生物质CFB锅炉受热面沉积结构和空间分布特性研究

随着人类社会的不断发展，传统化石能源不断消耗，存量逐渐较少，人类社会亟须寻找合适的替代能源。生物质能具有能源供应稳定、易储存、碳中性、应用范围广等特点，逐渐成为传统化石能源的重要替代能源，随着开发利用技术的发展，生物质能规模化利用技术呈现多样化。直接燃烧是将生物质能源洁净化利用的高效途径之一，与层燃技术相比，循环流化床（CirculatingFluidizedBed，CFB）锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、低温燃烧、负荷调节性能好等优势，得到了广泛应用。截至2021年底，国内直燃生物质发电机组超过440台，其中CFB机组超过336台。2010年后，直燃生物质机组向着大容量、高参数方向发展，其中2011年广东粤电集团建设并运行了国内当时单机及总装机容量最大的2×50MW生物质CFB锅炉机组；2016年国内设计制造的世界首台125MW生物质CFB锅炉在泰国投入运行；2021年庆翔集团旗下1×80MW生物质CFB机组并网运行。

由于生物质燃料具有硫元素含量低、挥发分高、易燃烧等特点，其燃烧后CO2净排放率为零，二氧化硫排放量为燃煤的十分之一。但由于生物质燃料K、Na和Cl等无机元素含量较高，在燃烧过程中当烟气温度高于801℃时产生的KCl、NaCl以气态形式挥发析出，黏结在锅炉受热面上产生沉积和结渣，特别是高参数运行的锅炉由于表面沉积引发的氯盐腐蚀和堵灰问题严重影响锅炉效率和安全性能，成为机组长周期运行的技术瓶颈。

根据相关研究结果显示，生物质燃料在燃烧过程中碱金属和氯元素在高温下蒸发进入气相，随着烟气流经低温受热面过程中，发生惯性碰撞、热泳、凝结扩散和气固相反应等一系列物理化学过程，而燃料的水分、燃烧氛围、燃烧室温度等条件又会通过其他反应机理干扰上述过程。马孝琴以秸秆生物质为例，研究燃料中碱金属的迁移特性，对秸秆在燃烧过程中碱金属引起的团聚、结渣、表面沉积和腐蚀机理进行重点分析，研究显示以上过程均与灰熔点低相关，提出了使用添加剂、生物质与煤混燃、燃料预处理等对策。王准等对某75t/h生物质锅炉过热器发生严重沉积问题进行研究，通过对燃料成分检测、沉积物宏观观察、微观形貌检测等技术分析，认为沉积的发生是锅炉受热面设计、燃料特性及锅炉运行工况共同作用的结果，对此提出了通过减少燃料中KCl来减缓或避免过热器沉积的解决思路。龚彬等对国内某生物质炉排锅炉尾部不同受热面沉积规律进行分析，发现燃料中较高的K、Ca、Cl、S含量及炉膛燃烧还原性氛围会促进高温过热器表面沉积，其中Cl元素在碱金属析出过程起到催化剂的作用，Cl、Ca、Si元素含量随着温度的变化呈现规律性变化。龙纪淼等选取了小麦秸秆、稻壳、玉米秸秆作为试验燃料，在管式炉中模拟层燃炉燃烧工况，研究秸秆燃烧过程中K的迁移规律。试验结果表明，K元素的析出与燃料种类和温度有关，玉米秸秆中K元素析出对温度更敏感，K元素的析出与温度呈正相关，温度越高，K元素析出率越高，气相K析出含量也随温度升高而增加。巴特德力格等在模拟烟气高温腐蚀试验系统上进行KCl的熔盐腐蚀试验，研究发现，熔盐腐蚀和气氛腐蚀的增重曲线整体随时间呈抛物线变化；相同腐蚀温度条件下，过热器、再热器表面沉积KCl时，腐蚀速率比气氛腐蚀显著提高；温度升高能显著加剧材料腐蚀，与450℃相比，2种材料在650℃下的平均腐蚀速率提高16倍以上；与常规燃烧模式相比，富氧燃烧模式下，CO2能促使Cr元素向金属表面迁移，进而对金属表面起保护作用，减轻富氧燃烧模式下的腐蚀程度；高湿烟气环境下，水蒸气能一定程度上抑制2种管材的熔盐腐蚀过程；与TP347H相比，Cr、Ni含量较高的HR3C耐熔盐腐蚀性能更强。

研究生物质锅炉受热面沉积结构和生长机理是解决沉积造成堵灰和腐蚀问题的关键，目前在掺烧多品种生物质燃料的工业环境下，对锅炉受热面的沉积结构及空间分布规律深入研究较少。以某75t/h生物质CFB锅炉为试验平台，在工业环境下掺配常用的3种生物质燃料进行试验，研究锅炉受热面沉积结构和空间分布特性。

１试验介绍

1.1 锅炉

以某75t/h生物质CFB锅炉为研究对象，锅炉型号为HX75/9.81-Ⅳ2，主要参数如表1所示，锅炉由膜式水冷壁、炉膛、绝热旋风分离器和尾部受热面组成，燃料通过炉前给料系统分四个下料口进入炉内燃烧，炉膛出口、尾部受热面依次布置屏式过热器、高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器，屏式过热器和高温过热器采用TP347材质，低温过热器采用12Cr1MoV材质，省煤器采用20G材质。

1.2 燃料及运行床料

试验期间生物质燃料采用桉树皮、园林枝丫条和废木料3种生物质燃料进行掺配，其掺配比例为4∶3∶3，收集试验燃料进行化验分析，燃料分析结果见表2和表3，表中M表示水分，A表示灰分，V表示挥发分，FC表示固定碳。锅炉运行过程床料主要成分见表4。对试验用3种生物质燃料的低温灰进行化验分析，结果见表5，其制灰方法参照GB/T28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》，控制温度在550℃下制灰，减少灰中挥发分成分损失。

如表2所示，生物质燃料中园林枝丫的灰分为9.28%，桉树皮和废木料灰分低于8%，桉树皮、园林枝丫和废木料的挥发分较高，在74%~78%范围内，具有良好的燃烧特性。生物质燃料灰成分中，K、Na等碱金属及Cl元素含量较高，如表5所示，园林枝丫的K2O质量分数为16.10%，在燃烧过程中生成低熔点化合物造成灰熔点下降。根据燃烧特性和设计，燃料通常以26t/h的给料量进行供给，入炉燃料在入炉前破碎颗粒度要求小于150mm，以保证给料均匀性和燃烧稳定性。

1.3 试验方法

锅炉系统如图1所示，试验在锅炉尾部受热面采集表面沉积样品，通过X射线荧光光谱仪等分析手段对受热面沉积样品结构和空间分布规律进行分 析，研究受热面的沉积特性和生长机理。

2 结果与讨论

2.1 宏观形貌和成分分析

如图2所示，图中依次显示了锅炉尾部不同受热面的沉积和积灰的宏观形貌特征。对试验前锅炉受热面沉积样品进行分别采集，采集样品包括高温过热器、低温过热器、高温省煤器、空气预热器、除尘器区域表面沉积或积灰样品。

高温过热器和低温过热器表面沉积样品具有典型的分层现象，外层颗粒较细，表面呈灰色，较致密， 有明显的熔融现象，内层沉积物颗粒度较大，棱角分明，出现白色结晶物，颗粒较小，结构疏松，类似于燃 煤锅炉积灰。为进一步了解沉积样品中各层物质主要化学成分，通过X射线荧光光谱仪对采集的样品进行分析。如图3所示，高温过热器样品外层主要 元素为Ca、S、K，以及少量的Cl、Al和Mg元素，内层白色结晶物含有大量的Cl、K和Ca，内层白色结晶主要以碱金属氯化物的形式存在。

如图4所示，低温过热器样品外层主要元素为Ca、Si、Al、K，以及少量的Cl、P和S等元素，内层白色结晶物含有大量的Cl、K、S和Ca，内层白色结晶主要以碱金属氯化物、硫酸盐的形式存在，与高温过热器沉积样品化学成分总体相似。

此外，与燃料灰分相比，高温过热器、低温过热器外层Ca、Si含量较高，K、Cl含量较低，内层Cl含量高，主要因为Cl元素在烟气中以气态形成冷凝在内层富集，外层积灰主要是由飞灰颗粒惯性冲撞堆积而成。另外，高温受热面至低温受热面的沉积厚度逐级下降，主要受温度影响，高温受热面初始沉积层温度高，存在局部熔融状态，表面黏结性提高，易捕捉烟气中的灰颗粒，导致沉积层厚度不断生长。

高温省煤器表面沉积物结构较疏松，未见明显分层结构，手轻轻用力即可剥落，沉积样品主要成分见图5，沉积样品中Ca、Si、Al和K含量较高，判断沉积样品主要是以CaCO3、SiO2、KCl等化合物形式存在。

空气预热器表面积灰主要是浮灰形式存在，积灰量少，结构松散，通过吹灰器吹扫即可清理干净。积灰主要成分见图6，沉积样品中Ca、Si、K和Al含量较高。

从除尘器入口采集灰样，对灰样成分进行分析，主要成分见图7，灰样中Ca、Si、CO2含量较高。与省煤器成分相比，除尘器CO2含量较高，判断CaO是在低温情况下与CO2生成CaCO3，有研究表明［17］，CaO在低于300℃的烟气冷却过程中容易与CO2反应生成方解石（CaCO3），由于试验所用3种生物质燃料CaO质量分数均超过31%，致使灰样中含有较多的CaCO3。

2.2 元素空间分布特性

对高温过热器、低温过热器、省煤器、空预器、除尘器沉积和积灰的化学成分和元素进行分析，如图8所示，显示了不同元素在锅炉尾部烟道的空间分布特性。其中，K、Cl、Ca、Si、S和Fe是沉积和积灰样品的主要元素，在不同受热面中各元素含量差异性较大，上述元素在不同受热面的空间分布与烟气温度有直接关系，反映沉积和积灰的规律。

K、Cl元素是高温过热器、低温过热器沉积物中的主要元素，尤其是沉积物内层K、Cl元素质量分数最高达到了56%，省煤器、空预器、除尘器积灰和灰样中K、Cl元素含量较相似，与高温过热器、低温过热器相比明显下降。

从高温受热面至低温受热面，CaO质量分数在22%~34%范围内变化，SiO2质量分数从7.6%增加到24.8%，尤其是在省煤器之后的受热面分布更为明显。S元素在高温过热器中出现较明显沉积，该现象表明酸性气体物质，例如SO3、H2SO3，会优先在高温受热面沉积，推断高温过热器沉积物Ca元素主要是CaSO4的形式存在，而低温受热面沉积和积灰中的Ca主要以CaCO3的形式存在。Ca元素的存在形式差异主要是受温度影响，高温环境下Ca元素易硫化，也受烟气中高SOx含量及长期接触作用促进生成CaSO4。

在沉积和积灰样品中检测到的Si元素，尤其是省煤器、空预器、除尘器样品中SiO2质量分数超过了22%，可能来自生物质燃料颗粒中Si的聚集和床料磨损。此外，燃料中的K会与床料（SiO2）相互作用生成低熔点的硅酸盐，在床料冲刷过程中产生含Si元素的灰颗粒在一次风的携带作用下进入烟气中。

3 结论

以某75t/h生物质CFB锅炉为试验平台，采用常用的生物质燃料（桉树皮、园林枝丫、废木料）进行掺烧试验，对生物质燃料进行成分分析检测，采集不同受热面沉积样品，通过沉积宏观形貌特征分析、X射线荧光光谱仪等技术手段，对沉积物结构和空间分布进行分析，研究沉积特性和空间分布规律，根据试验研究可得出以下结论。

1）不同受热面的运行温度的差异导致沉积样品宏观形貌特征的不一致。过热器，包括高温过热器、低温过热器运行期间温度超过600℃，表面沉积样品具有较典型的烧结特性。省煤器、空预器等受热面运行温度低于550℃，表面沉积样品较疏松，未烧结。其次，高温受热面至低温受热面的沉积厚度逐级下降，主要受温度影响，高温受热面初始沉积层温度高，存在局部熔融状态，表面黏结性提高，易捕捉烟气中的灰颗粒，导致沉积层厚度不断生长。

2）从锅炉受热面沉积宏观形貌和成分分析，高温受热面以沉积为主，沉积物内层Cl、K含量高，外层Ca、Si含量较高，K、Cl含量较低，主要因为沉积内层即初始沉积层Cl、K元素在烟气中以气态形式冷凝在内层进行富集；沉积外层主要是由飞灰颗粒惯性冲击而成，而低温受热面以积灰为主，大多以浮灰形式存在，Ca、Si元素含量高，K、Cl元素含量下降。

3）从锅炉受热面沉积元素空间分布情况来看，炉内受热面的沉积结构和厚度与烟气温度直接相关。高温受热面沉积初始层KCl成分含量最高超过56%，随着受热面烟气温度降低，沉积样品KCl含量逐级递减，沉积物中CaO质量分数在22%~34%范围内变化，SiO2质量分数从7.6%增加到24.8%。

4）试验结果显示，KCl的存在是引起锅炉受热面沉积的关键环节，降低燃料中KCl含量对减缓或避免生物质锅炉受热面沉积起到至关重要作用。

文献信息

姜春光,李定青,王鹏,等.生物质CFB锅炉受热面沉积结构和空间分布特性研究[J].山东电力技术,2023,50(03):63-68.

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