秸秆燃烧过程受热面上沉积的形成过程和肌理的试验研究

为了解决秸秆燃烧过程中在锅炉受热面上形成的严重沉积问题,本文通过试验对锅炉内受热面上的沉积形成过程和机理进行了研究,发现沉积的形成主是秸秆中的灰分在燃烧过程中的形态变化和输送作用的结果,在这个过程中,沉积的形成受到促使飞灰在受热面上粘附的力和破坏灰沉积形成的力两种相反方向力的作用。
关键词秸秆燃烧;受热面;沉积;形成过程;机理
中图分类号G642.423文献标识码A文章编号1002-7661(2011)10-016-03

一、前言
随着化石能源的短缺及其带来的环境问题日益严重,秸秆直接燃烧技术成为国内外关注的热点。但是秸秆的形成条件及过程与化石能源不同,秸秆具有与其它能源不同的成分和结构,因此,秸秆直接燃烧将给燃烧系统带来了很多问题,其中,以在锅炉受热面上形成沉积的问题最为严重。
这种沉积给锅炉带来了很大的危害
首先,它影响受热面内的热量传递。燃煤锅炉受热面上的沉积物的导热系数一般比金属管壁低400~1000倍,当受热面上积灰1mm厚时,受热面的传热能力下降了28%;而秸秆燃烧形成的沉积物的厚度从0增加到0.56mm,受热面的传热能力下降了51%,可见,秸秆燃烧形成的沉积物的传热性能更差。
其次,沉积物对受热面造成了严重的腐蚀。一般认为煤中氯的含量超过0.25%时,在燃烧过程中就会腐蚀设备,并且在设备中产生结皮和堵塞现象。与木材等其他燃料相比,秸秆作物中的氯含量过高,根据试验测定玉米秸秆中氯的含量为0.5%-1%,燃烧过程中燃料释放出来的氯与烟气中的其它成分反应生成氯化物,然后与飞灰颗粒一起沉积在受热面上形成沉积物,其中的氯化物就与受热面上的铁发生化学反应,将管壁中的铁逐步转移到沉积物中,从而使管壁越来越薄,对管壁造成严重的腐蚀。在当前燃用生物质的锅炉中已经发现了受热面严重的腐蚀问题,如当混合燃烧含氯高的生物质燃料为稻草时,当壁温高于400℃时,将使受热面发生高温腐蚀。
最后,沉积物影响了锅炉的安全运行。随着锅炉的运行,受热面上的沉积物日益增厚,当重力、气流粘性剪切力以及飞灰颗粒对壁面上沉积的撞击力等破坏沉积形成的共同作用力超过了沉积与壁面的粘结力时,沉积块(渣块)就从受热面上脱落,形成塌灰,也称垮灰。当水冷壁表面上有大渣块形成时,在渣块自重和炉内压力波动或气流扰动的作用下,大渣块会突然掉落。脱落的渣块有可能损坏设备,引起水冷壁振动,引发更多的落渣。而且渣块形成时的温度很高,渣块的热容较大,短时间内大量炽热渣块落入炉底冷灰斗,蒸发大量的水蒸气,会导致炉内压力的大幅度波动。压力波动超过一定限制时,会引发燃烧保护系统误动,切断燃料投放,导致锅炉灭火或停炉。
秸秆燃烧过程中在受热面上引起的沉积腐蚀问题已严重阻碍了秸秆直接燃烧技术的推广和使用,对于这个课题,尽管国内外已开展了大量的研究,但是到目前为止对于其形成过程和机理还不清楚。本文通过试验对锅炉内不同位置的受热面上的沉积形成过程和机理进行了研究,为进一步寻找解决沉积的方法和措施奠定了基础。
二、试验设备、仪器及方法
1、试验装置与仪器
试验装置是有炉体、烟囱、进水系统、出水系统等部分组成。整个试验装置系统如图1所示

试验中采用的仪器是扫描电子显微镜,JSM-5610LV型;
(1)测试项目及方法
钾、钠采用火焰光度法。灰样的微观形貌采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜观察并拍摄SEM照片取样后,根据扫描电子显微镜的求进行处理,然后调节电压(15KV-20KV),在不同的放大倍数下进行观察并拍照。本试验采用的放大倍数范围是500-5000。
2、沉积的形成过程
(1)秸秆成型燃料中影响沉积形成的主元素
秸秆燃烧过程中,受热面上的沉积主是由于秸秆中含有较高的碱金属和氯引起的,硅、硫等元素在沉积的形成中也起着具有重作用。秸秆中,这些元素的来源主有两个一是秸秆本身固有的,是其在生长过程中从土壤、地下水、大气中通过生物吸附而来的;二是来自人们利用秸秆过程中混入的灰尘、土壤。碱金属和氯是植物生长的营养元素,通常在植物体内的含量很高。例如,丹麦的生物质灰中,K2O含量可高达50wt%(wt%指重量百分比)以上,而氯在燃料中含量可达1.79wt%[5]。我国生物质中碱金属的含量也较高[6],在一些生物质中氯的含量也超过lwt%。表1是秸秆与木材中一些重元素的含量[7]。
表1秸秆与木材中的重元素含量
Tab.1Quantityofmainelementsinstrawandlumber
生物质种类 秸秆(重量%,干) 木块(重量%,干)
灰分(%) 特殊值 范围 特殊值 范围
4.5 2-8 1.0 0.3-6
Si 0.8 0.1-2.0 0.2 <1.1 Ca 0.4 0.2-0.5 0.2 0.1-0.9 K 1.0 0.2-2.6 0.1 0.05-0.4 Cl 0.4 0.1-1.1 0.02 <0.1 S 0.15 0.1-0.2 0.05 <0.1 (2)沉积的形成过程 为了观察沉积的形成过程,试验过程中,每隔一个小时,从受热面上取下一块样品(包括受热面表皮和沉积),用SEM进行检测,以此对受热面上沉积的形成过程进行跟踪。 试验前,首先对受热面的底面进行了检测,从外观上看,受热面表层(此时表面没有沉积)呈灰黑色,在扫描电镜下,其微观结构如图2所示。 从图中可看到受热面底面的表面是由直径大小不一的球状晶粒组成,这些晶粒排列混乱,部分动能较大的晶粒逃离了原来的位置与其它晶粒聚集在一起,在受热面表面上形成一个凸面,而在原来的位置上形成了空位,犹如一个个洞穴,随着温度的升高,具有较大动能的晶粒在晶粒中的比例增加,洞穴的数量也随之增多,受热面的表面将更加凹凸不平。 试验进行一个小时后,受热面表面变成浅灰色,在扫描电镜下可以看到上面有少量的沉积,这些沉积大部分聚集在受热面表面的凹陷处(图3),只有少量的粘贴在凸面上,主是因为,沉积在凸面上灰粒,一部分在重力、气流粘性剪切力及烟道中的飞灰颗粒的撞击力的作用下脱落,重新回到高温烟气中;在凹陷部位的沉积粒子,由于受外力的影响很小,不易从凹陷处脱离。可见,表面凹陷部分具有接纳、保护沉积的作用,更易形成沉积。从图中还可看到,这部分沉积粒度较小,以小颗粒为主,主有两方面的原因首先,初始阶段,受热面表面上沉积的粒子少,粒子表面的粘度不足以粘住撞击壁面的大颗粒。其次,较少的沉积对壁面的换热性能影响不大,壁面温度较低,沉积表面的物质处于凝固状态,粘性很小,很难捕获大的颗粒。 随着时间的推移,留在表面上的沉积越积越厚,而且粘性增加,当遇到高温烟气中大颗粒碰撞壁面或碱金属硫酸盐及氯化物凝结在壁面上时,二者就发生聚团现象,并逐步增大,如图4所示。 从图中可看到,聚团现象并不是发生在整个受热面上,而是在受热面上沉积较多的位置。由于较多的沉积降低了此处受热面的换热性能,壁面温度升高,沉积表面熔化,粘性增加,粘接越来越多的飞灰颗粒,从而出现了沉积聚团现象。 10个小时后,再次从受热面上进行取样,结果如图5。从图中可看到,沉积已经覆盖了整个受热面,并逐步增厚形成结垢层。可见,随着燃烧的进行,沉积逐渐布满整个受热面,壁面温度升高,整个表面都出现了聚团现象。用小锤轻轻敲打结垢层,有大小不一的鳞片状沉积块脱落(图6)。将脱落的沉积块放在扫描电镜下观察,结果如图7。 从图7中可看出,经扫描电镜放大2000倍后,脱落的沉积块表面形状呈蜂窝状,大小不一的颗粒粘结在一起形成聚团,聚团之间有一些小孔,部分聚团的颗粒表面出现熔化现象,粘性增加,为沉积的进一步增长提供了有利条件。从图中还可看到,沉积块的表面有一些粒度非常粗大的颗粒,如图7中的a点,这种颗粒并不是由多个小颗粒粘结在一起形成的,而是单个粒子,这主是烟道气中的大颗粒在对受热面进行撞击时,遇到具有较大黏性的沉积面被捕获。 三、沉积的形成机理 根据上述试验过程,沉积的形成主是秸秆中的灰分在燃烧过程中的形态变化和输送作用的结果,其形成机理可分为颗粒撞击,气体凝结,热迁移及化学反应四种。根据沉积的特点,受热面上沉积的形成过程可分成两部分积灰和结垢。 积灰过程也可以称为初始沉积层,初始沉积层主来源于两方面一是烟气中的挥发性组分和小颗粒。秸秆燃烧过程中,挥发性组分从秸秆中逸出直接凝结在受热面上或飞灰颗粒上,小颗粒通过热迁移的方式沉积在受热面上;二是大颗粒与粘贴在受热面上的沉积的聚团。当含有挥发性组分、表面很粘的撞击壁面时,与从壁面上的沉积发生聚团,其中一部分在重力、气流粘性剪切力及烟道中的飞灰颗粒对壁面上灰粒的撞击力作用下脱落重新回到高温烟气中。 初始沉积层在沉积中的比例很小。从工程角度考虑,很难防止初始沉积层的形成,不过,初始沉积层的厚度较薄,它并不会对锅炉的安全运行构成威胁。 初始沉积层是多孔疏松的,具有良好的绝热性能,它的形成降低了受热面的换热性能,使管壁外表面温度升高。随着壁温的增高及沉积滞留期的延长,初始沉积层出现烧结和颗粒间结合力增强的现象。在较高的管壁温度下,初始沉积层的外表面灰处于熔化状态[8],粘性增加,当烟道气气流转向时,具有较大惯性动量的灰粒离开气流而撞击到受热面的壁面上,被初始沉积层捕捉,形成结垢层。 随着沉积聚团的长大,当重力、气流粘性剪切力以及飞灰颗粒对壁面上沉积的撞击力等破坏沉积形成的共同作用力超过了沉积与壁面的粘结力时,沉积块就从受热面上脱落,这种脱落的沉积块在锅炉上称为塌灰(垮渣),一般的塌灰将使炉内负压产生较大波动,严重塌灰将会造成锅炉灭火等事故。 整个沉积过程可以用图8表示 四、结论 秸秆燃烧过程中,沉积的形成过程和机理是一个复杂现象。 1、沉积的形成主是秸秆中的灰分在燃烧过程中的形态变化和输送作用的结果,它的形成机理主有四种颗粒撞击,气体凝结,热迁移及化学反应。在多数情况下,沉积的形成是多种机制联合作用的结果。 2、在所有沉积的形成过程中均受到两种相反方向力作用一种是促使飞灰在受热面上粘附的力,如范德华力、表面张力、化学力等,另一种是破坏灰沉积形成的力,如重力、气流粘结剪力、压力梯度力等。 3、尽管沉积的危害来自结垢层,但是初始沉积层是结垢层的基础,为结垢层的发展提供了有利条件,因此对初始沉积层进行控制。 参考资料 [1]唐艳玲,稻秸热解过程中碱金属析出的试验研究.硕士论文[D].浙江大学,2004. [2]MichelsenHP,FrandsenF,Dam-JohansenK,etal.Depositionandhightemperaturecorrosionina10MWstrawfiredboiler.Fuelprocessingtechnology[J],1998,54(1-3);95-108. [3]RasmussenI,ClausenJC..Americansocietyofmechanicalengineers,advancedenergysystemsdivision(Publication)AES[J],1995,1557. 共2页上一页12下一页