秸秆燃烧锅炉的技术难点
秸秆是一种清洁的可再生资源, 是生物质燃料的一种, 具有CO2 “零排放”的特性。但是, 秸秆氯元素含量高, 灰渣中钾、钠成分高, 熔点低, 锅炉运行中容易造成结渣、腐蚀和堵灰。因此, 燃用秸秆的锅炉需要解决炉前燃料输送、破碎、储存、防火以及锅炉本体的结渣、堵灰、腐蚀等问题。
1 输送、破碎
目前秸秆的输送和破碎主要有4 种方式:
(1)在收购站将秸秆破碎之后再运至电厂, 此方式可保持电厂环境清洁, 但是运输成本较高;
(2)在收购站打包, 运送至电厂料场堆放, 在入炉前破碎, 此方式运输成本相对较低, 但需要注意料场防火;
(3)不破碎, 在收购站打包后运送至电厂直接入炉, 此方式对锅炉燃烧技术要求极高, 燃料入炉后不易烧透, 会增加机械不完全燃烧损失;
(4)将秸秆压块, 将松散的秸秆压成颗粒状, 其能量密度可增10 倍左右, 大幅度降低运输和存储成本。目前, 国内外常用第2 种方法。
2 低灰熔点结焦
同传统燃料相比, 秸秆燃烧的低灰熔点问题尤其突出(某些秸秆灰熔点变形温度约为650 ～ 700 ℃)。对此, 可从以下几方面解决:
(1)水冷振动炉排与纯风冷的炉排相比, 冷却效果更佳, 更适合生物质燃料的燃烧。水冷振动炉排具有自拨火功能, 落在炉排上燃烧的秸秆能够随着振动频率和振动周期进行翻滚, 防止外部生成的焦炭互相搭桥、结渣、粘结在炉排面上。炉排面积热负荷可达3200 W/(m2 /h)。
(2)对于强结焦性秸秆, 应该选取较低炉膛容积热负荷。由于采用分段送风技术, 炉膛断面热负荷可以达到1 700 kW/m² , 炉膛容积热负荷可达140 kW/m³ 。
(3)生物质燃料的燃烧属于扩散燃烧, 燃烧温度较低, 其燃烧速度主要取决于氧气到达碳粒表面的速度。因此, 送风应具有一定的刚度, 同时考虑在炉膛下部尽可能形成风帘, 加大风与碳粒的接触面积, 增加秸秆在炉膛的停留时间。为防止结焦, 送风地点不宜过分集中, 风口的布置和送风方向应保证与之发生燃烧反应的燃料所释放的热量不足以产生结焦现象。
3 堵灰
生物质燃料的灰量按质量计不高, 但是由于比重轻, 所以体积大。在锅炉尾部, 烟气温度较低, 灰中含有Cl 、S 、K 、N a 等元素组成的复杂混合物, 具有较强的粘结性和腐蚀性, 一旦粘在金属表面就容易产生腐蚀。因此, 尾部受热面的设计可考虑采用屏式布置形式, 此时烟气尽管速度较低, 但是由于节距过大, 所以灰无法搭桥, 不易产生堵灰。
4 高温、低温腐蚀
秸秆的高温腐蚀主要与Cl2 和HCl 有关。金属表面在氧化环境中会形成一层Fe3O4 氧化膜, 可以对金属起到防止氧化反应向金属纵深发展的保护作用。但是, 由于Cl2 和HCl 的存在, Cl 元素在整个反应链中起到催化剂的作用, 具体化学反应式如下:
M(s)+Cl2(g) MCl2(s)
M(s)+2HCl(g) MCl2(g)+H2(g)
MCl2(s) MCl2(g)
式中,M 代表Fe ,Cr ,Ni 。
金属剥落层表面的金属氯化物与氧气发生如下反应:
3MC l2(g)+2O2(g) M3O4(s)+3Cl2(g)
2MC l2(g)+(3/2)2O2(g) M2O3(s)+3Cl2(g)
由此可见, 气态氯在几乎没有消耗的情况下不断将金属由金属表面传递到氧气分压力高的剥落层表面。同时, 还伴有碱金属氯化物的硫酸化与金属氧化膜直接反应等一系列的化学反应。其腐蚀反应式如下:
4M(s)+3Cl2(g) 2M3O2(s)
高温腐蚀在金属壁温470 ～ 600 ℃之间速度较快,而目前国内燃烧秸秆锅炉主蒸汽温度多在此温度范围, 高温腐蚀不可避免, 因此应尽可能地延缓高温腐蚀。
延缓高温腐蚀的措施主要为合理布置受热面, 严格控制受热面金属壁温和选取抗高温腐蚀能力较强的材料。
当金属壁面温度低于150 ℃时, 低温腐蚀的速度非常快。这种腐蚀属于电化学腐蚀, 是由于烟气中的HCl 和SO3 在露点以下形成盐酸和硫酸, 这些酸对受热面金属产生腐蚀。防止低温腐蚀的方法是将排烟温度控制在露点所确定的烟气出口温度之上。在按照常规布置方式无法满足要求的情况下, 空气预热器采用蒸汽或水作为换热介质是较好的解决方法。在经济性无法满足的情况下, 可以考虑采用耐低温腐蚀性能较好的材料。
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1 输送、破碎
目前秸秆的输送和破碎主要有4 种方式:
(1)在收购站将秸秆破碎之后再运至电厂, 此方式可保持电厂环境清洁, 但是运输成本较高;
(2)在收购站打包, 运送至电厂料场堆放, 在入炉前破碎, 此方式运输成本相对较低, 但需要注意料场防火;
(3)不破碎, 在收购站打包后运送至电厂直接入炉, 此方式对锅炉燃烧技术要求极高, 燃料入炉后不易烧透, 会增加机械不完全燃烧损失;
(4)将秸秆压块, 将松散的秸秆压成颗粒状, 其能量密度可增10 倍左右, 大幅度降低运输和存储成本。目前, 国内外常用第2 种方法。
2 低灰熔点结焦
同传统燃料相比, 秸秆燃烧的低灰熔点问题尤其突出(某些秸秆灰熔点变形温度约为650 ～ 700 ℃)。对此, 可从以下几方面解决:
(1)水冷振动炉排与纯风冷的炉排相比, 冷却效果更佳, 更适合生物质燃料的燃烧。水冷振动炉排具有自拨火功能, 落在炉排上燃烧的秸秆能够随着振动频率和振动周期进行翻滚, 防止外部生成的焦炭互相搭桥、结渣、粘结在炉排面上。炉排面积热负荷可达3200 W/(m2 /h)。
(2)对于强结焦性秸秆, 应该选取较低炉膛容积热负荷。由于采用分段送风技术, 炉膛断面热负荷可以达到1 700 kW/m² , 炉膛容积热负荷可达140 kW/m³ 。
(3)生物质燃料的燃烧属于扩散燃烧, 燃烧温度较低, 其燃烧速度主要取决于氧气到达碳粒表面的速度。因此, 送风应具有一定的刚度, 同时考虑在炉膛下部尽可能形成风帘, 加大风与碳粒的接触面积, 增加秸秆在炉膛的停留时间。为防止结焦, 送风地点不宜过分集中, 风口的布置和送风方向应保证与之发生燃烧反应的燃料所释放的热量不足以产生结焦现象。
3 堵灰
生物质燃料的灰量按质量计不高, 但是由于比重轻, 所以体积大。在锅炉尾部, 烟气温度较低, 灰中含有Cl 、S 、K 、N a 等元素组成的复杂混合物, 具有较强的粘结性和腐蚀性, 一旦粘在金属表面就容易产生腐蚀。因此, 尾部受热面的设计可考虑采用屏式布置形式, 此时烟气尽管速度较低, 但是由于节距过大, 所以灰无法搭桥, 不易产生堵灰。
4 高温、低温腐蚀
秸秆的高温腐蚀主要与Cl2 和HCl 有关。金属表面在氧化环境中会形成一层Fe3O4 氧化膜, 可以对金属起到防止氧化反应向金属纵深发展的保护作用。但是, 由于Cl2 和HCl 的存在, Cl 元素在整个反应链中起到催化剂的作用, 具体化学反应式如下:
M(s)+Cl2(g) MCl2(s)
M(s)+2HCl(g) MCl2(g)+H2(g)
MCl2(s) MCl2(g)
式中,M 代表Fe ,Cr ,Ni 。
金属剥落层表面的金属氯化物与氧气发生如下反应:
3MC l2(g)+2O2(g) M3O4(s)+3Cl2(g)
2MC l2(g)+(3/2)2O2(g) M2O3(s)+3Cl2(g)
由此可见, 气态氯在几乎没有消耗的情况下不断将金属由金属表面传递到氧气分压力高的剥落层表面。同时, 还伴有碱金属氯化物的硫酸化与金属氧化膜直接反应等一系列的化学反应。其腐蚀反应式如下:
4M(s)+3Cl2(g) 2M3O2(s)
高温腐蚀在金属壁温470 ～ 600 ℃之间速度较快,而目前国内燃烧秸秆锅炉主蒸汽温度多在此温度范围, 高温腐蚀不可避免, 因此应尽可能地延缓高温腐蚀。
延缓高温腐蚀的措施主要为合理布置受热面, 严格控制受热面金属壁温和选取抗高温腐蚀能力较强的材料。
当金属壁面温度低于150 ℃时, 低温腐蚀的速度非常快。这种腐蚀属于电化学腐蚀, 是由于烟气中的HCl 和SO3 在露点以下形成盐酸和硫酸, 这些酸对受热面金属产生腐蚀。防止低温腐蚀的方法是将排烟温度控制在露点所确定的烟气出口温度之上。在按照常规布置方式无法满足要求的情况下, 空气预热器采用蒸汽或水作为换热介质是较好的解决方法。在经济性无法满足的情况下, 可以考虑采用耐低温腐蚀性能较好的材料。
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