馬啟磊¹，謝紅²

（1.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210018；2.安徽省電力科學(xué)研究院，安徽合肥 230601）

　　摘要：對(duì)某生物質(zhì)直燃發(fā)電爐排爐的爐內(nèi)腐蝕情況進(jìn)行分析，利用XRD對(duì)爐排渣塊、過熱器沉積焦成分進(jìn)行了定量分析，利用高溫?zé)崽炱綄?duì)其進(jìn)行深入的熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：渣塊的形成是因?yàn)槲锪隙逊e造成生物質(zhì)燃料長(zhǎng)時(shí)間缺氧燃燒熱解，成分主要是未燃盡碳。過熱器沉積焦的形成是因?yàn)樯镔|(zhì)燃燒過程中堿金屬及堿土金屬的沉降凝結(jié)，遇高溫可再次析出。

　　0引言

　　近年來，生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐蓬勃發(fā)展的同時(shí)帶來了很多不同于傳統(tǒng)燃煤鍋爐的問題。根據(jù)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，全直燃生物質(zhì)鍋爐停爐對(duì)受熱面沉積物進(jìn)行清理的周期約為12個(gè)月。

　　木質(zhì)生物質(zhì)灰的硫分結(jié)渣指數(shù)約為0，堿酸比較高，硅鋁比較低。有研究指出，這些特性決定了它的灰熔點(diǎn)會(huì)比較高并且即使在輻射換熱面上的積灰也比較疏松。

　　草本生物質(zhì)灰中的主要成分為Si和K，Ca和P的含量比木質(zhì)生物質(zhì)中的低，但是仍比煤灰的含量高。草本生物質(zhì)的灰成分取決于植物種類、生長(zhǎng)地域和土壤結(jié)構(gòu)。常見生物質(zhì)燃料一般收到基Cl含量超過0.5%。煙氣中K、Cl的濃度偏高會(huì)加劇爐內(nèi)受熱面的高溫腐蝕。

　　爐內(nèi)高溫下，燃料中的堿金屬類易揮發(fā)物質(zhì)與煙氣、飛灰一起在受熱面上凝結(jié)、粘附或者沉降。當(dāng)煙氣溫度低于飛灰軟化溫度時(shí)，沉積物大多會(huì)形成一個(gè)界限較明顯的堅(jiān)硬殼，堆積以固態(tài)顆粒為主要形式。閻維平按照煤灰研究基本理論對(duì)11種生物質(zhì)灰進(jìn)行了分析研究，對(duì)比理論分析與實(shí)測(cè)生物質(zhì)灰特性得出結(jié)論：適用于煤灰的硫分結(jié)渣指數(shù)、軟化溫度及鐵鈣比均不能正常反映生物質(zhì)灰的相關(guān)特性；在草本類生物質(zhì)灰的研究中發(fā)現(xiàn)，堿酸比、硅鋁比和硅比判別方法與界限值有一定的適用性。木質(zhì)類生物質(zhì)燃料，則需要研究新的判別界限；在對(duì)堿性氧化物的研究中，該指數(shù)判別生物質(zhì)結(jié)渣具有相對(duì)較高的可靠性，可以在判別不同產(chǎn)地生物質(zhì)的結(jié)渣特性或不同生物質(zhì)混合燃料的結(jié)渣特性時(shí)作為重要參考依據(jù)。

　　1鍋爐受熱面檢查結(jié)果

　　鍋爐為130t/h，中溫中壓振動(dòng)爐排爐，燃料以皖北地區(qū)麥秸稈為主。投產(chǎn)13個(gè)月后檢查發(fā)現(xiàn)：柔性管區(qū)域膜式水冷壁上存在大量黑色渣塊，質(zhì)地疏松，輕壓可成粉末狀；爐內(nèi)中溫過熱器管壁上結(jié)焦現(xiàn)象嚴(yán)重，部分管壁已成“炸雞腿”狀。焦塊質(zhì)地堅(jiān)硬致密，塊狀，呈土黃色。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1灰成分分析

　　由中國(guó)科技大學(xué)理化試驗(yàn)中心對(duì)樣品進(jìn)行X衍射成分分析（XRD）。主要分析結(jié)果如表1所示。

　　分析認(rèn)為，柔性管區(qū)域渣塊的形成主要是因?yàn)槁淞峡谖锪隙逊e造成的長(zhǎng)時(shí)間缺氧燃燒，極度缺氧、不通風(fēng)的環(huán)境下灰熔點(diǎn)下降明顯且局部溫度過高，造成物料缺氧熱解燒結(jié)。

　　2.2熱重試驗(yàn)分析

　　2.2.1焦塊的熱重分析

　　將焦塊破碎并磨制成粉，利用德國(guó)耐弛公司STA409PC型熱綜合分析儀進(jìn)行熱解試驗(yàn)。純氮?dú)猸h(huán)境下，以25℃/min的速率升溫。焦塊熱解TG-DTG曲線如圖1所示。

　　對(duì)比圖1和圖2可知，重復(fù)性試驗(yàn)的TG曲線吻合性很好。

　　從TG曲線可以看出，樣品在30~1400℃過程中存在3次明顯的失重過程，對(duì)應(yīng)有3次明顯的吸熱峰出現(xiàn)。第一個(gè)失重過程發(fā)生在150℃左右，為殘留水分的蒸發(fā)（電廠對(duì)爐內(nèi)受熱面進(jìn)行過水沖洗），伴隨有吸熱現(xiàn)象；第二次明顯失重發(fā)生在230~300℃，為部分低溫共晶體的揮發(fā)，伴隨吸熱現(xiàn)象。上述兩個(gè)過程總失重率小于10%，吸熱量均不大。在溫度為300~1000℃時(shí)，樣品質(zhì)量穩(wěn)定，總失重率約為2%，說明該區(qū)間樣品物性穩(wěn)定。在該區(qū)間，溫度低于750℃時(shí)，樣品僅少量吸熱，此時(shí)應(yīng)為吸熱升溫階段；在溫度為750~1000℃，樣品存在明顯的吸熱，但質(zhì)量變化不明顯，此過程焦塊性狀改變，部分組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或熔融，少數(shù)揮發(fā)物析出；當(dāng)溫度大于1100℃后，樣品快速失重，在1450℃維持10min后，焦塊質(zhì)量不再減少。樣品總失重率達(dá)50%，在溫度為1200~1450℃時(shí)，樣品有明顯的吸熱峰出現(xiàn)，堿金屬共晶體或其他化合物揮發(fā)或升華，樣品物性發(fā)生改變，呈熔融狀態(tài)。

　　2.2.2渣塊的熱重分析

　　在同樣的試驗(yàn)條件下，將保護(hù)氣氛改為12%氧氣，對(duì)柔性管處取得的渣塊進(jìn)行了熱重分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

　　渣塊在有氧環(huán)境下加熱，失重率超過80%，燃點(diǎn)溫度為372℃。由此推測(cè)，該渣塊主要成分為碳。由于柔性管處為爐排進(jìn)料口下方，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)大量生物質(zhì)燃料堆積此處，形成深度缺氧區(qū)域。渣塊應(yīng)該是生物質(zhì)燃料在高溫缺氧環(huán)境下經(jīng)過熱解，析出大量揮發(fā)分及部分堿金屬后所形成的焦炭沉積物。因?yàn)閾]發(fā)分和可揮發(fā)堿金屬的大量析出，沉積物呈多孔疏松結(jié)構(gòu)。

　　3調(diào)整試驗(yàn)及效果

　　2010年3月及4月，電廠分別對(duì)1號(hào)鍋爐和2號(hào)鍋爐進(jìn)行了大修，清理了爐內(nèi)受熱面沉積物，大量更換了管式空預(yù)器受熱面積，其中1號(hào)鍋爐更換率為67%，2號(hào)爐更換率為63%。

　　同時(shí)，因?yàn)樵仩t飛灰?guī)Т罅炕鹦牵即龎m系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，對(duì)除塵布袋也進(jìn)行了整體更換。大修結(jié)束后由電科院進(jìn)行了空預(yù)器漏風(fēng)率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，新更換的空預(yù)器運(yùn)行效果良好（1號(hào)爐漏風(fēng)率為3%，2號(hào)爐漏風(fēng)率為4.2%），飛灰含碳量依然偏高，空預(yù)器入口依然帶火星。針對(duì)鍋爐情況進(jìn)行了如下調(diào)整。

　　首先，更改爐排振動(dòng)周期及持續(xù)時(shí)間。更改后振動(dòng)周期為原周期的80%，持續(xù)時(shí)間增加15s。

　　其次，因鍋爐已經(jīng)點(diǎn)火，無法在爐膛內(nèi)部進(jìn)行底部漏風(fēng)整改，所以只能在爐底外側(cè)對(duì)爐排四周間隙進(jìn)行。同時(shí)，大修期間電廠對(duì)爐排排渣系統(tǒng)進(jìn)行了漏風(fēng)整改，大大降低了排渣系統(tǒng)漏風(fēng)。對(duì)空預(yù)器進(jìn)口氧量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，并移動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置至代表點(diǎn)處；對(duì)蒸汽吹灰系統(tǒng)進(jìn)行整體大修，保證了大修后蒸汽吹灰系統(tǒng)的正常投用。

　　最后，加強(qiáng)料場(chǎng)管理，減少入爐燃料的土灰含量。

　　以上整改取得了明顯的效果，送風(fēng)機(jī)出力明顯增加，修正后鍋爐排煙溫度下降約12℃，飛灰?guī)Щ鹦乔闆r已經(jīng)徹底消失。2011年9月，鍋爐正常運(yùn)行14個(gè)月后對(duì)鍋爐再次進(jìn)行檢查分析發(fā)現(xiàn)：鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量提高約15t/h；柔性管處沉積物與大修前相比變化不大。中溫再熱器受熱面高溫段已無“炸雞腿狀”沉積段存在，受熱面表面依然有一層黃褐色沉積物，但厚度已明顯降低。低溫再熱器段沉積物變化不明顯，新添加的蒸汽吹灰區(qū)域沉積量明顯少于其它區(qū)域。空預(yù)器檢查發(fā)現(xiàn)，高溫段已無明顯沉積及銹蝕情況出現(xiàn)；試驗(yàn)人員用手進(jìn)行觸感檢查已能明顯感覺到空預(yù)器管壁上的螺紋刻線，空預(yù)器低溫段依然存在較明顯的腐蝕現(xiàn)象。停爐前的空預(yù)器漏風(fēng)試驗(yàn)表明，兩爐空預(yù)器漏風(fēng)率分別達(dá)到13%和17%。本次停爐空預(yù)器管材更換率分別為27%和30%。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　在生物質(zhì)直燃鍋爐受熱面腐蝕問題的研究中，沉積與腐蝕是不可分離的兩個(gè)過程。直接在金屬表面發(fā)生的氣相腐蝕極少出現(xiàn)，部分出現(xiàn)的都是表面沉積而造成的沉積物對(duì)金屬材料的堿金屬腐蝕。

　　煙氣中的堿金屬?gòu)纳镔|(zhì)燃料而來，氯元素對(duì)堿金屬的析出有催化作用。在堿金屬及氯、硫元素的共同作用下，不斷腐蝕金屬壁面，而氯元素的催化搬運(yùn)作用，加速氧化腐蝕。

　　在該爐過熱器各級(jí)受熱面的檢查發(fā)現(xiàn)，管壁上沉積物堆積嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響爐內(nèi)換熱效果，排煙溫度過高，但是金屬壁面無明顯腐蝕坑出現(xiàn)。說明過厚的沉積物隔絕了金屬壁面與高溫?zé)煔庵懈g性氣體及堿金屬的直接接觸，起到了一定的保護(hù)作用，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，由沉積物與壁面之間發(fā)生的接觸性腐蝕不可避免。

　　過量空氣系數(shù)過大，造成煙氣攜帶能力增強(qiáng)，燃料燃燒不完全，飛灰?guī)Щ鹦恰Ｔ黾硬即龎m器負(fù)荷，影響除塵效果。

　　通過大修整改及燃燒調(diào)整，鍋爐經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行安全性都得到了極大的改善。但是威脅運(yùn)行安全的根本因素依然存在。燃料中具有腐蝕特性的堿金屬成分的析出與沉積無法避免，從生產(chǎn)實(shí)用的角度而言，主要精力應(yīng)集中在如何防止其在危險(xiǎn)段沉積以及采用合適的方法對(duì)沉積物進(jìn)行在線清灰，避免沉積物生長(zhǎng)過快。以期提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性，并能有效提高鍋爐蒸發(fā)量及蒸汽品質(zhì)。