循环流化床锅炉生物质与煤混烧积灰腐蚀试验

循环流化床锅炉生物质与煤混烧积灰腐蚀试验 [摘要]将3种不同金属管材样品环的气冷腐蚀探头置于某生物质与煤混烧的75t/h循环流化床CFB锅炉尾部烟道低温过热器前，通过空气冷却模拟过热器的管壁温度，获得3种混烧比例工况下持续时间24h3种管材的积灰样品。利用扫描电子显微镜分析积灰的理化特性，探讨混烧比例和材料种类对积灰腐蚀的影响规律。结果表明在测试工况下，样品环迎风面不存在明显积灰现象，而背风面积灰明显，且随着材料的不同而有所不同，但未发现明显腐蚀或金属磨损，表明碱金属含量相对较低的生物质与煤混烧并不会造成严重积灰及腐蚀。 生物质是清洁的可再生能源，其总量丰富，合理利用生物质替代部分化石燃料，不仅可以缓解日益严重的能源紧缺问题，而且可以有效地减少环境污染和CO2排放。燃料燃烧是生物质能利用的重要途径之一，但由于其具有高碱金属元素和高氯元素的特点，直接燃烧易造成积灰结渣等问题。对以生物质为燃料的CFB锅炉而言，处于尾部烟道的过热器处最易发生积灰腐蚀。 本文在生物质废木与城市垃圾混合物与煤混烧的75t/hCFB锅炉上，通过在尾部烟道处搭载金属样品环的腐蚀探头，获得3种混烧比例工况下持续时间24h3种不同金属管材的积灰样品，利用SEMGEDX分析积灰样品的理化特性，探讨混烧比例和材料种类对积灰腐蚀的影响规律。 1积灰腐蚀 生物质中富含以K为代表的碱金属元素和氯元素。碱金属化合物在高温区可能气化，形成氧化物、氯化物、氢氧化物及硫酸盐形式的蒸气，这些化合物又和金属及烟气相互作用，形成粘性的焦性硫酸盐及复杂的碱性硫酸铁，覆盖在过热器表面上。 碱性化合物还可能与硅的化合物生成易熔的共晶体，形成有粘性的灰层，促进积灰层的快速增长[2]。此外，氯元素在积灰结渣中也起着重要的作用[3]。 生物质与煤混烧过程中，生物质中的碱金属元素将与煤中的矿物质以硅铝酸盐为主及S的化合物发生复杂的物理化学变化。 1碱金属氯化物的硫酸盐化 硫酸盐化的总包反应为式1，其他有关反应为式2、式3。研究表明异相反应机理在积灰中更为重要，分别以硫酸铵和硫磺作为KCl的硫酸盐化添加剂，前者更为有效。煤具有极为复杂的物质组成，其作为硫酸盐化添加剂的效果也没有硫酸铵或相似物质明显。 2KCl＋SO2＋1/2O2→K2SO4＋2HCl1 SO2＋1/2O2→SO32 2KCl＋SO3＋H2O→K2SO4＋2HCl3 2碱金属氯化物被矿物质捕集 煤灰的组成元素中有铝和硅，硅铝组成的物质可以通过与碱金属氯化物形成硅铝酸盐式4，避免其进入尾部烟道。在生物质与煤进行低比例混烧时，Cl含量在总量中相对较低，煤中有足量的硅铝酸盐物质与气相碱金属氯化物进行反应，从而阻止其进入对流换热面区域[7]。此过程生成的硅铝酸盐熔点较高，在锅炉正常运行的条件下不易发生气化，同时反应性较差，降低了积灰对换热面的侵损。 2KCl＋Al2O3＋6SiO2＋H2O→ K2OAl2O3SiO2＋2HCl4 3Cl和S的影响 相关研究显示气态HCl和积灰中的熔融态碱金属氯化物均是引起积灰腐蚀问题的主要物质，后者的腐蚀性更强，更易引起积灰。SO2可通过使氯化物硫酸盐化释放出Cl或者高温下生成熔融相引起腐蚀，但其主要作用是生成相对稳定的硫酸盐以抑制Cl的活化氧化。所以，抑制积灰腐蚀的主要手段是使积灰中的碱金属氯化物转化为高熔点盐类，控制气态HCl量。 2试验设备及方法 现场试验在某75t/hCFB锅炉上进行图1，其额定蒸汽压力为3.82MPa，额定蒸汽温度为450℃，冷空气温度为20℃，一次风温度为169℃，二次风温度为175℃，出口烟气温度为160℃，设计锅炉效率大于81％。 试验时锅炉尾部烟道低温过热器前，搭载3种不同金属管材样品环的气冷腐蚀探头在某种特定工况下连续运行24h后，取出样品环。改变燃料配比后，重复以上试验。试验共获得3种工况3种材料的9种样品环以备分析。 2.1积灰腐蚀探头系统 积灰腐蚀探头系统如图2所示，主要包括腐蚀探头、流量控制器、空气压缩机和电动阀门4部分。在样品环上布置热电偶，监控管壁层内温度，温度信号反馈到流量控制器，当其高于设置温度时，控制器控制电动阀门动作，压缩空气进入腐蚀探头腔体内，达到冷却探头的目的。为保证探头测量区域的温度接近低温过热器管壁温度，冷却空气先从腐蚀探头内部管路进入，并通过均匀布置的小孔喷出。 2.2测试工况 试验中维持样品环温度与主蒸汽额定温度一致，即样品环温度为450℃，烟气温度为530℃。3种不同掺混比例工况分别记为C1，C2和C3，生物质与煤的掺混量分别为0t/414t，85t/404t，140t/389t，生物质掺混量依次上升。 2.3燃料特性分析 锅炉用煤产自内蒙古赤峰，生物质取自承德本地，为废木与生活垃圾的混合物混合质量比为1∶3。燃烧时工业分析、元素分析和灰分分析见表1和表2。 2.4腐蚀样品金属环 本次试验共选用了T22，304L和Sanicro283种腐蚀金属环材料，分别简称为T，L，S，依次分别为低合金钢、奥氏体不锈钢和铁基高合金钢，其铬含量依次上升，在较高温度下抗腐蚀性能，以S金属最佳，T金属最差。 3试验结果及分析 本次试验共采用9个样品环，即3种工况分别对应3种材料，每种样品环各有2个，所得样品分为2组，一组不作处理，用于直接观察表面，另一组用树脂封装，用于切割后观察截面。取其中最具代表性的5种进行分析，对应耐腐蚀性最差的材料的3种工况和腐蚀氛围最恶劣的3种材料，以工况加材料的方式命名，分别为C1T，C2T，C3T，C3L，C3S。 宏观检查发现，在各样品环迎风侧并未发现明显积灰，只有类似尘土的薄灰，9种样品环在颜色形 貌上并无明显区别。而在其背风侧位置发现一定量的积灰，其中3种工况下的T型金属背风侧均发现积灰且分布较为均匀；在L，S型金属环背风侧偏侧面的位置发现积灰但分布不均。这是由于烟气对探头迎风面的冲刷作用强于其携带灰颗粒的撞击作用，不利于灰颗粒的沉积，而对背风面的冲刷作用弱，形成的涡有利于灰颗粒的沉积。 直接观察切割后各样品环的横截面宏观样貌发现，3种工况下的3类金属样品环上均未发现明显的腐蚀现象和金属磨损。 3.1 SEM图像对比 将迎风侧称为0，背风侧称为180，以工况、金属类型和方向面的方式命名各个观察点，如工况1下的T型金属环迎风侧的图像称为C1T0。 图3是T型金属迎风面在3种工况下的形貌对比。由图3可见，3种工况下T型金属迎风面均是粗糙表面，随着生物质掺混比例的增加，表面更加粗糙，积灰倾向增强。图4是T型金属背风面在3种工况下的形貌。由图4可见，3种工况下T型金属背风面均伴有颗粒状和针状样貌，三者类似的形貌特征说明在背风面其积灰倾向相近。对比发现，背风面的积灰倾向要强于迎风面，这是烟气的冲刷和携带撞击共同作用的结果。 图5是在C3工况下3种金属的迎风面0面的形貌。