韓煒，毛軍，范海濤，汪小林

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071； 2.安能(安陸)生物質(zhì)熱電有限公司，湖北 安陸 432600)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，用電需求逐年增加，煤、石油、天然氣等一次能源的消耗也隨之增加。同時(shí)，全國(guó)霧霾天氣的加劇、國(guó)家節(jié)能減排政策的重壓，使高污染、高排放的小型燃煤機(jī)組逐漸被淘汰[1-2]。因此，可再生能源的發(fā)展勢(shì)在必行。而生物質(zhì)作為一種重要的清潔可再生能源，已受到越來(lái)越多國(guó)家的重視[3-5]。

我國(guó)生物質(zhì)資源豐富且分布廣泛，成為可再生能源的重要研究對(duì)象。生物質(zhì)能源利用技術(shù)主要包括直接燃燒、熱化學(xué)轉(zhuǎn)換、生物轉(zhuǎn)換以及液化[4，6]。其中，生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電是目前最簡(jiǎn)便可行的高效利用方式之一，已在許多國(guó)家得到了應(yīng)用[7]。

然而，生物質(zhì)電廠在運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐尾部受熱面經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)垢、結(jié)渣、積灰等情況，影響鍋爐的熱效率，降低電廠的經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重時(shí)需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)清垢處理，影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行[8]。研究表明，生物質(zhì)中含有較多促進(jìn)結(jié)垢的Cl和S，而生物質(zhì)水洗是降低和減輕結(jié)渣的方法之一[9]。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)電廠鍋爐結(jié)垢的研究很多，但其結(jié)垢的機(jī)制并不確定，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索[10]。

國(guó)內(nèi)某生物質(zhì)電廠引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板結(jié)垢，導(dǎo)致無(wú)法調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度，進(jìn)而無(wú)法調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷，影響機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對(duì)這一情況，對(duì)結(jié)垢物進(jìn)行了取樣檢測(cè)，并分析討論了結(jié)垢物的生成原因以及解決對(duì)策。

1 引風(fēng)機(jī)變工況運(yùn)行簡(jiǎn)介

引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行工況點(diǎn)是隨著鍋爐負(fù)荷的變化而改變的，這種實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的改變過(guò)程稱(chēng)為運(yùn)行工況調(diào)節(jié)[11]。本文所研究的生物質(zhì)電廠，其鍋爐引風(fēng)機(jī)即是通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口擋板開(kāi)度以調(diào)節(jié)煙氣流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷的目的，實(shí)現(xiàn)變工況運(yùn)行。電廠引風(fēng)機(jī)及擋板門(mén)如圖1、圖2所示。

圖1 引風(fēng)機(jī)外形

圖2 矩形擋板門(mén)

2 現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查

2.1 結(jié)垢情況調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該電廠鍋爐#1，#2引風(fēng)機(jī)配置的矩形擋板門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中均出現(xiàn)了不同程度的結(jié)垢。運(yùn)行約20 d時(shí)，擋板門(mén)就由于結(jié)垢嚴(yán)重而無(wú)法正常調(diào)節(jié)其開(kāi)度，需要停機(jī)進(jìn)行清垢處理。擋板門(mén)的結(jié)垢情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)擋板門(mén)結(jié)垢情況

2.2 結(jié)垢樣品成分檢測(cè)

2.2.1 X-射線熒光光譜分析

X-射線熒光光譜(XRF)是一種比較分析技術(shù)，在較嚴(yán)格的條件下用一束X射線或低能光線照射樣品材料，使樣品發(fā)射特征X射線，這些特征X射線的能量對(duì)應(yīng)各特定元素，樣品中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接決定射線的強(qiáng)度。結(jié)垢樣品的XRF測(cè)試結(jié)果如圖4所示，結(jié)垢樣品XRF測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 結(jié)垢樣品XRF測(cè)試結(jié)果 %

圖4 結(jié)垢樣品X射線熒光光譜圖

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，樣品的組織結(jié)構(gòu)中基本只含Cl元素，由于X-射線熒光無(wú)法測(cè)出元素周期表中Na以前的元素，所以還無(wú)法確定結(jié)垢樣品中的物質(zhì)具體是什么。

2.2.2 X-射線衍射分析

樣品的結(jié)晶化合物可以進(jìn)一步通過(guò)X-射線衍射(XRD)檢測(cè)確定，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示(其中橫坐標(biāo)為掃描角度)。

圖5 樣品XRD測(cè)試結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果顯示，樣品的晶體結(jié)構(gòu)與NH4Cl的晶體結(jié)構(gòu)吻合，且N和H正好是元素周期表中Na之前的元素，表明樣品的主要成分就是NH4Cl的結(jié)晶體。

3 結(jié)垢原因分析

對(duì)該電廠引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板的結(jié)垢物進(jìn)行了XRF測(cè)試和XRD測(cè)試，得知其主要成分為NH4Cl結(jié)晶體。因此想要抑制結(jié)垢物的生成，需從NH4Cl結(jié)晶體的成分來(lái)源和生成條件兩方面進(jìn)行分析。

3.1 NH4Cl的成分來(lái)源分析

生物質(zhì)電廠鍋爐及尾部煙道的結(jié)渣、結(jié)垢是由于飛灰顆粒中K和Cl的含量較高所引起的，引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板大量高純度NH4Cl結(jié)垢物與燃料中所攜帶的Cl有必然聯(lián)系。而NH4Cl是一種常用的肥料，尤其在棉花地中的使用十分廣泛。生物質(zhì)燃料大多來(lái)自農(nóng)田林地，在其運(yùn)輸和制備過(guò)程中，燃料中必然會(huì)摻入大量的土壤成分，而該工程需燃用大量的樹(shù)根和棉花稈，帶土嚴(yán)重，因此也需對(duì)燃料來(lái)源地的土壤進(jìn)行分析。該生物質(zhì)電廠燃料來(lái)源地的土壤檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，土壤中Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)6.914%，而棉花稈中Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有0.46%(棉花稈成分分析見(jiàn)表3)，土壤中的Cl含量遠(yuǎn)大于棉花稈中的Cl含量?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃料帶土現(xiàn)象嚴(yán)重，且未經(jīng)任何處理(如圖6、圖7所示)，這說(shuō)明引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板處NH4Cl主要來(lái)源于土壤。

表2 土壤成分分析 %

表3 棉花稈成分分析 %

圖6 生物質(zhì)堆料場(chǎng)

圖7 生物質(zhì)破碎現(xiàn)場(chǎng)

3.2 NH4Cl的生成條件分析

生物質(zhì)電廠運(yùn)行過(guò)程中，燃料燃燒生成的大量煙氣經(jīng)鍋爐尾部省煤器、空氣預(yù)熱器及布袋除塵器除塵之后，煙氣溫度已降至120 ℃左右，流經(jīng)引風(fēng)機(jī)入口處時(shí)，其溫度環(huán)境已十分適合NH4Cl結(jié)晶體的生成。煙氣與擋板接觸，大量的NH4Cl在低溫環(huán)境下結(jié)晶生成NH4Cl結(jié)垢物，久而久之，導(dǎo)致?lián)醢彘_(kāi)度無(wú)法正常調(diào)節(jié)，影響引風(fēng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。此外，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，將煙氣溫度調(diào)高至160 ℃并運(yùn)行一段時(shí)間，引風(fēng)機(jī)入口擋板結(jié)垢現(xiàn)象得到明顯改善，表明擋板處煙氣溫度偏低是造成引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板結(jié)垢的主要原因。鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 煙風(fēng)系統(tǒng)

4 解決對(duì)策

通過(guò)前面的分析可知，進(jìn)爐生物質(zhì)燃料攜帶過(guò)多土壤以及擋板處煙氣溫度偏低是造成引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板結(jié)垢的主要原因。

從結(jié)垢物的來(lái)源分析，要想抑制結(jié)垢物的生成，需降低燃料中NH4Cl的含量，因此需對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行清土處理。然而生物質(zhì)燃料具有自然堆積密度低、體積大、難以儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，并且生物質(zhì)電廠每時(shí)每刻都需要處理大量的生物質(zhì)燃料，使得對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行清土處理變得十分困難，既不經(jīng)濟(jì)，也不具備可行性。

從結(jié)垢物的生成條件分析，調(diào)高煙氣溫度可以有效防止NH4Cl的結(jié)晶，然而，煙氣溫度的升高意味著鍋爐效率的降低，違背了電廠設(shè)計(jì)的初衷。

本文利用鍋爐煙風(fēng)物料系統(tǒng)中的熱二次風(fēng)引一路至引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板，以提高此處擋板環(huán)境溫度。熱二次風(fēng)的溫度達(dá)到了212 ℃，從而避免煙氣流經(jīng)此處時(shí)因溫度過(guò)低而利于生成NH4Cl結(jié)垢物。考慮到熱風(fēng)引入到風(fēng)門(mén)擋板處能覆蓋的區(qū)域有限，只需消除風(fēng)門(mén)擋板葉片和風(fēng)門(mén)框架內(nèi)壁之間的結(jié)垢就能達(dá)到擋板自由調(diào)節(jié)的目的，所以引入到風(fēng)門(mén)內(nèi)部的熱風(fēng)主要覆蓋每塊風(fēng)門(mén)擋板葉片和框架內(nèi)壁之間的區(qū)域。引入的熱二次風(fēng)管道上設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)，可以調(diào)節(jié)引入到風(fēng)門(mén)處的熱二次風(fēng)風(fēng)量。方案實(shí)施后的鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 方案實(shí)施后煙風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

方案實(shí)施后，該電廠2臺(tái)引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板的結(jié)垢情況得到了明顯改善，其擋板門(mén)的開(kāi)度均能夠自由調(diào)節(jié)，減少了事故停機(jī)次數(shù)，提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某生物質(zhì)電廠引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板結(jié)垢原因的分析研究，取得以下成果及結(jié)論。

(1)生物質(zhì)電廠引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板處的結(jié)垢物為純度極高的NH4Cl結(jié)晶體。

(2)通過(guò)對(duì)生物質(zhì)燃料及燃料所在地的土壤成分分析，土壤中Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.914%，遠(yuǎn)高于燃料中Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.460%，且進(jìn)爐燃料未經(jīng)處理攜帶過(guò)多土壤，說(shuō)明NH4Cl主要從土壤中夾帶而來(lái)。

(3)引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板處煙氣環(huán)境溫度過(guò)低是造成NH4Cl結(jié)晶的主要原因，調(diào)高煙氣溫度可以防止結(jié)垢。

(4)通過(guò)引入一路熱二次風(fēng)至引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)擋板，提高了此處煙氣環(huán)境溫度，改善了擋板門(mén)的結(jié)垢情況，解決了擋板門(mén)開(kāi)度無(wú)法調(diào)整的問(wèn)題。

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