循環(huán)流化床鍋爐結渣特性研究

1、循環(huán)流化床鍋爐結渣特性研究作者：王曙光 蘇鐵熊 武世福 趙耀芳來源：環(huán)境與發(fā)展2014年第03期摘要循環(huán)流化床燃燒技術是近年來在國際上發(fā)展起來的新一代高效、低污染清潔燃燒技術，生物質(zhì)燃料是具有廣闊發(fā)展前景的新型燃料。本文通過循環(huán)流化床鍋爐中混燃時的結渣問題進行了分析研究，并對解決發(fā)電廠鍋爐結渣問題給出了相應的技術措施。關鍵詞循環(huán)流化床 生物質(zhì) 結渣 技術措施中圖分類號X383文獻標識碼 A文章編號2095-672X （2014）03-0014-03Abstract： Circulating fluidized bed combustion technology is developed in

2、recent years in the world a new generation of high efficiency and low pollution clean combustion technology， the biomass fuel is a new kind of fuel has the broad prospects for development. In this paper， through mixing combustion in circulating fluidized bed boiler slagging problems are analyzed， an

3、d to solve the problem of power plant boiler slagging corresponding technical measures are given.Key words： Circulating fluidized bed ；Biomass ；Slagging ； Technical measures前言能源和材料是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，是人類從事各種經(jīng)濟活動的原動力，是維持和發(fā)展社會經(jīng)濟、人類生活及物質(zhì)文明的最基本因素。在眾多的可再生能源中，具有廣泛使用價值的是生物質(zhì)能。生物質(zhì)能是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學能后

4、固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量，它以生物質(zhì)為載體，性能穩(wěn)定，同風能、太陽能相比，很少受自然因素的制約，又能加工轉(zhuǎn)換成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，能儲存運輸。生物質(zhì)能是唯一可再生的碳源，生物質(zhì)生長過程中吸收大量的CO2氣體，燃燒過程排放的CO2氣體與吸收的相當，因此被稱為CO2中性燃料。結渣問題是煤與生物質(zhì)混燃過程中經(jīng)常遇到的問題，本文通過對結渣機理、結渣影響因素等的探討，以及對混燃結渣問題進行分析來研究，達到在一定程度上指導鍋爐運行的目的。 1結渣的現(xiàn)狀及意義受熱面結渣是一極為復雜的理化過程，影響因素很多，不僅牽扯到煤中礦物結構、組成等，還與礦物質(zhì)在爐內(nèi)加熱過程中的理化變化以及在爐內(nèi)的運動和爐內(nèi)氣

5、氛等有關。國外雖研究多年，但至今尚未能達到準確的科學性，依據(jù)仍然是經(jīng)驗。國內(nèi)近幾年在一些單位開展的研究，還不能滿足鍋爐設計人員和運行人員的迫切需要。因此，為了進一步向鍋爐設計、運行和添加劑等方面提供選用的認識，消除或減輕受熱面結渣，提高鍋爐可用率、經(jīng)濟性和安全性，節(jié)約能源，加強受熱面結渣機理的研究是很有必要和很有現(xiàn)實意義的。綜合分析國內(nèi)外關于爐內(nèi)結渣的研究工作，大致分3個研究方向。即燃料特性、鍋爐結構和運行方式。同一個煤種在不同形式的鍋爐上結渣程度是有差別的。設計鍋爐時爐膛容積熱負荷、截面熱負荷與燃燒器區(qū)域熱負荷等參數(shù)選取不當，即使灰熔點高的煤種也會引起結渣。鍋爐運行方式對結渣影響也很大，對四

6、角切園燃燒方式來說，各角配風不均勻也會對鍋爐結渣造成很大的影響，經(jīng)常出現(xiàn)在同一電廠燃用相同的煤種，同型的兩臺鍋爐的結渣程度不同，其主要原因很可能是運行方式有差別。以上三者相互影響，使結渣問題復雜化，而三者中，對燃料特性的研究又是鍋爐設計和運行的主要依據(jù)，因此，對燃料結渣特性的研究受到許多重視。 2循環(huán)流化床鍋爐結渣機理2.1結渣形成過程對于循環(huán)流化床鍋爐，一部分為鍋爐受熱面的結渣問題，一部分是床料結渣問題。受熱面的結渣一般認為是由熔融或半熔融顆粒撞擊到受熱面引起的。撞擊在受熱面上的熔融 半熔融狀態(tài)的灰粒在受熱面上冷卻后，可能會因各種因素（如重力 氣流剪切力 灰粒撞擊等）的作用而脫落，也可能因撞

7、擊的熔融 半熔融顆粒大多來不及完全凝固，沉積物內(nèi)部燒結及捕捉表面的存在等而繼續(xù)粘附1。文獻2對灰渣結構的分析也證實了上述觀點生物質(zhì)燃燒后，堿性灰成分如KCl 、NaCl 等，在高溫條件下熔化并粘附在床料顆粒表面，形成粘附層。當粘附到一定厚度后，就會產(chǎn)生足夠大粘力，使碰撞的顆粒粘連在一起形成結渣。這是床料結渣問題。下面首先是受熱面的結渣問題，這與一般電站鍋爐的結渣問題是相似的。1） 初始沉積物的形成3一臺鍋爐投運后不久，就會在受熱面上沉積一層灰。這層沉積物在初期一般與受熱面接連得較松，而且在鍋爐運行后不久沉積層厚度相對趨于穩(wěn)定。稱這層沉積物為初始沉積物。 煤粉在爐內(nèi)燃燒后形成的煙氣中，含有氣態(tài)和

8、顆粒狀的礦物質(zhì)。當煙氣流過受熱面時，礦物質(zhì)會通過下面幾種方式發(fā)生沉積，形成初始沉積物：（1） 氣體擴散（2） 粒子擴散沉積（3） 熱泳力沉積（4） 電泳力沉積（5） 慣性沉積此外，還存在渦流擴散沉積，這在管子背風面沉積物的形成中是重要的。一般認為結渣是由熔融或半熔融顆粒撞擊到受熱面引起的。由于熔渣能潤濕金屬和耐火材料，因此這種熔融或半熔融顆粒形成的初始沉積物與受熱面之間的粘附力比固體顆粒組成的初始沉積物與受熱面之間的粘附力通常要大的多，煙氣沖刷以及慣性大的固體顆粒的撞擊等已不能將其除去。除非及時用吹灰或機械振打等方法，尚較易清除粘附在鍋爐水冷壁管或其它冷卻件上。但是對粘附在高溫耐火磚壁面上的仍

9、難以清除。這種初始就與受熱面具有較大粘附力的沉積物可支撐較多的隨后粘附在其上的顆粒。煤灰成分一般能相互潤濕，因而隨后沉積在熔融或半熔融顆粒與初始沉積物之間也具有較大的粘附力，使沉積層厚度進一步增加。初始沉積物形成后，使爐內(nèi)環(huán)境煙溫升高，沉積速率增加，又隨著時間增加，初始沉積物與受熱面之間的粘附強度增加，沉積物之間的粘接強度增加，沉積層厚度增加，沉積物表面溫度又增加，煙氣溫度也又增加，直到沉積到沉積面的熔融半熔融態(tài)的顆粒不再發(fā)生凝固，即形成“捕捉”表面?！安蹲健北砻嫘纬梢院蟛粌H熔融顆粒，而且凡是只要撞擊上的固定顆粒一般大多都會被捕捉，從而沉積層厚度快速增加。被捕集的固體顆粒熔解在熔融的沉積表面中

10、，使表面層灰熔點粘度升高，從而發(fā)生凝固，且又形成新的“捕捉”表面，直到沉積表面溫度達到重力作用下流動的界限粘度值（一般為250泊）時的溫度，沉積層厚度不再增加，撞上的固態(tài)或熔融態(tài)的顆粒由于重力關系將隨表面向下流動。初次“捕捉”表面形成以前的沉積物稱為一次沉積物，以后的沉積物稱為二次沉積物。一次沉積物的形成有快有慢，但一般較慢，這可能有如下幾個原因：（1） 即使是在發(fā)生結渣的鍋爐中，能夠到達受熱面時仍處于熔融或半熔融態(tài)的顆粒在初始不是很多；（2） 由于受熱面上會有升一些松散的固體顆粒沉積在上面，使得粘附性強的初始沉積層的形成需要多次反復；（3） 運行工況時有改變；（4） 沉積物中一些成分繼續(xù)反應

11、，產(chǎn)生氣體；（5） 富鐵沉積物的導熱系數(shù)相對較大，沉積層厚度增加，對爐溫影響不大太大。綜合上面分析，結渣過程包括三步：（1） 初始沉積層形成；（2） 一次沉積層形成；（3） 二次沉積層形成。一般（1）、（3）過程較快，（2）過程較慢。結渣速度主要取決于（2）過程。各沉積層形成均以慣性沉積方式為主。2. 2床料結渣研究分析發(fā)現(xiàn)床料結渣的形成主要有以下3種類型：1） 灰分與床料反應，生成有很強粘結性的物質(zhì)。相對較小的床粒子在這類物質(zhì)粘結下形成結渣，然后再聚結成塊。這類結渣的特征是有一個固體核心。2） 灰粒附著在燃燒的煤粒周圍，煤粒燃燒完畢時形成中空的蛋殼狀結渣。這類結渣的直徑大多在9-54mm 之

12、間。3） 當流態(tài)停滯導致局部溫度過高，達到飛灰的熔化溫度時，結渣就以燒結塊形式出現(xiàn)。這類結渣是床粒在局部高溫狀態(tài)下發(fā)生熔化的結果。實驗發(fā)現(xiàn)，燃燒中堿性物質(zhì)容易生成結渣，即使正常溫度下，鐵、釩、鈣等元素的化合物也能發(fā)生結渣。如果運行溫度值較高，一些硅鋁化合物也會參與，形成結渣。根據(jù)以上分析，提出結渣生成的機理。第一種情況的生成機理是：呈粒狀液態(tài)金屬離子或氣相離子的飛灰經(jīng)過多相凝結粘結在床粒子上，形成粘性灰層，導致一些床料細孔充滿固體物質(zhì)而結渣。第二種情況的機理是：粘性床料離子粘結在燃燒著的煤粒周圍，隨著煤粒的燃盡而形成中空的蛋殼類結渣。其生成機理如圖1所示。圖1 蛋殼狀結渣生成機理圖3結渣采取的

13、措施（1）對輕度結渣、積灰的影響要給予高度的重視。實踐證明吹灰不僅是防止和減輕結渣、積灰的最有效措施，而且還是電廠節(jié)能的一種手段。因此，在運行操作過程中，應觀察燃燒情況，適時投運吹灰器，以防止大面積結渣。（2）保持適當?shù)腻仩t熱負荷，不要超負荷運行。運行中一定要使爐膛內(nèi)的燃燒區(qū)域和煙氣溫度場合理分布，從而避免因局部區(qū)域熱負荷過高而產(chǎn)生結渣現(xiàn)象。（3）保持適中的煤粉細度。根據(jù)實際的煤種情況，通過調(diào)整分離器系統(tǒng)的通風量將煤粉細度調(diào)整到合適的范圍內(nèi)。生產(chǎn)中煤粉細度的選擇要綜合考慮穩(wěn)燃、爐膛及爐膛出口受熱面是否結渣、機械不完全燃燒損失、制粉電耗等因素。（4）加強運行和檢修管理。一般爐內(nèi)是否有結渣現(xiàn)象、爐膛熱負荷、燃燒區(qū)域溫度分布、煤粉細度、煙氣中的氧量以及爐內(nèi)氣流的動力工況等都可以通過對運行中儀表的監(jiān)視和實際觀察得到了解，發(fā)現(xiàn)不良情況及時進行調(diào)整，對已出現(xiàn)的結渣塊要及時進行清除，這是防止結渣的重要手段。檢修的時候，清除每個部位上的積存灰渣，保證通風、制粉、燃燒等設備的良好工作狀態(tài)，對于預防鍋爐結渣十分重要。4結論通過對鍋爐結渣原因的分析，對于鍋爐結渣和積灰問題，要在理論分析的基礎上，聯(lián)系鍋爐具體參數(shù)和工況，尋找切實可行的防治措施，這樣就可以消除結渣，保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。參考文獻1盛昌棟. 高濃度煤粉燃燒