某生物質(zhì)電廠引風機入口擋板結(jié)垢原因分析及解決對策

韓煒，毛軍，范海濤，汪小林

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院，武漢 430071； 2.安能(安陸)生物質(zhì)熱電有限公司，湖北 安陸 432600)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速增長，用電需求逐年增加，煤、石油、天然氣等一次能源的消耗也隨之增加。同時，全國霧霾天氣的加劇、國家節(jié)能減排政策的重壓，使高污染、高排放的小型燃煤機組逐漸被淘汰[1-2]。因此，可再生能源的發(fā)展勢在必行。而生物質(zhì)作為一種重要的清潔可再生能源，已受到越來越多國家的重視[3-5]。

我國生物質(zhì)資源豐富且分布廣泛，成為可再生能源的重要研究對象。生物質(zhì)能源利用技術(shù)主要包括直接燃燒、熱化學轉(zhuǎn)換、生物轉(zhuǎn)換以及液化[4，6]。其中，生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電是目前最簡便可行的高效利用方式之一，已在許多國家得到了應(yīng)用[7]。

然而，生物質(zhì)電廠在運行過程中，鍋爐尾部受熱面經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)垢、結(jié)渣、積灰等情況，影響鍋爐的熱效率，降低電廠的經(jīng)濟性，嚴重時需要對機組進行停機清垢處理，影響機組安全、穩(wěn)定運行[8]。研究表明，生物質(zhì)中含有較多促進結(jié)垢的Cl和S，而生物質(zhì)水洗是降低和減輕結(jié)渣的方法之一[9]。雖然國內(nèi)外對生物質(zhì)電廠鍋爐結(jié)垢的研究很多，但其結(jié)垢的機制并不確定，需要進行進一步的研究和探索[10]。

國內(nèi)某生物質(zhì)電廠引風機入口風門擋板結(jié)垢，導致無法調(diào)節(jié)擋板開度，進而無法調(diào)節(jié)鍋爐負荷，影響機組的安全、穩(wěn)定運行。本文針對這一情況，對結(jié)垢物進行了取樣檢測，并分析討論了結(jié)垢物的生成原因以及解決對策。

1 引風機變工況運行簡介

引風機運行時，其運行工況點是隨著鍋爐負荷的變化而改變的，這種實現(xiàn)風機運行工況點的改變過程稱為運行工況調(diào)節(jié)[11]。本文所研究的生物質(zhì)電廠，其鍋爐引風機即是通過調(diào)節(jié)引風機入口擋板開度以調(diào)節(jié)煙氣流量，從而達到調(diào)節(jié)鍋爐負荷的目的，實現(xiàn)變工況運行。電廠引風機及擋板門如圖1、圖2所示。

圖1 引風機外形

圖2 矩形擋板門

2 現(xiàn)場情況調(diào)查

2.1 結(jié)垢情況調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該電廠鍋爐#1，#2引風機配置的矩形擋板門在運行過程中均出現(xiàn)了不同程度的結(jié)垢。運行約20 d時，擋板門就由于結(jié)垢嚴重而無法正常調(diào)節(jié)其開度，需要停機進行清垢處理。擋板門的結(jié)垢情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場擋板門結(jié)垢情況

2.2 結(jié)垢樣品成分檢測

2.2.1 X-射線熒光光譜分析

X-射線熒光光譜(XRF)是一種比較分析技術(shù)，在較嚴格的條件下用一束X射線或低能光線照射樣品材料，使樣品發(fā)射特征X射線，這些特征X射線的能量對應(yīng)各特定元素，樣品中元素的質(zhì)量分數(shù)直接決定射線的強度。結(jié)垢樣品的XRF測試結(jié)果如圖4所示，結(jié)垢樣品XRF測試結(jié)果見表1。

表1 結(jié)垢樣品XRF測試結(jié)果 %

圖4 結(jié)垢樣品X射線熒光光譜圖

從檢測結(jié)果可以看出，樣品的組織結(jié)構(gòu)中基本只含Cl元素，由于X-射線熒光無法測出元素周期表中Na以前的元素，所以還無法確定結(jié)垢樣品中的物質(zhì)具體是什么。

2.2.2 X-射線衍射分析

樣品的結(jié)晶化合物可以進一步通過X-射線衍射(XRD)檢測確定，檢測結(jié)果如圖5所示(其中橫坐標為掃描角度)。

圖5 樣品XRD測試結(jié)果

檢測結(jié)果顯示，樣品的晶體結(jié)構(gòu)與NH4Cl的晶體結(jié)構(gòu)吻合，且N和H正好是元素周期表中Na之前的元素，表明樣品的主要成分就是NH4Cl的結(jié)晶體。

3 結(jié)垢原因分析

對該電廠引風機入口風門擋板的結(jié)垢物進行了XRF測試和XRD測試，得知其主要成分為NH4Cl結(jié)晶體。因此想要抑制結(jié)垢物的生成，需從NH4Cl結(jié)晶體的成分來源和生成條件兩方面進行分析。

3.1 NH4Cl的成分來源分析

生物質(zhì)電廠鍋爐及尾部煙道的結(jié)渣、結(jié)垢是由于飛灰顆粒中K和Cl的含量較高所引起的，引風機入口風門擋板大量高純度NH4Cl結(jié)垢物與燃料中所攜帶的Cl有必然聯(lián)系。而NH4Cl是一種常用的肥料，尤其在棉花地中的使用十分廣泛。生物質(zhì)燃料大多來自農(nóng)田林地，在其運輸和制備過程中，燃料中必然會摻入大量的土壤成分，而該工程需燃用大量的樹根和棉花稈，帶土嚴重，因此也需對燃料來源地的土壤進行分析。該生物質(zhì)電廠燃料來源地的土壤檢測結(jié)果見表2。由表2可知，土壤中Cl的質(zhì)量分數(shù)高達6.914%，而棉花稈中Cl的質(zhì)量分數(shù)只有0.46%(棉花稈成分分析見表3)，土壤中的Cl含量遠大于棉花稈中的Cl含量。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃料帶土現(xiàn)象嚴重，且未經(jīng)任何處理(如圖6、圖7所示)，這說明引風機入口風門擋板處NH4Cl主要來源于土壤。

表2 土壤成分分析 %

表3 棉花稈成分分析 %

圖6 生物質(zhì)堆料場

圖7 生物質(zhì)破碎現(xiàn)場

3.2 NH4Cl的生成條件分析

生物質(zhì)電廠運行過程中，燃料燃燒生成的大量煙氣經(jīng)鍋爐尾部省煤器、空氣預熱器及布袋除塵器除塵之后，煙氣溫度已降至120 ℃左右，流經(jīng)引風機入口處時，其溫度環(huán)境已十分適合NH4Cl結(jié)晶體的生成。煙氣與擋板接觸，大量的NH4Cl在低溫環(huán)境下結(jié)晶生成NH4Cl結(jié)垢物，久而久之，導致?lián)醢彘_度無法正常調(diào)節(jié)，影響引風機的安全、穩(wěn)定運行。此外，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，將煙氣溫度調(diào)高至160 ℃并運行一段時間，引風機入口擋板結(jié)垢現(xiàn)象得到明顯改善，表明擋板處煙氣溫度偏低是造成引風機入口風門擋板結(jié)垢的主要原因。鍋爐煙風系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 煙風系統(tǒng)

4 解決對策

通過前面的分析可知，進爐生物質(zhì)燃料攜帶過多土壤以及擋板處煙氣溫度偏低是造成引風機入口風門擋板結(jié)垢的主要原因。

從結(jié)垢物的來源分析，要想抑制結(jié)垢物的生成，需降低燃料中NH4Cl的含量，因此需對生物質(zhì)燃料進行清土處理。然而生物質(zhì)燃料具有自然堆積密度低、體積大、難以儲存和運輸?shù)奶攸c，并且生物質(zhì)電廠每時每刻都需要處理大量的生物質(zhì)燃料，使得對生物質(zhì)燃料進行清土處理變得十分困難，既不經(jīng)濟，也不具備可行性。

從結(jié)垢物的生成條件分析，調(diào)高煙氣溫度可以有效防止NH4Cl的結(jié)晶，然而，煙氣溫度的升高意味著鍋爐效率的降低，違背了電廠設(shè)計的初衷。

本文利用鍋爐煙風物料系統(tǒng)中的熱二次風引一路至引風機入口風門擋板，以提高此處擋板環(huán)境溫度。熱二次風的溫度達到了212 ℃，從而避免煙氣流經(jīng)此處時因溫度過低而利于生成NH4Cl結(jié)垢物?？紤]到熱風引入到風門擋板處能覆蓋的區(qū)域有限，只需消除風門擋板葉片和風門框架內(nèi)壁之間的結(jié)垢就能達到擋板自由調(diào)節(jié)的目的，所以引入到風門內(nèi)部的熱風主要覆蓋每塊風門擋板葉片和框架內(nèi)壁之間的區(qū)域。引入的熱二次風管道上設(shè)置手動調(diào)節(jié)門，可以調(diào)節(jié)引入到風門處的熱二次風風量。方案實施后的鍋爐煙風系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 方案實施后煙風系統(tǒng)簡圖

方案實施后，該電廠2臺引風機入口風門擋板的結(jié)垢情況得到了明顯改善，其擋板門的開度均能夠自由調(diào)節(jié)，減少了事故停機次數(shù)，提高了電廠的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

本文通過對某生物質(zhì)電廠引風機入口風門擋板結(jié)垢原因的分析研究，取得以下成果及結(jié)論。

(1)生物質(zhì)電廠引風機入口風門擋板處的結(jié)垢物為純度極高的NH4Cl結(jié)晶體。

(2)通過對生物質(zhì)燃料及燃料所在地的土壤成分分析，土壤中Cl的質(zhì)量分數(shù)為6.914%，遠高于燃料中Cl的質(zhì)量分數(shù)0.460%，且進爐燃料未經(jīng)處理攜帶過多土壤，說明NH4Cl主要從土壤中夾帶而來。

(3)引風機入口風門擋板處煙氣環(huán)境溫度過低是造成NH4Cl結(jié)晶的主要原因，調(diào)高煙氣溫度可以防止結(jié)垢。

(4)通過引入一路熱二次風至引風機入口風門擋板，提高了此處煙氣環(huán)境溫度，改善了擋板門的結(jié)垢情況，解決了擋板門開度無法調(diào)整的問題。

參考文獻：

[1]李小龍.生物質(zhì)煙氣低溫特性及生物質(zhì)干燥特性實驗研究[D].濟南：山東大學，2013.

[2]蔣大龍.生物質(zhì)燃料干燥和燃燒特性研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[3]周中仁，吳文良.生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21(12):12-15.

[4]王海，盧旭東，張慧媛.國內(nèi)外生物質(zhì)的開發(fā)與利用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(1):8-11.

[5]孫永明，袁振宏，孫振鈞.中國生物質(zhì)能源與生物質(zhì)利用現(xiàn)狀與展望[J].可再生能源，2006(2):78-82.

[6]董信光，李榮玉，劉志超，等.生物質(zhì)與煤混燃的灰分特性分析[J].中國電機工程學報，2009，29(26):118-124.

[7]A A Khan, W De Jong, P J Jansens, et al.Biomass combustion in fluidized bed boilers: potential problems and remedies [J].Fuel Processing Technology,2009,(21):50-55.

[8]Knudsen J N，Jensen P A，Johansen K.Transformation and release to the gas phase of Cl，K and S during combustion of annual biomass[J].Energy & Fuels，2004，18(5)：1385-1399.

[9]Tobiasen L，Skytte R，Pedersen L S，et al.Deposit characteristic after injection of additives to a Danish straw-fired suspension boiler [J].Fuel Processing Technology，2007，88(11)：1108-1117.

[10]李琦芬，任建興，潘衛(wèi)國，等.秸稈類生物質(zhì)燃燒結(jié)渣與沉積傾向分析[J].上海電力學院學報，2007，23(4):333-336.

[11]王鑫，閆淑梅，陳城，等.某電廠引風機結(jié)垢原因分析[J].能源與環(huán)境，2012，25(6):26-27.