75t/h生物质循环流化床锅炉高温过热器沉积特性研究

王 准,华晓宇，胡 卿，裘立春，余春江

(1.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027)

75t/h生物质循环流化床锅炉高温过热器沉积特性研究

王 准1,华晓宇1，胡 卿1，裘立春1，余春江2

(1.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027)

某生物质电厂循环流化床锅炉高温过热器表面发生严重的沉积情况，对该电厂燃料进行了分析检测，并研究高温过热器管束表面的沉积特性。研究发现该生物质燃料具有积灰结渣特性；沉积物具有明显的分层结构，SEM和EDS以及XRD的测试结果表明，沉积物的主要元素为K、Na、Cl，各层的主要成分为KCl；KCl的存在是导致过热器管壁沉积的直接原因，减少燃料中的碱金属含量是解决高温过热器表面沉积问题的关键。

生物质；高温过热器；沉积；碱金属；燃料

0 引言

随着经济的快速增长，世界常规能源消费的日益增加，能源短缺和环境保护成为困扰人类社会发展的主要问题。生物质能，具有可再生和二氧化碳零排放等特点，逐渐成为清洁利用的新能源[1-4]。我国生物质资源丰富，利用清洁可再生的生物质能源对建立可持续发展的能源系统，促进我国经济发展和环境保护具有重大的战略意义[5-6]。

国内最主要的生物质能利用手段是直接燃烧发电，我国投产和在建的生物质电厂已有100多家，这些电厂主要采用炉排炉和循环流化床锅炉。然而生物质燃料中含有大量的钾、氯等无机杂质，在燃烧过程中常常会导致受热面的沉积、腐蚀等问题，严重影响电厂锅炉设备的安全性和稳定性[7-18]。

本文针对国内某生物质循环流化床锅炉高温过热器表面的沉积情况，通过收集并研究过热器管束表面的沉积产物，探索过热器表面沉积物形成过程和原因。

1 试验部分

某生物质电厂2台75t/h锅炉，锅炉型号为TG-75/9.8-T为高温高压、自然循环、单炉膛、平衡通风、半露天布置、钢架单排柱悬吊结构、固态排渣，燃生物质循环流化床汽包炉。锅炉的设计燃料为：40%木屑+30%竹屑+30%菌棒，设计水分30%，实际运行期间燃烧竹木加工废料、菌菇棒、林木枝条、稻杆和油菜杆等当地生物质燃料。近年来，由于燃料紧缺采用桉树皮作为主要燃料。运行期间锅炉内部高温过热器表面的沉积、腐蚀情况严重，影响机组的正常运行。

为了探索高温过热器表面沉积层的形成机理，从高温过热器管束截取一段沉积情况较为严重的锅炉管段，从其表面剥离出一块完整的沉积层进行分析。试验通过扫描电镜(SEM)观察沉积物的微观表面形貌，并耦合能谱(EDS)测量其表面的元素成分。为了确定沉积物的组成成分，试验采用X射线衍射仪对样品进行XRD分析。

2 结果分析

2.1 燃料分析

该生物质电厂燃料的特性分析见表1，从表1可以看出，桉树皮是一种低水分、高挥发分(挥发分高达81.56%)、低灰分、高发热量的高品质生物质燃料。表2是该燃料的灰成分分析，与稻草、木屑等常规生物质燃料相比，其灰中K2O、Na2O含量较高，其中K2O是稻草、木屑的3～6倍，说明桉树皮含有大量的碱金属成分。对燃料中的K+，Ca+、Na+以及水溶性的Cl-、SO4-2等无机组分进行了测定，结果显示燃料中的K、Cl含量偏高。

为了研究生物质燃料对过热器表面沉积情况的影响，首先需要了解生物质燃料的结渣特性。目前，生物质燃料的结渣特性主要采用碱性指数来判断。其计算公式为：

(1)

式中：Q为燃料在干燥基和定容下的高位发热量，GJ/kg；Yf为燃料中的灰分百分含量，%；YK2O，YNa2O为灰分中碱性氧化物的含量，%。

当碱性指数小于0.17时，不易发生结渣现象；当碱性指数为0.17～0.34时，结渣的可能性随着指数的增加而提高；当碱性指数大于0.34时，则发生积灰结渣现象。该生物质电厂燃料的碱性指数大于0.34，会发生积灰结渣现象。且燃料中的含有一定量的氯，以离子的形式存在，氯的存在影响高温下成灰物质的气化，对积灰形成具有重要的作用。

通过对该锅炉的燃料分析，初步可以判断其高温过热器表面严重的沉积情况与燃料中高含量的碱金属元素和氯有关。

2.2 沉积物宏观形貌分析

高温过热器管段剥离的沉积物，具有一定的硬度，其厚度最大处为1.5cm，最小处仅为0.5cm。观察沉积物可以发现，其具有明显的分层现象，大致可以分为外层、中间层和贴壁层。

沉淀物外层凹凸不平，有明显的熔融和被冲刷的痕迹，表面呈灰黑色并伴有细小的黄色颗粒物；中间层为沉积物的主体成分，其质地较为酥松，呈灰色并伴有大量的白色晶体；贴壁层呈黑色，较薄但质地相对于其他层坚硬。

表1 燃料的分析

项 目工业分析/%元素分析/%MarAarVarFCarCarHarNarSt,arQarQnet,ar/J·g-1桉树皮6.741.7981.5618.1145.745.090.210.0447.12160700

表2 燃料的灰成分分析 wB/%

2.3 沉积物微观形貌和能谱分析

为了研究沉积物的微观形貌和元素组成，通过扫描电镜(SEM)一能谱(EDS)联用对沉积物的三层结构进行分析。表3为沉积物三层结构的能谱分析结果，结果显示沉积物外层的元素组成主要是O、K、Ca、Na等元素,推断外层的主要成分为大量的生物质灰和金属氯化物。沉积物中间层层表面分布有大量的颗粒状晶体，中间层中的氯元素相对外层较高，该处K、Cl的含量分别为13.43%、12.5%，因此可以推断其沉积物中层附着的大量白色晶体为KCl。沉积物贴壁层表面也有明显的熔融，还发现有针刺状的铁的金属氧化物。由于与金属表面直接接触，沉积物的贴壁层的组成除了由灰和金属氯化物外，还包含管壁表面腐蚀后的金属产物。

2.4 沉积物XRD分析

为了进一步了解沉积物各层的化学成分，分别从各层刮取粉末并研磨制样进行了XRD分析，并对比EDS的分析结果。XRD的分析结果显示，过热器表面的沉积物主要由KCl、NaCl、CaCO3、SiO2等物质组成，XRD的分析结果与EDS的分析结果相互印证。沉积物各层均检出有大量的KCl存在，除此之外贴壁层还检测出有Fe3O4的存在。

表3 沉积物外层、中间层、内层EDS分析结果 %

3 沉积的原因分析

生物质循环流化床锅炉高温过热器表面的沉积生成是锅炉本身设计、燃料特性及锅炉运行条件共同作用的结果，其形成包含复杂的物理和化学过程。

该电厂运行的DCS数据显示锅炉的燃烧温度为750℃，有学者研究发现，当炉内温度大于700℃时，燃料中的K、Cl元素大量析出进入气相并随着烟气流动。当烟气流经高温受热面，由于受热面表面温度低于烟气温度，烟气中的KCl结晶析出并在管壁上凝结形成初始沉积层。初始沉积层处于熔融状态且具有粘附性，不断吸附烟气中的飞灰颗粒，使沉积层不断成长增厚。随着沉积层不断增加，沉积层表面的温度不断升高，KCl的凝结作用降低。附着的含Si、Ca含量飞灰颗粒在高温下与KCl反应形成复合硅酸盐，表面的粘性逐渐降低，沉积物捕获飞灰的能力也随之减弱，使沉积层逐渐趋于稳定。因此，该生物质电厂高温受热面的沉积物各层中均含有KCl，其外层所含的飞灰颗粒较多；中间层的主体是白色氯化钾晶体；贴壁层的形成是由于KCl与受热面管壁接触，管壁表面高温腐蚀所生成的腐蚀产物与沉积物的结合。

4 结语

(1)高温过热器表面的沉积物具有明显的分层结构，主要可分为内层、中层和贴壁层。沉积的组成元素主要是K、Cl、Na等元素，各层的主要组成的成分为KCl。

(2)KCl的存在是导致过热器管壁沉积的直接原因，因此减少燃料中的碱金属含量是解决高温过热器表面沉积问题的有效途径。

[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.生物质直接燃烧发电技术的探索[J].电力科技与环保,2015,31(1):50-52.

[5]蒋大华,孙康泰,亓 伟,等.我国生物质发电产业现状及建议[J].可再生能源,2014,32(4):542-546.

[6]罗 凯,林世华.2×75t/h循环流化床锅炉节能分析[J].电力科技与环保,2012,28(6):49-52.

[7]李廉明,余春江,柏继松.中国秸秆直燃发电技术现状[J].化工进展,2010,29(zl):84-90.

[8]骆仲泱,陈 晨,余春江.生物质直燃发电锅炉受热面沉积和高温腐蚀研究进展[J].燃烧科学与技术,2014,20(3):189-198.

[9]陈 兢,傅培舫,张 斌,等.生物质燃烧中碱金属和氯沉积烧结行为分析[J].工程热物理学报,2014(7):1453-1456.

[10]龚 彬.生物质锅炉受热面沉积机理与腐蚀特性机理研究[D].杭州:浙江大学,2015.

[11]王学斌,张利孟,王新民,等.生物质燃烧设备受热面结焦的机理研究[J].工程热物理学报,2013(11):2189-2193.

[12]龚 彬,余春江,王 准,等.生物质炉排锅炉不同受热面沉积特性[J].浙江大学学报,2015,49(8):1578-1584.

[13]黄 芳.秸秆燃烧过程中受热面沉积腐蚀问题研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[14]程伟良,王立成,李柏杰,等.生物质锅炉中温过热器结渣机理研究[J].燃烧科学与技术,2014(5):401-405.

[15]秦建光,余春江,王勤辉,等.流化床秸秆燃烧技术研究与开发[J].水利电力机械,2006,28(12):70-75.

[16]董艳艳,何姗姗,李 薇.热喷涂防腐涂层在生物质锅炉中的研究进展[J].电力科技与环保,2015,31(4):60-62.

[17]苏余宁,伍征团,余春江.75t/h生物质循环流化床锅炉风帽沉积特性研究[J].热力发电,2014,43(12):77-81.

[18]张小辉,王启明,宗 晨.生物质秸秆锅炉受热面积灰沉积物分析[J].沈阳工程学院学报,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 准(1989-)，男，浙江台州人，工程师，主要从事火电厂技术服务工作。E-mail：95296749@qq.com