生物质直燃锅炉结焦积灰分析及对策探讨

【摘　要】本文主要针对生物质直燃锅炉普遍存在运行过程中出现的受热面、烟道结焦积灰的问题，以江苏国信如东生物质发电有限公司的锅炉运行实例，分析其结焦积灰主要产生的原因，及采取的对策，为国内生物质锅炉的工作者提供参考。

【关键词】秸秆锅炉；积灰；结焦；吹灰器；對策

0.引言

随着经济的高速发展，以及人民生活水平的不断提高，我国对电能的需求日益增加。而我国电能生产过程中，以火力发电为主，其发电量在总发电中所占比重为70%以上，而火力发电主要以传统化石能源（如煤炭、石油等）为燃料。其有限性和环境污染等因素，促使我们积极开拓和发展可再生能源。2006年1月1日开始施行《中华人民共和国可再生能源法》，以及在2007年，国家发改委发布了《可再生能源中长期发展规划》，提出加快推进生物质发电等可再生能源的产业化发展，逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例，力争到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%，到2020年达到15%。

自从1988年丹麦诞生了世界上第一座生物质直燃发电厂以来，生物质发电项目因其在减少二氧化碳排放、保护环境、可再生等方面的优越性，日益得到世界上许多国家的重视，并被联合国列为重点推广项目。我国可利用的农作物秸秆、森林资源非常丰富，具有广阔的开发利用前景。其中农作物秸秆的年产量大约7亿吨，除了用作工业原料、畜牧饲料外，可以作为能源使用的约为3.5亿吨。据统计，截至2010年底，我国生物质发电装机容量约550万千瓦，每年不但可以替代2100万吨煤炭，而且减少大量的污染排放，此外，出售秸秆这一项还可以给农民带来近百亿元的收入。

1.生物质锅炉现况概述

生物质燃料品种多样，含水量高，灰分也比较大。另外，生物质燃料中含有氯和碱金属盐，燃烧时产生的烟气对锅炉受热面具有一定的腐蚀性，燃烧产生的灰份熔点较低，容易粘结在受热面管子外表面和尾部烟道、空预器等，行成渣层，会明明显降低受热面的传热系数。

为解决上述问题，各生物质发电企业技术人员进行各种尝试，效果也不尽相同。本文以江苏国信如东生物质发电有限公司（以下简称：如东秸秆电厂）针对锅炉受热面、烟道结焦、积灰的运行实例，分析其原因，介绍其采取的措施，仅供生物质直燃锅炉从业者参考。

如东秸秆电厂采用无锡华光锅炉股份有限公司自主开发设计的第一台高温高压蒸汽锅炉（主要参数见表1），锅炉为自然循环炉，单锅筒、平衡通风、固态排渣，炉膛部份为支撑结构，尾部为悬吊结构。

表1　锅炉的主要设计参数

2.影响生物质锅炉结焦积灰因素的分析

结焦是指燃料中的灰份在高温下，大多熔化为液态或呈软化状态，随着温度的降低，灰份将从液态变为软化状态进而变成固态。如果灰还保持软化状态就碰到受热面时，由于受到冷却而粘结在受热面上，形成结焦。主要发生在炉内炉床、水冷壁、各式过热器等高温区域。

积灰是指温度低于灰熔点时灰沉积在受热面上的积聚，多发生在锅炉的受热面及烟道壁上。积灰根据飞灰温度范围划分，可分为熔渣，高温沉积灰，低温沉积灰。根据积灰的强度，可将其分为疏松性积灰和粘结性积灰两种。主要发生在省煤器、空气预热器、烟道等炉内低温区域。

锅炉受热面、烟道结焦积灰的因素很多，且各因素互相交织，共起作用，且过热器管外一般是结焦和积灰同时发生，结合如东秸秆电厂的运行实际情况，总结归纳主要有如下几个主要因素。

2.1燃料灰份的结焦性

如东秸秆电厂使用的燃料种类多（如：稻草、麦草、棉花秆、玉米秆等等），品质不一，燃料水份高、灰份高、碱金属含量高等特点（如表2），燃料在炉膛内燃烧后，极易在过热器、空气预热器等后部烟道内结焦与积灰。

表2　生物质燃料的特性

2.2飞灰粒流通过程

锅炉运行调整过程中，一、二次风的配比不尽合理，或者锅炉设备缺陷，使得受热面烟道的局部流速或流向发生改变。如飞灰粒子向受热面运动速度快，受到的冷却效果差，熔融的飞灰颗粒很容易粘附，使过热器管子的结焦层迅速积聚长大。如飞灰粒运动速度减慢，则沉积在烟道壁上，从而形成恶性循环，积灰越积越多。图1为如东秸秆电厂折烟处屏式过热器的结焦积灰情况。

图1　屏过结焦积灰图

2.3炉内温度水平

在灰熔点一定的情况下，炉内温度水平及其分布就成为是否发生结焦积灰的重要因素。

一方面，当炉内温度较低时，灰粒呈熔化或软化状态的概率较少。另一方面，当炉内温度水平较高，而受热面附近温度较低，且温度分布较缓时，灰粒子在碰撞受热面前可以得到较好的冷却，温度降低，与受热面碰撞时，形成焦块的概率降低。反之，温度增高，结焦程度将按指数规律增长。

当温度未高于灰熔点时，会发生粘结性积灰，其烟气中的凝结物在受热面上而粘住灰粒，并与灰粒作用而形成“水泥状的堵灰”。另外，疏松灰是各种锅炉中最常见的积灰方式，它发生在锅炉的所有受热面上，大部分由正常吹灰即可清除。

2.4吹灰器的效果

如东秸秆电厂锅炉原配蒸汽吹灰装置效果差，所喷蒸汽湿度大，烟尘在此处受阻沉积，炉内积灰依旧严重，影响烟气流通面积及进而影响锅炉炉膛负压。

2.5受热面的着灰条件等

结焦积灰是个复杂的物理化学过程，但是着灰的受热面及烟道的光滑情况也是一方面。如东秸秆电厂原来锅炉空预器管（原为STEN钢材质）腐蚀严重，大量空预器管出现了穿孔现象，造成风烟系统漏风量大，从而锅炉飞灰在管组表面板结严重，造成锅炉排烟温度较高，严重影响了锅炉运行的安全性和经济性。图2为吹灰效果不好，及空气预热器管积灰腐蚀着灰严重的情况。

图2　空气预热器积灰情况图

3.影响结焦积灰因素的对策

结合生物质直燃锅炉的实际运行状况，通过对锅炉结焦积灰的情况的分析，现将如东秸秆电厂抑制结焦积灰的几项措施介绍如下。

3.1加强燃料质检工作，控制入炉燃料的水分和灰分

生物质燃料的品种繁多，不同的品种密度、发热量有很大差别，其灰分、挥发份、碳、氢等方面也会随收获后存储的时间以及天气情况而发生变化。在加上其数量庞大，经手环节多，且供货人员成分杂，人为掺水、掺杂（泥土等灰分）现象时有发生，因而，生物质发电企业加强燃料质检工作，任重道远。

同时，如东秸秆电厂还采取了燃料分区堆放、烧旧存新、防雨翻晒、合理掺配，特别是燃料翻晒工作，基本做到“雨天，仓库保障、排水畅通；晴天，不留空地、翻晒到位”。

3.2加强锅炉设备状态维护及运行燃烧调整管理工作，控制炉膛温度

为减轻生物质燃料燃烧后产生结焦积灰现象，在设计时采取了较低的炉膛容积热负荷和炉排面积热负荷，同时采取了较低的炉膛受热面辐射热负荷，以降低结焦积灰的可能性。运行调整时，要充分利用好炉膛内布置的多层二次风，通过调节一、二次风的配比，可使燃料与风充分混合，利用好炉膛出口距炉排的高度，保证燃料在炉膛内停留时间延长，确保生物质受热热解后产生的挥发份烧烬，也可以使过细的生物质粒子和CO在炉膛内烧烬，防止炉膛内产生还原性气氛，进而降低炉内温度，减轻飞灰形成灰焦，同时，也有利于降低NOx的排放。

同时，锅炉经过长周期运行后，根据炉内积灰情况，进行局部除灰（主要采用0.5MPa的水进行冲洗），保证下次运行稳定高效。

3.3空气预热器换型改造

如东秸秆电厂锅炉空预器管原为STEN钢材质，因积灰，加上烟气中水分含量较高，腐蚀严重，大量空预器管出现了穿孔现象，穿孔漏风又加剧了积灰，恶性循环。如东秸秆电厂在充分调研比较的基础上，将锅炉空气预热器管材换型为镀搪瓷钢管材质，运行时考虑灰污热阻对传热的影响时，搪瓷钢管预热器传热系数比普通钢管预热器还略高，由此可见在受热面布置相同的条件下，搪瓷钢管空气预热器传热效果要好于钢管空气预热器。且在吹灰器的配合下，有效地解决了积灰问题。

3.4吹灰器换型改造

如东秸秆电厂因原有蒸汽吹灰装置效果差，所喷蒸汽湿度大，与飞灰粒混合，在受热面表面受阻沉积，影响锅炉长周期运行。因此，将吹灰器更换为燃气脉冲吹灰器。

燃气脉冲吹灰器是利用可燃气体（乙炔气）和空气在旋转集箱中在一定的混合配比下，遇明火就会产生爆炸燃烧，甚至爆震的特性，在爆炸燃烧瞬间，产生高温、高压气态燃烧产物，以冲击波的形式，从脉冲喷嘴射出，吹扫锅炉积灰受热面，把积灰从受热面上分离出来，被烟气流带走。

从投运以后的使用情况来看，省煤器、空预器等受热面的积灰情况得以明显改善。吹灰前后排烟温度相差2～3℃。

3.5炉内喷加燃料添加剂处理

针对锅炉受热面的结焦积灰情况，如东秸秆电厂在炉内喷加SlagTrol1508燃料添加剂。当高浓度的燃料添加劑间断地被喷入炉膛后，它会和离开炉膛的飞灰粒混合，并粘附在这些半融化的灰粒上，提高熔点，同时，在灰粒结焦内部形成裂纹而破坏结焦。添加剂形成的结构会弱化灰粒块，当灰粒块（焦块）被吹灰器吹灰，热胀冷缩，或者振动时，就会脱落下来。

其次燃料添加剂通过在管道表面形成的金属膜还有助于减少受热面的腐蚀和结焦积灰，可以降低排烟温度而提高锅炉热效率。

4.结论

由于生物质直燃锅炉受热面、烟道等部位的结焦积灰是一个错综复杂的技术问题，影响的因素很多，要想解决好这些问题，还需要做大量的科学试验和实践论证，进一步探讨其结焦积灰机理，研究其防治措施，达到生物质直燃锅炉锅炉长期安全稳定运行的目的，进而提高生物质发电行业健康发展。

【参考文献】

［１］可再生能源.汪建文.机械工业出版社，2011．12．

［２］110T/h秸秆锅炉冷态通风及空气动力场试验报告.东南大学.2008．10．

［３］UG-110/9.8-J锅炉说明书.无锡华光锅炉股份有限公司，2007．3．

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