1.1 锅炉结渣情况

某生物质电厂锅炉为CSG-75/5.3-J型的循环流化床生物质直燃炉,额定蒸发量为75t/h,M型布置方式｡锅炉受热面布置按烟气流向依次为水冷壁､水冷屏､高温过热器(屏过)､中温过热器､低温过热器､省煤器､空预器｡其中水冷屏和屏过布置在炉膛上部前墙侧,其他换热部件依次布置在尾部垂直烟道内(见图1)｡该锅炉运行至今流化床及炉膛辐射受热面基本不结渣,结渣部位主要发生在对流换热区的中温过热器的烟气进口端｡一般锅炉连续运行10~20d后该处就会严重结渣,并造成下部省煤器烟道的严重堵塞(省煤器管顺列布置,管节距相对较小)｡

1.2 沉积渣形态及形成机理

该厂尾部受热面上的结渣不是简单的灰沉积,而是在灰沉积的外部包裹有一层黑色致密的熔融体(硬壳)｡被包裹层内渣块截面分层明显,为相互粘连的黄褐色颗粒,结构相对松散,而其外壳为烧结形态,坚硬呈黑色玻璃体状｡

生物质直燃锅炉尾部受热面的灰渣沉积主要与生物质燃料中碱金属的热解析出冷凝有关｡当生物质燃料在高温作用下,燃料中的碱金属气化逸出进入烟气中,当碱金属化合物气相遇到温度较低的受热面管时,发生冷凝并吸附灰颗粒形成沉积｡随着沉积层增厚,灰层热阻随之增加,烟气中碱金属气相冷凝逐步减弱,粘附沉积速度也相应减弱｡随着沉积层厚度的不断增加,当外侧沉积层温度接近该处烟气温度时,沉积层厚度趋于稳定｡

根据灰渣沉积机理,最外层灰渣碱金属含量相对较低,但因碱金属影响被粘附灰的灰熔点下降,在高温烟气的长期作用下,沉积渣的最外层发生熔融形成“硬壳”｡根据相关实验研究,木屑和棉花杆沉积灰渣在600℃下表面就有熔融层出现,在750℃下熔融加剧｡而该厂生物质燃料中木屑占比达80%,且中温过热器处烟温在600℃以上,沉积渣表面极易产生“硬壳”包裹｡

生物质流化床锅炉受热面结渣主要为两种形态:结渣和结灰｡结渣主要发生在流化床及炉内辐射受热面上,结灰主要发生在尾部受热面,这两种灰渣的形成机理在实际燃烧过程中往往同时存在｡影响生物质锅炉受热面灰渣沉积的因素很多,除了与生物质燃料中碱金属含量与类型､运行温度等有关外,沉积渣的程度与部位的变化还与锅炉结构､受热面布置等有极大关系｡

2.1 燃料因素分析

研究表明,燃料中较高的碱金属含量增加了流化床锅炉受热面的灰沉积,而灰沉积厚度与生物质中钾钠的浓度有关｡不同的生物质燃料,除碱金属含量差异外,炉渣中碱金属的逸出也不同｡美国THY通过对稻草秸秆和木块炉渣中碱金属的逃逸实验研究,发现不同生物质其碱金属在炉渣中的羁留程度是不同的,其中稻草渣是高聚合熔融体,钾､钠离子极易羁留在炉渣中;而木渣是高解聚熔融体,钾､钠离子则进入气相中,即木屑等木本物料热解后碱金属更易析出至气相中导致尾部灰渣沉积发生｡

该生物质电厂所用燃料为混合生物质燃料,混合比例见表1｡生物质混合燃料灰样中碱金属钾､钠以化合物方式存在,经化验,混合燃料灰样中KO含量在1.7%左右,NaO在3.5%左右｡

该厂实际使用燃料与设计燃料略有偏差,主要以木屑为主,占混合料的80%左右,其次为竹粉和稻草｡根据该厂燃料组成,其大量木本物料的使用加重了锅炉尾部受热面的灰渣沉积｡

2.2 运行温度影响

根据该厂实际运行情况,当炉膛温度在730℃左右,中温过热面表面就有结渣发生,但过程相对缓慢,一般连续运行25d尾部受热面才发生严重积堵现象;如炉膛温度在760℃以上,结堵就迅速发生,连续运行时间一般在10d左右｡该厂各受热面处设计烟温见表2｡实际运行状况下,因高负荷下尾部积堵迅速,该厂将锅炉负荷限制在60%(45t/h左右)运行,炉膛及烟道各处烟气温度分布见表3｡

根据该厂运行情况,受热面结渣的程度与温度有直接关联,温度越高,结渣越快,这是生物质中碱金属的气化析出程度与其热解温度相关所致｡研究表明,生物质中碱金属的气化释放温度为700℃｡当温度上升至700℃左右,碱金属开始气化并释放于烟气中,随着温度的进一步升高气相碱金属的释放也更多｡为了满足锅炉蒸发量和对燃料适应性的要求,生物质循环流化床锅炉炉膛的温度不能太低,一般在800℃左右,此温度下生物质在燃烧过程中碱金属的气化析出不可避免｡

该厂额定负荷炉膛设计温度为812℃,60%负荷炉膛温度在730℃以上,而且由于在旋风分离器里有二次燃烧的发生,分离器出口(即中温过热器进口)烟温也达到炉膛温度水平,在高温作用下碱金属大量气化逸出,尾部受热面发生灰渣严重沉积不可避免｡

2.3 锅炉结构及受热面布置影响

生物质循环流化床直燃锅炉受热面上的灰渣沉积,除了与生物质燃料的特性､炉膛运行温度等有关外,沉积渣的程度与部位变化还与锅炉结构､受热面布置等有极大关系｡

根据生物质碱金属析出沉积机理,受热面灰渣的沉积粘附随受热面的布置变化而变化｡即当烟气大量冲刷所流经的受热面在炉膛内或在水平烟道内时,气相的碱金属化合物将会提前冷凝粘附,灰渣在受热面上的粘附沉积提前;而当烟气大量冲刷所流经的受热面是在烟道尾部受热面时,尾部受热面就会发生大量的灰渣沉积｡

锅炉大部分受热面布置在尾部垂直烟道内(炉膛内的水冷屏和高温过热器布置在炉膛上部前墙处,受烟气冲刷有限,见图1)｡烟气大量冲刷第一个受热面是尾部垂直烟道上部的中温过热器,烟气中浓度较高气相碱金属化合物的冷凝吸附基本发生在尾部受热面,由此造成尾部受热面沉积渣比较严重｡生物质直燃锅炉因生物质碱金属的问题不可避免,为防止锅炉烟道严重结堵发生,根据灰渣沉积机理及受热面垂直布置灰渣沉积量要少于水平布置方式     ,且垂直布置受热面灰渣更易清除等特点,应改进烟道结构并优化设计各受热面布置方式｡

因生物质燃料的特性及循环流化床锅炉所需工作温度,循环流化床生物质直燃炉受热面结渣不可避免｡为防止严重结渣发生,现有研究一般建议采用燃料清洗除去生物质中碱金属或者采用添加剂方法来达到防止结渣目的｡这些方法理论上可行,但运行成本高,目前较少有生物质电厂进行实际应用｡

根据生物质循环流化床锅炉受热面沉结渣形成机理和沉结渣发生部位变化的分析,通过有效清除沉积渣方式防止渣层“硬壳”形成,或者通过优化受热面布置方式､改变烟道结构,并配以合理的清渣方式,可防止或延迟烟道严重结堵发生,保持锅炉长周期连续运行｡

3.1 使用有效的积渣清除方式

尾部严重堵灰主要是沉积灰形成后没有及时有效的处理,导致包裹层(硬壳)的形成,而在用乙炔爆炸振动吹灰时导致大块渣的跌落,使下部省煤器发生严重积堵｡鉴于此,有必要在沉积渣厚度增加过程中及时地将结渣清除或部分清除,不让沉积层厚度增加形成“硬壳”,可防止或改善大块渣掉落引起烟气通道堵塞｡可考虑改进吹灰方式,采用更高效的蒸汽或高压压缩空气吹灰方式｡

3.2优化受热面布置方式

将部分过热器受热面布置在炉膛出口处,如图2中①所示｡灰渣沉积将首先发生在炉膛出口悬吊的受热面管上,悬挂受热面的灰渣沉积要明显少于水平布置受热面,且更易清除,清除后的渣块将跌落在炉膛内,不会引起烟道的堵塞｡也可将部分受热面布置在旋风分离器出口水平烟道处,将灰渣沉积转移到水平烟道内受热面上,为防止垂直布置在水平烟道内的受热面上结渣掉落后在水平烟道内堆积堵塞烟气通道,需要在水平烟道下布置若干灰斗进行定期清灰｡

3.3 烟道优化设计

如图2中②所示,将省煤器和空预器所在尾部烟道整体往后移,与省煤器上部垂直烟道内的中低温过热器形成错位｡在中低温过热器的烟道底部设置灰斗｡烟道错位的设置可将中低温过热器处的沉积渣吹落后由灰斗进行定时清理,即使有大渣块跌落也不会引起烟道结堵,可有效改善尾部受热面灰渣沉积导致烟气通道严重结堵发生｡

某生物质直燃锅炉经过受热面优化布置后(在炉膛出口布置受热面)已成功解决了尾部受热面严重结堵问题,锅炉蒸发量及连续运行时间因此得到保障,机组连续运行时间从改造前的不足一个月上升至可连续运行半年以上,取得了较好的效果｡

为了防止因受热面灰渣沉积引起锅炉烟道发生严重结堵,除了可采用成本较高的洗料和使用添加剂等方法外,通过有效的吹灰和受热面及烟道的针对性的布置设计,可有效减缓灰渣沉积导致尾部受热面严重积堵发生｡