生物質循環流化床鍋爐存在的問題及控制措施

李佳剛

摘 要：循環流化床鍋爐是一種非常適合燃燒生物質的鍋爐，但是相較煤炭而言，生物質中含有較多的堿金屬和氯元素，這給燃燒生物質的鍋爐帶來了一系列特殊的問題，文章在探討這些問題的基礎上，提出了相應的控制措施。

關鍵詞：生物質循環流化床鍋爐；床料燒結控制措施；高溫腐蝕控制措施；低溫腐蝕控制措施

1 循環流化床鍋爐簡介

循環流化床鍋爐具有效率高、煤種適用性廣、調峰能力強、污染物排放量低、爐渣綜合利用性好等特點，自上世紀80年代以來循環流化床鍋爐得到了迅速的發展，技術也日趨成熟。循環流化床鍋爐是一種流態化燃燒的鍋爐，在爐膛內部存在著大量的循環床料。一次風從爐膛底部進入鍋爐，把大量的床料吹起，使床料在爐膛的中間部分沿爐膛向上運動，而在爐膛的四周，床料則沿著水冷壁下降，并在下降過程中完成熱量交換。

循環流化床鍋爐的特點是設置了由分離器和返料器組成的物料循環回路。燃料在爐膛內燃燒生成大量的煙氣，這些煙氣攜帶大量的物料從爐膛進入分離器，在分離器內物料和煙氣進行氣固分離，煙氣從分離器頂部進入鍋爐尾部煙道，而分離下來的物料則通過返料器再次進入爐膛，參與下一次燃燒循環。因此循環流化床鍋爐具有很高的燃燒效率。

2 生物質循環流化床鍋爐簡介

煤炭作為一種不可再生的化石能源，在國民生產生活中扮演著重要的角色，但是一方面煤炭是一種不可再生能源，這使得尋找替代能源已成為無法回避的問題；另一方面煤炭也是一種高污染的能源。當前環境污染已經成為我國面臨的重大問題之一，為了治理環境污染，我國出臺了一系列的法律法規，燃煤鍋爐將受到越來越嚴格的限制。生物質的可再生性和清潔性，使它在熱電領域成為了煤炭的理想替代者，近年來燃用生物質的鍋爐已經得到了廣泛的應用。

目前燃燒生物質的鍋爐主要有兩種，一種是爐排式的層燃鍋爐，一種是流化床鍋爐。生物質燃料的一般特點是水分很高、發熱值偏低，因此著火和燃盡都比較困難。循環流化床鍋爐的爐膛內存在著大量的溫度在800℃左右的床料，蓄熱量大，并且具有很高的循環倍率，因此即使生物質含水率高達50%～60%，也能夠保證正常的著火燃燒。同時由于物料的不斷循環，使得燃料的燃盡率能夠得到最大的保證，因此循環流化床鍋爐是最適合燃燒生物質的鍋爐。但循環流化床鍋爐在燃燒生物質方面也存在一定的問題，主要表現在以下兩個方面。

（1）生物質燃料揮發份高、灰量偏少，造成了鍋爐自身循環物料量不足。

（2）生物質中堿金屬和氯元素含量高，易于積灰和堵灰，并造成受熱面的高溫腐蝕和低溫腐蝕。

3 生物質循環流化床鍋爐存在問題的分析及控制措施

3.1 床料燒結問題及控制措施

如上所述，在循環流化床鍋爐的爐膛內有大量的循環物料，這是保證鍋爐正常運行的必要條件，而生物質燃料揮發份高、灰份低、灰量偏少，無法保證鍋爐正常運行的循環灰量，因此在運行中要需要添加一定的循環床料。比較普遍的做法是向爐膛內添加石英砂，但是添加石英砂會帶來兩個問題，一是由于砂子硬度高，會增加鍋爐受熱面的磨損；二是容易造成爐膛內物料燒結和結渣，這主要是由于生物質中鉀、鈉等堿金屬含量較高而造成的。溫度、流化風速和氣氛都會影響到生物質灰的燒結，但溫度是影響燒結的最主要因素，溫度越高越易燒結。一般認為，在高溫條件下生物質灰中的鉀和鈉與砂中的SiO2反應，生成低熔點的共晶體，共晶體在爐膛的高溫下熔化并沿著砂的縫隙流動，將砂粒粘結，形成塊狀。其反應方程式如下：

2SiO2+Na2O-Na2O·2SiO2

4SiO2+K2O-K2O·4SiO2

要防止運行中燒結現象的發生，可采取以下兩種控制措施：

（1）在鍋爐結構上采取適當措施，從根本上解決爐膛溫度過高的問題。主要措施是選取合理的一、二次風配比和合理的爐膛受熱面布置，使爐膛的溫度場更加均勻，保證爐膛運行溫度不會過高。

（2）在添加循環物料的時候，選取適宜的惰性物料以抑制低熔點共晶體的形成。不同的元素對燒結的影響是不同的，從這個角度出發，可以選擇富含抑制燒結元素的床料，提高燒結發生的溫度。從經濟性和易獲性考慮，建議選用煤渣刷分下來的顆粒或燃煤循環流化床鍋爐的渣料作為鍋爐的循環物料。

3.2 高低溫腐蝕問題及控制措施

生物質燃料中的氯元素是造成受熱面高溫腐蝕和低溫腐蝕的主要因素，其腐蝕曲線如圖1所示。其中高溫腐蝕主要發生在過熱器處，其發生的原因有兩個：一是受熱面的管壁溫度處于易腐蝕區域，二是受熱面表面形成含有堿金屬氯化物的高溫粘結灰。這種粘結灰形成以后，與煙氣中硫化物和氯化物會發生復雜的化學反應，形成積灰腐蝕，影響受熱面安全。針對高溫腐蝕的形成機理，可采取以下幾種控制措施。

（1）過熱器受熱面的布置，可采用低溫過熱器在前，高溫過熱器在后的布置方式，使高溫過熱器的管壁溫度避開腐蝕較高的溫度區域。（2）過熱器管材可選用耐腐蝕的不銹鋼管材，以減輕腐蝕的影響。（3）尾部受熱面采用順列布置，并采用較大的橫向節距，減少管列間搭橋堵塞的可能性。（4）在所有的對流受熱面處都必須布置性能良好的吹灰器，并多次數運行。特別需要注意的是，在鍋爐剛開始運行時就投入吹灰器，否則，如果受熱面一旦粘結灰分就不易去除。

低溫腐蝕主要發生在空氣預熱器的冷段，特別是冷空氣進口端。其發生的原因是煙氣溫度低于酸露點溫度，從而使煙氣中的酸性氣體在受熱面上凝結形成酸液，造成受熱面的腐蝕。生物質燃燒生成的煙氣中除了含有會形成硫酸的硫氧化物外，還含有能形成鹽酸的氯化物。通常來說生物質中硫含量極低且大部分為硫酸鹽形式的無機硫，因此硫氧化物造成的腐蝕份額很小，主要是含氯的鹽酸類造成的低溫腐蝕。煙氣中的HCL來源于生物質中的氯，正常狀態下這些氯與堿金屬形成堿金屬鹽，但是在爐內高溫下部分堿金屬鹽會發生化學反應，進入氣相以HCL形式存在。針對低溫腐蝕的形成機理，可采取以下幾種控制措施。

（1）爐膛采用低溫燃燒。低溫燃燒可以將生物質中的氯大部分維持在灰相中，以堿金屬氯化物的形式存在，減少氣相氯的析出，從根本上緩解低溫腐蝕問題。（2）設計合理的排煙溫度，盡量使排煙溫度高于酸露點。（3）選擇具有良好耐腐蝕性能的空預器材質。目前搪瓷管空氣預熱器已經在防腐蝕方面得到了廣泛的應用。（4）空預器采用臥式布置，這樣即使發生腐蝕也便于檢修更換。

4 結束語

煤炭資源的不斷減少和環境問題的日益突出，使生物質能源對煤炭的替代率將會越來越高，而循環流化床鍋爐作為燃燒生物質的最適宜爐型，必將獲得更大的發展。文章分析了循環流化床鍋爐燃燒生物質時存在的主要問題及控制措施，使生物質循環流化床鍋爐的特性有了更清晰的呈現，希望能給廣大鍋爐設計工作者帶來有益幫助。

參考文獻

[1]岑可法.循環流化床鍋爐理論設計與運行[M].中國電力出版社.

[2]盧嘯風.大型循環流化床鍋爐設備與運行[M].中國電力出版社.