
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秸稈燃燒過程中,燃料成分是影響受熱面上沉積形成的主要因素之一。與煤等化石燃料相比,秸稈中氧的含量較高,大量的含氧官能團為無機物質在燃料中駐留提供了可能的場所,對這一類物質的包容能力比較強,因此秸稈中內在固有無機物元素的含量一般較高,其中導致鍋爐床料聚團、受熱面上沉積的主要元素有Cl、K、Ca、Si、Na、S、P、Mg、Fe等,尤其是氯元素、堿金屬和堿土金屬。
燃燒過程中,堿金屬和堿土金屬在高溫下以氣體的形態揮發出來,然后與硫或氯元素結合以硫酸鹽或氯化物的形式凝結在飛灰顆粒上,降低了飛灰的熔點,增加了飛灰表面的黏性,在爐膛氣流的作用下,粘貼在受熱面的表面上,形成沉積。很顯然,沒有這些堿金屬的存在就不可能形成沉積。秸稈生物質比煤含有的堿金屬高得多,因此比煤的沉積嚴重,相應帶來的腐蝕等問題也多。一般秸稈中鉀的含量是煤的10倍,氯的含量是煤的20~40倍,鈣的含量也是煤的2倍多。而且K、Cl、Na在植物體中都是以離子狀態存在的,具有很高的可移動性,并具有受熱進入氣相中的傾向性,為沉積創造了很好的物質條件。
下表列出了經實驗分析得到的幾種常見的秸稈及木料燃燒灰分中氯元素和主要堿金屬氧化物成分。
種類 | 灰中各元素含量/% | 堿金屬含量/(kg/GJ) | |||||||
Na2O | MgO | SiO2 | Cl | K2O | CaO | Fe2O3 | P2O5 | ||
麥稈 | 1.71 | 1.06 | 55.32 | 0.23 | 25.6 | 6.14 | 0.73 | 1.26 | 1.07 |
稻稈 | 0.53 | 1.66 | 77.45 | 0.58 | 11.66 | 2.18 | 0.19 | 1.41 | 1.64 |
玉米稈 | 0.49 | 5.67 | 84.16 | 0.779 | 0.9 | 4.49 | 0.19 | 2.72 | 0.16 |
雜交白楊 | 0.13 | 18.40 | 5.90 | 0.01 | 9.64 | 49.92 | 1.10 | 1.34 | 0.14 |
柳木 | 0.94 | 2.47 | 2.35 | <0.01 | 15 | 41.20 | 0.73 | 7.4 | 0.14 |
2、爐膛溫度對沉積形成的影響
爐膛溫度的變化直接影響煙道氣中飛灰顆粒和受熱面的溫度,從而影響受熱面上沉積的形成。溫度對沉積的影響主要表現在三個方面,一是影響堿金屬的析出,溫度越高,堿金屬析出的量越大,且析出速度加快;二是形成爐膛高溫環境,使析出的堿金屬揮發分具有流動和熱遷移的動力;三是受熱面、沉積體上的熱化學反應必須有相應的溫度,溫度低形不成熔融體,黏結力小,形成的沉積強度小容易脫落。根據試驗,爐膛溫度低于600℃左右時,受熱面上的沉積呈現灰黑色,手感光滑,主要是未完全燃燒的炭黑融人了沉積體中;隨著爐膛溫度的升高,堿金屬從燃料中逸出,逸出的堿金屬凝結在飛灰上,從而降低了飛灰熔點,受熱面上的沉積變為銀灰色,表面呈玻璃狀,有燒結現象。與此同時,沉積中Si02的含量也上升,使堿金屬與S102結合生成低熔點的共晶體,增加了沉積的強度。
3、供風量對沉積形成的影響
供風速度影響爐膛內的空氣動力場、改變煙氣中飛灰顆粒的運動速度、方向,影響沉積量。風速增大時,煙氣中的飛灰與受熱面撞擊百分比增加,沉積量上升,但當風速超過12 m/s時,煙氣中含有較多氣體組分的飛灰來不及與受熱面接觸,就隨煙氣排出;而初始粘在受熱面上的顆粒在較大風速的作用下重新回到煙氣中,受熱面上的沉積量開始下降。
另外,供風速度對飛灰顆粒的沉積位置也有重要的影響,在燃燒秸稈成型顆粒燃料的鍋爐中,沉積不僅在受熱面上的迎風面形成,在風速產生的漩渦作用下,背風面上也經常出現沉積。
因此,在秸稈成型顆粒燃料燃燒過程中,合適的供風速度不但有利于燃料的燃燒,對受熱面上沉積的形成及其成分也有重要的影響。
這里需要指出的是,供風量的大小對于氯,鉀、鈉釋放沒有太明顯的影響,只有風量影響到溫度時才產生作用。風動力和熱動力共同形成了顆粒在空氣動力場中流動的驅動力,沒有了空氣動力,粉塵、堿金屬顆粒就沒有足夠的撞擊力,沉積形成的數量和強度都會受影響。
這一特征提示我們,嚴格控制供風量,使堿金屬析出后沒有足夠的移動動力,是減少沉積的重要技術手段。
4、受熱面溫度對沉積形成的影響
受熱面溫度對飛灰沉積率的影響至今尚未深入探討,這一參數一般取決于其他設計參數的考慮,如過熱器和再熱器溫度控制范圍,還涉及材料選用在內的經濟因素。
當受熱面溫度較低時,煙氣中飛灰顆粒遇到溫度較低的受熱面會迅速凝結,形成沉積,使受熱面上的沉積率升高;隨著受熱面溫度的升高,若低熔點的飛灰仍處于氣相狀態,就會隨煙氣排出爐外,受熱面上的沉積率會逐漸下降,如溫度使初級沉積表面出現熔融態,煙道氣中的顆粒物就會碰擊后被黏接,使沉積層增厚。但是一旦黏性最大的沉積層全面形成后,受熱面溫度對沉積率的影響就會因導熱率的下降而下降,最終隨著沉積物的增長溫度的影響力大大下降。
受熱面溫度對沉積形成的影響,由圖可以看出,溫度在550℃以下是堿金屬大量析出的過程,這一段在其他條件具備時很容易形成沉積,是值得我們研究、預防的溫度段。隨著受熱面溫度的提高,沉積率呈逐漸降低的趨勢。這種趨勢形成的原因很復雜,概括起來有三個方面,一是堿金屬的揮發,氯化物的形成都不是溫度越高越多;二是在燃燒室空氣場中供風量與原料燃燒溫度是有最佳匹配關系的,風量對溫度起決定作用,也就是說風量充足時溫度最高,或者說,在這個范圍內,溫度最高時的風量最大,在這樣的條件下,許多揮發物顆粒隨高速空氣流失,沒有了沉積的機會,因此溫度高不一定沉積多;三是當溫度達到600℃以后沉積層厚度就會逐漸加大,達到一定程度,受熱面的溫度對堿金屬揮發物的影響就越來越小了。對沉積率的作用也是越來越微弱了。
5、燃料形狀對沉積率形成的影響
生物質(秸稈)成型顆粒燃料燃燒過程中沉積率隨燃燒時間變化的關系。
在燃燒早期,秸稈成型顆粒燃料表層揮發分開始燃燒,在爐膛內氣流的擾動下,表層松散的飛灰顆粒離開秸稈成型顆粒燃料進入煙道氣,粘貼在受熱面上,沉積率最大;表面揮發分燃燒完成后,溫度向成型顆粒燃料內部傳導,內部的可燃揮發物開始持續析出燃燒。但由于秸稈成型顆粒燃料結構密實,很快就形成結構緊密的焦炭骨架,運動的氣流不能使骨架解體,飛灰顆粒減少,受熱面上的沉積率逐漸下降,然后穩定在一定值。沉積的形成過程與燃料燃燒規律是吻合的。
未經成型的原生秸稈燃燒試驗也證明符合這個遞減規律。秸稈原料在燃燒過程中,由于爐膛內擾動氣流的作用,燃燒后形成的松散的灰分很容易離開秸稈表面,進入爐膛煙道氣中,在爐膛內高溫下,粘貼在受熱面上,隨著燃燒的進行,飛灰顆粒減少,沉積也逐漸減少。由此得出沉積率早期最大,然后遞減的規律的結論。
試驗表明,生物質(秸稈)成型顆粒燃料燃燒過程中在受熱面上形成的沉積率明顯低于原生秸稈燃燒試驗的結果。主要因為:一是生物質成型顆粒燃料燃燒后形成了焦炭骨架,飛灰顆粒減少,從而降低了受熱面上的沉積率;二是生物質壓縮成型后,灰分的熔融特性發生了變化,生物質成型顆粒燃料飛灰的軟化溫度、流動溫度均高于生物質原始原料直接燃燒時灰分的軟化溫度和流動溫度,降低了熔融灰粒在飛灰中的比例,減少了堿金屬和氯化物與灰粒黏結的概率,從而降低了粘貼在受熱面上的飛灰顆粒的數量。
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