生物质秸秆锅炉受热面积灰沉积物分析

张小辉，王启民，宗　晨

(沈阳工程学院 a.教务处；b.科技处；c.研究生院，辽宁 沈阳 110136)



生物质秸秆锅炉受热面积灰沉积物分析

张小辉a，王启民b，宗晨c

(沈阳工程学院 a.教务处；b.科技处；c.研究生院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：以玉米秸杆为研究对象，对其燃料特性进行分析，分析了其中Cl、S及碱金属K、Na等元素的含量，探讨了其在锅炉内燃烧时的化学反应过程，同时分析了燃料燃烧时，在锅炉受热面上所形成的积灰沉积物的成分组成。结果表明，玉米秸秆在炉内燃烧时，在受热面上所形成的积灰沉积物的成分主要为KCl、NaCl和K2SO4、Na2SO4。

关键词：生物质秸秆；锅炉受热面；沉积腐蚀

生物质秸秆燃料中的易挥发性物质在高温条件下容易挥发成气相，与烟气、飞灰在燃烧受热面上会发生一系列复杂的气、固相物理化学反应，最终凝结、沉降、粘附于受热面管壁上而形成的积灰是生物质秸秆燃料燃烧时存在的一个非常棘手的问题[1]。燃烧成灰已成为生物质秸秆燃料热利用的一个重要影响因素，其特性与生物质秸秆锅炉受热面积灰、腐蚀及磨损的严重程度密切相关[2-6]。

1秸秆成分分析

以沈阳市周边种植的玉米秸秆为例，将采集来的玉米秸秆原料破碎加工成分析试样，以分析其中Cl、S、K、Na的含量。采集来的玉米秸秆燃料的工业成分和元素分析等结果如表1和表2所示。

表1　生物质秸秆的工业分析　%

生物质秸秆燃料中K、Na含量相对较高，K含量一般在10～20 mg/g，Na含量一般在0.1～1.5 mg/g，比K要低1～2个数量级。

表2　生物质秸秆元素分析　%

2秸秆燃烧化学反应过程分析

生物质秸秆燃料在炉内燃烧时，在受热面上形成积灰的组分与秸秆燃烧产生的气相挥发分、烟气和飞灰有关，而气相挥发分、烟气和飞灰的组成成分主要来源于秸秆内所含主要元素的物理化学变化，所以，探析生物质秸秆燃烧过程中其所含主要元素迁移析出规律是必要的。根据生物质秸秆燃料中Cl、S和碱金属K、Na等元素的含量和其赋存形态，分析其中主要元素在其燃烧时迁移析出规律[7-12]。

1)当生物质秸秆燃烧温度低于577 ℃时，K元素主要以KCl和K2SO4两种固相组元形式存在，而Na元素则主要以Na2Ca3Si6O16固相组元形式存在，同时伴有少量的NaCl固相组元形式。该在条件下的燃烧过程中，可能发生的理化反应有：有机S氧化分解生成气相的SO2，固相KCl部分反应生成气相的HCl，所以会有SO2和HCl两种气相组元存在。

2)当生物质秸秆燃烧温度达到577 ℃时，开始有固相组元KCl和NaCl生成。随着温度上升，固相组元KCl和NaCl的含量开始增加，同时，开始出现气相组元KOH和NaOH以及K+和Na+的组元，并伴有固相组元K2SO4存在。

3)当生物质秸秆燃烧温度达到1 027 ℃时，开始产生K2SO4和Na2SO4两个固相组元，同时，气相组元NaOH增加，气相组元NaCl减少。

4)由于元素Ca和Si属于不挥发性元素，则会形成稳定的化合物，并以固态形式存在于底灰中。

发生的主要化学反应如下(A代表K元素或Na元素)：

S(有机硫)+O2→SO2(气)

(1)

ACl(气)+H2O(气)→AOH(气)+HCl(气)

(2)

4ACl(气)+2H2O(气)+2SO2(气)+O2(气)→2A2SO4(气)+2HCl(气)

(3)

4AOH(气)+2SO2(气)+O2(气)→2A2SO4(气)+2H2O(气)

(4)

A2SO4(气)+H2O(气)→2AOH(气)+SO3(气)

(5)

3积灰沉积物分析

根据生物质秸秆灰特性分析，结合其元素迁移、析出的温度条件和秸秆锅炉炉内燃烧温度场分析，进一步探讨生物质秸秆炉内燃烧产物气态物质的组成及炉内存在情况。

K的固态组元化合物(KCl或K2SO4)以及Na的复杂盐(Na2Ca3Si6O16)主要存在于炉排附近位置，K、Na的气相组元物质主要存在于炉膛中间，而KCl、NaCl、SO2以及可能存在的少量K2SO4、Na2SO4气态物质主要存在于靠近锅炉受热面的A区域，如图1所示。飞灰中的KCl(气相)和NaCl(气相)以及少量的K2SO4(气相)和Na2SO4(气相)流经燃烧区域A的受热面管束时，会在管壁上聚集，形成沉积物。同时，文献[14-16]也证实了KCl、NaCl 和少量的K2SO4、Na2SO4为生物质秸秆锅炉受热面管壁的主要沉积物质，并且有研究结果表明，如果燃料中有一定的S燃烧产生SO2或者SO3，沉积在受热面管壁上的碱金属氯化物(KCl和NaCl)在高温条件下也会硫酸盐化，在沉积层中产生K2SO4、Na2SO4等物质。由此可知，生物质秸秆锅炉受热面积灰沉积物主要由KCl、NaCl和K2SO4、Na2SO4化合物盐组成。

图1　炉内主要飞灰区域分布

以省内某玉米秸秆燃料锅炉上截取下来的腐蚀管件壁面为例，验证上述理论分析结果。腐蚀管截取自于炉内烟气温度850～950 ℃燃烧区域。沉积腐蚀产物层的元素分析结果如表3所示。由表3可知，腐蚀沉积产物层的内层主要是Fe元素，碱金属K、Na含量较少，Cl元素含量也较少，同时夹杂了部分Si、Al、Mg和Ca等元素。腐蚀沉积产物中间层中富集K、Na、Cl、S等元素，而Fe元素的含量反而大幅度降低，并且Si、Al、Mg和Ca等元素含量略有增加。腐蚀沉积产物最外层则富含Si、Al、Mg和Ca等元素，碱金属K、Na和Cl、S等元素含量则明显减少。

各层腐蚀沉积物的XRD分析结果如表4所示，为进一步分析检测腐蚀沉积物中化合物赋存形态提供了依据。由表4可知，在沉积腐蚀产物内层中检测到了K2SO4物质，并且未发现KCl、NaCl和Na2SO4三种物质，可推测该层中的Cl元素由于腐蚀反应而挥发掉，致使Cl元素含量太低，XRD无法检测到KCl的存在；同时，因为秸秆燃料中Na元素含量比较低，致使XRD检测不到Na2SO4和NaCl等含Na元素的物质存在。在沉积腐蚀产物中间层，由于Na元素含量过少，生成的Na2SO4又与K元素反应生成了K3Na(SO4)2，使得Na2SO4的余量更少，所以只能检测到KCl、NaCl、K2SO4和K3Na(SO4)2四种物质，未发现Na2SO4存在。在沉积腐蚀产物外层检测发现的主要物质为KCl、SiO2和CaSO4。

表3　沉积腐蚀物SQX分析

表4　沉积腐蚀物XRD分析

通过上述分析可知，在烟气温度为850～950 ℃(1 100 K左右)时，秸秆燃料燃烧的积灰沉积物组分的理论分析结果与实际检测结果基本一致，均为KCl、NaCl、K2SO4和Na2SO4。

4结论

1)通过生物质秸秆燃烧过程中其主要元素迁移析出的规律，得出了主要燃烧化学反应过程。

2)根据对秸秆燃料中碱金属K、Na以及S、Cl等元素的成分分析，结合秸秆燃料燃烧特性，发现秸秆燃料燃烧时的主要飞灰产物为碱金属氯化物(KCl和NaCl)。

3)将实际秸秆锅炉炉内腐蚀管的沉积腐蚀物的XRD检测分析结果与理论分析对比，确定了KCl、NaCl、K2SO4和Na2SO4为秸秆燃烧积灰沉积物的主要组成物质。

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(责任编辑张凯校对佟金锴)

Analysis on Ash Deposition of Heating Surface in a Biomass Straw Boiler

ZHANG Xiao-huia,WANG Qi-minb,ZONG Chenc

(a.Academic Affair Office;b.Science and Technology Office;c.Graduate Department,

Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Based on the analysis of the fuel properties and the content of the Cl,S and alkalis such as K,Na in corn straw,the chemical reaction was studied when it burned in boiler.Meanwhile the composition of fly ash deposits sediments on heating surface of straw fuel boiler was analyzed.Results showed that KCl、NaCl、K2SO4and Na2SO4are the main depositional mediums.

Key words：Biomass (straw);Heating surface of boiler;Deposit corrosion

作者简介：张小辉 (1972-)，男，吉林乾安人，副教授，博士，主要从事金属材料防腐及生物质能利用技术方面的研究。

基金项目：辽宁省教育厅科技研究项目资助(L2012469)

收稿日期：2014-07-18

中图分类号：TK6

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)02-0119-04

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.006