燃料中硫元素的含量和氯元素含量五个因素对碱金属迁移及锅炉结渣特性的影响，为分析由碱金属引起的生物质锅炉受热面结渣问题提供了理论依据。

1）温度的升高，使碱金属氯化物更容易向气相中析出，促进了碱金属氯化物凝结并粘附在换热器表面上，最终造成严重的结渣。

2）过量空气系数的增大，降低了气态碱金属氯化物和熔融态碱金属氯化物的生成总量，这对缓解生物质锅炉结渣能起到积极的作用。

3）压力的增加，可以有效地抑制碱金属氯化物的气相析出，促进熔融态KCl的生成，炉内灰渣更容易生成低熔点共熔体，形成炉内结焦。

4）气态碱金属氯化物和熔融态碱金属氯化物随燃料中S含量的增大而减小。

5）一定范围内增大燃料中的Cl元素含量能够促进熔融态碱金属氯化物的生成，加重生物质锅炉受热面的结焦腐蚀。

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Study on the Migration of Alkali Metal Chloride and the Influence to Agglomeration in Biomass Boiler

Zhang Hongliang1Zhao Ying2Cheng Guishi2Dong Changqing2Li Wei2
(1. Guangdong Power Gird Corporation Electric Power Research Institute Guangzhou 510600)
(2. North China Electric Power University Beijing 102206)

Biomass energy is a kind of renewable energy. These fuels with high alkali contents, would react with other ash forming elements (such as Cl, Si), form low-melt temperature materials and lead to ash sintering and slagging, which have affected the boiler operation safety and economy. In this paper, chemical equilibrium software Factsage is used to simulate the straw combustion process. The effects of combustion temperature, pressure, excess air coefficient, sulfur content and chlorine content on the migration of alkali metal chloride and the mechanism of agglomeration are considered. The results can provide guidance for solving the slagging during biomass combustion.

Biomass Alkali metal chloride Migration Slagging

X933.2

B

1673-257X(2015)12-0057-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.012

张宏亮（1971～)，男，硕士，高级工程师，从事动力燃料、新能源利用的研究工作。

2015-09-28）