结焦和腐蚀特性的分析与优化

1.结焦特性

沾污是指灰颗粒和冷凝气体在锅炉受热面上沉积，当沉积物积累到一定量时就会在锅炉受热面上结焦和结渣，受热面的沾污会降低传热速率。根据沉积物的组成来看，受热面的沾污可能是受热面严重腐蚀的原因。在极端的情况下，如果不对其加以清除，结焦和结渣积累到一定的厚度时，结焦和结渣碎片会破裂并掉落到锅炉底部，将对锅炉造成破坏。表7-11列出了生物质中典型的矿物组分，这些组分可来自形成燃料的植物中的无机组分、与生物质燃料一起收获时引入的无机组分以及在燃料处理过程中引入的无机组分，表中dry表示干燥基，daf表示干燥无灰基。

表7-11　不同类型燃料的元素分析和工业分析

续表

当生物质燃料在炉子里燃烧时，无机组分与周围的气体相互作用形成灰。受炉内的高温状态影响，灰中的组分通常会经历多次状态变化。污垢是由灰分特性决定的，含有易熔融组分的灰通常比难熔灰更脏。火山灰则会形成难以清除的腐蚀性沉积物。结焦和结渣是需要尽量避免的，在传统的燃煤发电厂中通常使用吹灰机定期用水或高压气来清理受热面。由于生物质燃料与煤炭的化学成分明显不同，与燃煤电厂相比，生物质燃烧沉积物的组成和沉积速率对锅炉性能的影响要大得多。与煤相比，生物质燃烧沉积物的韧性和强度可能更高，孔隙率可能更低，表面会更坚硬，可能需要采用除吹灰外的其他手段才能去除。另外，生物质燃烧电厂污垢的沉积速率更快。已有研究表明，在商业电厂锅炉燃料供应中，由于沉积物的加速堆积，仅增加10%的生物质燃料就会在运行数小时内导致意外停机。

对于流化床锅炉，由于存在流化床床料的持续主动磨损，炉壁受热面通常不存在污垢问题。不过，在对流管道中仍然存在结焦、结渣的问题。但是，值得指出的是，床料的团聚是流化床存在的另一典型问题，也是最严重的问题。在流化床层中，团聚灰会达到这样一种状态，即单个灰颗粒开始相互黏附，沙粒开始相互黏附，当形成的块状物不流动时，床层就会很快（在几十秒内）进入失控状态。由于生物质燃料中含有特殊的灰分成分，燃用生物质的流化床锅炉的床料团聚问题尤为严重。

2.腐蚀特性

大型电厂受热面的腐蚀主要是由锅炉内受热面腐蚀性物质如金属氯化物的积聚引起的。因此，除了是传热的屏障外，受热面的污垢可能还会导致锅炉的破损。受热面腐蚀的严重程度取决于沉积物的成分、受热面的材料以及两者的温度。在生物质发电厂中，由于过热器温度一直保持在较低的水平，因此较少发生过热器的高温腐蚀。然而，生物质发电厂的发展趋势是提高过热器的温度，以提高电厂整体效率，这可能会进一步导致严重的高温腐蚀问题。这主要是因为随着温度上升到矿物的熔点，腐蚀的严重程度将大大加强。如前所述，生物质燃烧会引起加热表面的广泛结垢，尤其是稻草等草本植物。这主要是因为草本植物中含有较多钾和氯，当它们沉积在受热面时是潜在的腐蚀性元素。同样，与煤炭燃烧的沉积物相比，生物质燃料的沉积物密度更大，更难去除。受热面表面镀层温度对其腐蚀性能也有重要影响，如果温度高于氯化物的熔化温度，由于液相氯化物的流动性，表面腐蚀过程可能会大大加快。受热面的腐蚀也可能是由气体引起的。HC1或Cl2由于会加速表面氧化层的破坏，因此被认为是耐腐蚀合金的主要腐蚀来源，这个过程也被称为活性氧化。图7-28很好地说明了钠的腐蚀过程。其他碱金属元素（如钾）的腐蚀过程也以类似的方式进行。

图7-28　沉积在换热管上的反应过程（钠的腐蚀过程）(www.xing528.com)

腐蚀通常根据其位置和温度可划分为水侧腐蚀、燃烧气体侧高温腐蚀和燃烧气体侧低温腐蚀。锅炉管的气/水侧发生腐蚀，最常见的原因是给水中存在杂质。过热器燃烧气体侧高温腐蚀则通常是由灰分沉积引起的。低温腐蚀发生在省煤器和空气预热器中，低温腐蚀常与酸性沉积物的形成有关。尽管目前只能通过经验给出腐蚀倾向，如果提前预测环境是具有腐蚀性的，可以通过选择合适的材料来尽量避免。腐蚀的主要形式如下。

1）高温腐蚀

高温腐蚀指的是化学物质（钒、氯等）和沉淀的熔融相（钠、钾盐等）对过热器的腐蚀。这些物质往往趋向于富集并形成灰渣沉淀。特别是钒、硫和碱金属会引起腐蚀。一种已知的腐蚀剂是某些油中的钒。锅炉灰中含有质量分数高达40%～70%的五氧化二钒，当金属表面温度为580～650℃时，会产生腐蚀。高温腐蚀通常集中在管道迎风的一侧（面对进来的漏气面的一侧）。火山灰主要附着在管道迎风侧，在管道侧存在熔融层。实际腐蚀速率取决于灰分性质和管道温度。

2）酸腐蚀

当气体冷却时，它们以气态形式存在的能力减弱，开始凝结。酸露点是凝析液的酸性温度。硫露点是指三氧化二硫开始凝结的温度。此外，HC1也可能冷凝。这些冷凝的酸会对管道表面产生腐蚀。

3）氯腐蚀

燃料中的氯化物燃烧时会形成氯气和气态的氯化氢。如果这些气体接触管道表面，会形成氯化亚铁，氯化亚铁会进一步与氧反应形成氧化亚铁并释放氯气，并如此循环重复，产生腐蚀。

4）碱腐蚀

钠和钾形成的灰熔点低，一般在500～600℃，加入氯化物可进一步降低灰熔点。当熔融灰含量足够高时，熔融灰液就会沿受热面表面流动，并可观察到其均匀变薄。熔融灰液及其流动会显著增强腐蚀。此外，值得指出的是，即使生物质燃料中钾含量很低，钾也可以在过热器管道表面富集。

5）侵蚀

侵蚀是由粒子撞击受热表面引起的。侵蚀速率随颗粒动能的增大而增大。侵蚀强烈地依赖于灰的特性和局部速度场。除了受热表面的侵蚀外，固体燃料运输和装卸设备也会受到侵蚀。在流化床中，侵蚀是通过在管子上焊接一个保护性的硬表面和使用耐火涂层表面来控制的。燃料中的硬物质主要有氧化铝、石英和黄铁矿。此外，一些微量杂质，如蓝晶石、黄玉和正长石也非常坚硬，不过它们的含量很低。