祁少飛

（太原鍋爐集團有限公司，山西太原030053）

　　摘要：循環(huán)流化床鍋爐自身的燃燒特點決定了其具有燃料適應性廣的特點，生物質(zhì)作為循環(huán)流床鍋爐的入爐燃料，因相較煤炭而言生物質(zhì)本身的特殊性，使得生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐具有特殊的技術(shù)特點。基于此，通過對生物質(zhì)燃料的特性分析，分析生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐預期存在的問題并提出相應的預防措施。

　　引言

　　生物質(zhì)由C、H、O、N、S等元素組成，是空氣中CO₂、水和陽光通過光合作用的產(chǎn)物。生物質(zhì)能源是一種可再生的、清潔的能源，利用生物質(zhì)可以實現(xiàn)CO₂的近似零排放。生物質(zhì)能若能被合理地利用，化石燃料則被部分取代，日益緊缺的化石能源問題將得以緩解，排放到環(huán)境中的污染物將會減少，溫室效應得以緩解。因此，有效地開發(fā)、利用生物質(zhì)能在我國具有重要意義。

　　1生物質(zhì)燃料燃燒時的特性

　　生物質(zhì)燃料與化石燃料煤相比具有以下特性：堿金屬含量高；氯含量高；揮發(fā)份高；水分高；灰分低；氧含量高；硫含量低；固定炭低；熱值低。

　　因生物質(zhì)燃料揮發(fā)份高、固定碳含量低，燃燒過程可近似分為揮發(fā)份的析出及其燃燒、殘余焦炭的燃燒及其燃盡兩個相互獨立的階段。因此，生物質(zhì)燃料的燃燒特點如下：

　　1）水分含量高，與煤比，則干燥溫度需要更高，干燥時間需要更長，同時將會產(chǎn)生較大的煙氣體積，造成排煙損失增加。

　　2）密度小，松散蓬松，易被吹起，多處于懸浮狀態(tài)燃燒。體積大，儲存、輸送需特殊考慮。

　　3）發(fā)熱量低，灰熔點低，燃燒溫度低，難于組織穩(wěn)定的燃燒。

　　4）揮發(fā)份高，則著火溫度低，易于著火，通常情況，在250~350℃的燃燒溫度下，揮發(fā)份將會大量析出并劇烈燃燒，需及時補充大量空氣，以減少燃燒不完全的現(xiàn)象，減少化學不完全燃燒熱損失。

　　5）揮發(fā)份燃盡后，剩余的焦炭顆粒在灰份的包裹下，由于空氣難于滲透，導致燃燒過程緩慢，難于燃盡，則需采取適當?shù)拇胧詼p少灰燼中殘?zhí)己浚瑴p少機械不完全燃燒熱損失。

　　6）含氯量高，將會造成尾部對流受熱面的高低溫腐蝕。

　　7）堿金屬含量高，在燃燒過程中，堿金屬將發(fā)生化學反應形成堿金屬化合物，高溫狀態(tài)下堿金屬化合物將以氣態(tài)形式存在于煙氣中，當遇到管壁溫度低的受熱面時，堿金屬化合物將會凝結(jié)在受熱面管壁上，同時黏附煙氣中的固體顆粒并形成團聚物，從而造成受熱面的結(jié)渣、腐蝕、積灰等現(xiàn)象。

　　8）硫、氮、碳含量低，SO₂、NO_x的排放量將會降低，同時CO₂近似零排放。

　　2生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)特點

　　基于生物質(zhì)的燃燒特性，可知生物質(zhì)燃料難于著火和燃盡。循環(huán)流化床鍋爐具有蓄熱量大、循環(huán)倍率高的特點，可保證生物質(zhì)燃料著火并穩(wěn)定燃燒。同時燃料的往復循環(huán)燃燒，將會延長燃料在爐內(nèi)的停留時間，加長燃料燃盡時間，利于燃料燃盡。由此可知，最適合生物質(zhì)燃燒的鍋爐是循環(huán)流化床鍋爐，其具有以下技術(shù)特點：

　　1）爐膛溫度低，因生物質(zhì)燃料的灰熔點一般較低，為了有效地抑制堿金屬的結(jié)渣、腐蝕幾率，爐膛燃燒溫度一般采用750~850℃（具體溫度由燃料灰熔點確定）。

　　2）燃料適應性強。不僅僅體現(xiàn)在不同品種、不同品質(zhì)的生物質(zhì)燃料均能順利著火、燃燒，還體現(xiàn)在燃燒條件發(fā)生變化（特別是水分劇烈變化、粒度劇烈變化）時，對未燃盡物質(zhì)都將保持較高的燃燒效率。

　　3）SO₂排放遠低于國家標準排放限值。生物質(zhì)燃料本身含硫量極低，且堿金屬含量高，其灰份中將含有大量CaO、K₂O等堿性物質(zhì)，這些堿性物質(zhì)將與硫發(fā)生反應，進行煙氣自脫硫，因此燃用生物質(zhì)的鍋爐其煙氣中的SO₂濃度遠低于國家標準排放限值。

　　4）從結(jié)構(gòu)上考慮防止運行時飛灰搭橋的措施，通常做法，尾部受熱面（省煤器、空預器等）管組一般采用順列布置，拉大管排之間的橫向節(jié)距。

　　5）負荷調(diào)節(jié)簡單。調(diào)整給料量、空氣量以及循環(huán)物料量即可快速調(diào)節(jié)鍋爐負荷。

　　6）燃燒效率高。分級送風、氣固混合良好，多數(shù)未燃盡的燃料被補集送至爐膛再次燃燒、往復循環(huán)，從而有較高的燃燒效率。

　　7）循環(huán)量少。生物質(zhì)燃料揮發(fā)份高、灰量少，生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐運行時將會出現(xiàn)循環(huán)量不足、需進行補料的現(xiàn)象。

　　8）床料結(jié)焦，受熱面的積灰、腐蝕問題。生物質(zhì)燃料堿金屬和氯元素含量高，燃燒時容易造成結(jié)團、結(jié)焦的現(xiàn)象；灰顆粒易于黏結(jié)在對流受熱面上，將會出現(xiàn)高溫受熱面堿金屬腐蝕、低溫受熱面氯腐蝕、各受熱面管排之間飛灰搭橋等的問題。

　　3生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐存在問題的分析及預防措施

　　3.1床料燒結(jié)的問題及預防措施

　　保證循環(huán)流化床鍋爐正常運行的必要條件是爐膛內(nèi)存在大量的循環(huán)物料，而生物質(zhì)燃料灰份含量低，導致循環(huán)灰量偏少，鍋爐在運行時需要添加惰性物料以增加循環(huán)物料量來保證鍋爐正常運行。一般做法是向爐內(nèi)添加砂子，由于砂子硬度高，將會增加鍋爐受熱面的磨損；另外，由于生物質(zhì)中鉀、鈉等堿金屬含量較高，添加石英砂后，將會加劇爐膛內(nèi)物料的燒結(jié)和結(jié)渣^[1]。生物質(zhì)燃料中的鉀和鈉，在燃料燃燒過程中，與砂中的SiO₂在高溫下發(fā)生化學反應，所生成的共晶體具有熔點低的特點，在高溫下共晶體熔化，熔融狀態(tài)的共晶體沿著灰渣及砂子的縫隙流動，并黏結(jié)周圍的灰渣及砂粒，形成塊狀，從而造成床料燒結(jié)和結(jié)渣，若此時流化不良，將會導致鍋爐因爐膛結(jié)焦而停爐。由上述可知，影響生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐床料燒結(jié)的因素有爐膛溫度、流化風速和物料成分，為防止鍋爐在運行過程中出現(xiàn)床料燒結(jié)現(xiàn)象，可采取以下預防措施：

　　1）從結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免出現(xiàn)爐膛溫度過高的情況。如選取合理的風配比、流化床布置合理的風帽及選取合理的風帽小孔速度、選取合理的爐膛截面寬深比，保證爐膛運行時溫度場均勻，同時布置合理的爐膛受熱面積，以保證運行時爐膛溫度不至于過高。

　　2）添加的循環(huán)物料所具有的特點應能減少低熔點共晶體的形成。如燃煤循環(huán)流化床鍋爐的底渣，其成分既可抑制床料的燒結(jié)，又可提高發(fā)生燒結(jié)的溫度。

　　3.2高、低溫腐蝕的問題及預防措施

　　1）高溫腐蝕主要發(fā)生在過熱器處，其原因之一是過熱器管子的壁溫處于易腐蝕區(qū)域（當蒸汽溫度高于490℃時，高溫腐蝕成為一個主要問題），另一個原因是過熱器管子表面的高溫黏結(jié)灰中含有堿金屬氯化物，在此溫度區(qū)域，該堿金屬氯化物與燃燒時所生成的硫化物和氯化物將發(fā)生化學反應，從而對受熱面的管壁造成腐蝕。采取以下措施可防止高溫腐蝕的發(fā)生：過熱器的管壁溫度避開腐蝕率較高的溫度區(qū)域，通常從過熱器的布置形式上入手，按煙氣流程，采用低溫過熱器布置在前，高溫過熱器布置在后的布置方式；過熱器管材選取耐腐蝕性高的不銹鋼管材，以減緩管子的腐蝕；減少管排間飛灰搭橋、堵塞的可能性，如采取順列布置的受熱面管子布置形式，并加大管子間的橫向節(jié)距；布置性能良好的吹灰器，運行時將吹灰器多次投入使用，且在鍋爐剛開始運行時就投入吹灰器，以防止灰分黏結(jié)在受熱面管子表面。

　　2）低溫腐蝕主要發(fā)生在空預器的冷段處，最為嚴重處是冷空氣進口端。當空預器管子的金屬壁溫低于煙氣酸露點時，煙氣中的酸性氣體將凝結(jié)在空預器管子表面，并與煙氣中的水份混合形成酸性液體，對空預器管子造成酸性腐蝕。多數(shù)生物質(zhì)燃料硫的含量極低且多以硫酸鹽的形式存在，因此，生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的低溫腐蝕因硫氧化物造成的份額很小。生物質(zhì)燃料中氯含量及堿金屬含量都高，在爐內(nèi)高溫作用下，燃料中部分氯與堿金屬鹽發(fā)生化學反應，以氣相HCL的形式存在，當空預器管子的金屬壁溫低于煙氣酸露點時，氯化物所形成的鹽酸將成為造成低溫腐蝕的主要原因。采取以下措施可防止低溫腐蝕的發(fā)生：爐膛溫度低，整個燃燒過程的煙氣溫度都低，以減少氣相氯的析出，可從根本上緩解低溫腐蝕問題。低溫燃燒可以將生物質(zhì)中的氯以堿金屬氯化物的形式存在，將大部分氯元素維持在灰相中；設(shè)計選取合理的排煙溫度，使空預器管子的金屬壁溫盡量高于煙氣酸露點；選擇具有耐腐蝕性能強的空預器管子材質(zhì)。如采用搪瓷管或不銹鋼管；空預器采用臥管式的布置形式，當發(fā)生腐蝕時以便于檢修和更換^[2]。

　　4結(jié)語

　　隨著人們對環(huán)保要求的增加，化石燃料資源日益緊缺，利用生物質(zhì)等可再生能源已引起廣泛、高度的重視。生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的應用領(lǐng)域也將更加廣闊。本文通過對生物質(zhì)燃料的特性分析，分析生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐預期存在的問題并提出相應的預防措施，望能給廣大鍋爐設(shè)計工作者帶來有益幫助。

　　參考文獻

　　[1]岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計與運行[M].北京：中國電力出版社，2015.

　　[2]盧嘯風.大型循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備與運行[M].北京：中國電力出版社，2006.