腐蝕就是物質表面與周圍介質發生化學或電化學作用而受到破壞的現象。腐蝕可由沉積物引起,也可由酸堿性有害氣體引起,腐蝕程度視沉積物累積或有害氣體的濃度決定。
秸稈燃燒過程中受熱面上的沉積物若不及時清理,不但會降低燃燒設備的換熱效率,也會對受熱面造成嚴重的腐蝕。另外,一般認為當燃料中氯或硫的含量超過一定數值時,在燃燒過程中形成的有害酸性氣體在低溫下(酸露點)冷凝,形成的強酸液體就會腐蝕燃燒設備,并且在設備運行過程中產生結皮和堵塞現象。與木材等其他燃料相比,秸稈作物中的氯含量過高。根據試驗測定,中國的玉米秸稈中氯的含量為0.5%~1%,燃燒過程中燃料釋放出來的氯與煙氣中的其他成分反應生成氯化物,然后與飛灰顆粒一起沉積在受熱面上形成沉積物,其中的氯化物就與受熱面上的鐵發生化學反應,將管壁中的鐵逐步轉移到沉積物中,從而使管壁越來越薄,對管壁造成嚴重的腐蝕。在當前燃用生物質的鍋爐中已經發現了受熱面腐蝕的問題。
生物質成型顆粒燃料燃燒對設備造成的腐蝕通常分為四種情況:
秸稈顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料如下所示:
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(2)高溫對流受熱面的腐蝕。主要由于堿金屬形成的鹽類在受熱面沉積造成腐蝕。堿金屬離子在730℃左右就會凝結,然后與煙氣中有害氣體(S02、S03、HC1等)形成低熔化合物或共晶體——復合硫酸鹽及鹽酸鹽,在高溫時黏結在受熱面土并被燒結沉積,在590℃左右具有較強腐蝕性,造成過熱器及再熱器管道腐蝕,研究發現,沉積造成的腐蝕在550~730℃時比較嚴重。
(3)低溫受熱面腐蝕(低溫腐蝕)。主要由于受熱面壁溫低于煙氣中酸露點時,酸性氣體形成酸霧冷凝在受熱面形成腐蝕。根據酸性氣體的多少及酸露點的高低影響腐蝕程度不一樣,一般300℃以下低溫腐蝕就會發生,主要由酸霧形成的硫酸及鹽酸對金屬產生腐蝕。
(4)高溫氧化腐蝕。煙氣或者管內蒸汽的溫度超過金屬的氧化溫度時,金屬氧化層被高溫破壞,造成高溫氧化腐蝕。
根據腐蝕機理可以分為化學腐蝕和電化學腐蝕。
化學腐蝕是鐵離子通過化學反應被逐步轉移到沉積物當中。受熱面原來致密的Fe2O3結構保護膜遭到破壞,一部分變成不穩定的亞鐵離子存在于表面沉積物當中。隨著時間的延長,沉積物越來越多,腐蝕程度不斷加劇,越來越多的鐵離子被轉移到沉積物中,受熱面逐漸變薄,直至出現漏洞。
試驗證實,受熱面上脫落的沉積塊主要由三部分組成,一是表面沒有沉積的受熱面,其主要成分是鐵,其次是氧;二是沉積的中心部分,氯、鉀及鈉含量最高。在沉積物中,鐵的含量由中心向外是逐漸增加的。表7.8列出了沉積塊上不同部位的元素分析結果,
電化學腐蝕在沉積腐蝕受熱面的過程中扮演著重要角色。腐蝕面位于氧化層和管壁之間,主要是FeCl。扮演腐蝕作用。根據分析,腐蝕層中的FeCl。不是沉積與氧化層反應形成的,而是沉積中的氯化物穿過氧化層與管壁中的鐵反應的產物。沉積層中的氯化物與管壁中的鐵反應,不斷地生成FeCl3,隨后FeCl3被氧化,Cl2又被還原出來再次與鐵反應,增加了FeCl3濃度。同時,沉積層中的硫酸鹽與腐蝕層中的FeCl3反應生成FeS,更多的管壁材料中的鐵被反應丟失,加劇了腐蝕程度。
一臺生物質鍋爐過熱器受熱面金屬在燃燒生物質不到一年時間內被腐蝕的實物照片,因為腐蝕嚴重,過熱器管道已經開始漏水,不得不停爐并卸下此過熱器,更換新的過熱器。
2、降低腐蝕的方法和措施
產生腐蝕的最主要根源是沉積形成的,因此從理論上分析,降低腐蝕首先要減少OL積,其方法措施已在本章前節做了敘述。其次是對原料進行預處理,減少堿金屬及(:1的含量。最后是通過工藝和設計措施降低沉積形成,減少沉積造成的腐蝕程度,本節將對這幾個內容作簡要敘述。
(1)水洗法脫除堿金屬和氯。水洗法脫除秸稈中堿金屬和氯,是一種預防沉積腐蝕非常有效的預處理方式。在秸稈成型顆粒燃料成型之前對秸稈進行處理,除去秸稈中所含的堿金屬和氯,是減少秸稈成型顆粒燃料燃燒過程中在受熱面上腐蝕的一種有效方法。一般采用水洗或自然放置一段時間便可減少堿金屬和氯元素的含量。
對秸稈水洗實驗發現,用水萃取可以除去80%的鉀和鈉以及90%的氯。采用預先熱解的辦法將生物質燃料制成焦炭,然后再對焦炭進行水洗,發現焦炭中71%的鉀、72%的氯和98%的鈉可以在80℃左右的熱水中被洗掉,但采用這種方法處理后還需進行干燥,成本較高。試驗測得,收獲糧食后,作物莖稈在田間經受過雨淋后,其堿金屬和氯的含量會減少70%以上。
值得一提的是,隨著木質纖維素爆破等預處理技術的突破,生物質綜合利用技術有了較快的發展。生物質預處理過程中,絕大部分堿金屬及有腐蝕作用的氯元素等得到了脫除,也為生物質成型顆粒燃料直燃技術防腐蝕提供了極好的條件。例如,秸稈沼氣化工程與纖維素乙醇技術預處理及發酵過程使用了大量的水洗處理,絕大部分堿金屬和氯元素被洗出,發酵后剩余的木質素可以用來生產顆粒燃料,可以廣泛用于生物質鍋爐,其性能優于純木質顆粒燃料,使結渣、沉積與腐蝕的危害性大大降低。
(2)自然預處理法脫除堿金屬和氯。這是降低秸稈中堿金屬和氯的另外一種預處理方式。將收獲的秸稈在大自然中自然露天放置,使氯及堿金屬等流失,這種方法的指標是垂萎度,即存放時間與氯和堿金屬的關聯度,用%表示,垂萎度越低,堿金屬和氯含量越低,越不易于產生腐蝕。
露天放置及水洗兩種條件下,新收獲的玉米秸稈中的堿金屬及氯含量的變化情況。其中表中露天放置的樣品是每隔10天取一次樣。
露天放置時,新收獲的玉米秸稈中的堿金屬及氯含量隨時間的變化而降低,但由于秸稈表面具有光滑的角質層,堿金屬及氯隨時間變化的速度較慢;當將玉米秸稈粉碎后再露天放置一年后,秸稈中的堿金屬及氯隨時間大量流失,分別降為0. 432,0.214,0.562。
水洗后,秸稈中的堿金屬及氯的含量更低,因此,如果先將秸稈粉碎后進行水洗,然后露天放置進行自然干燥,最后入庫存放,不但能減少其中的堿金屬及氯的含量,降低秸稈燃燒在受熱面上形成的沉積物及腐蝕,同時也降低了水洗后的干燥成本。但是這種方法也存在耗水量過大、干燥時間太長等問題。
(3)通過結構與機理控制沉積及腐蝕產生。根據秸稈類生物質燃燒特性,合理設計生物質燃燒設備,主要通過結構設計:分段供風、分室燃燒以控制燃燒溫度,不給沉積提供合適的溫度及環境氣氛。
一款雙層爐排生物質成型顆粒燃料鍋爐結構簡圖,這是一種典型的生物質成型顆粒燃料燃燒設備的設計思路,充分結合生物質成型顆粒燃料的特點,集中采用了分段供風、分室燃燒的結構,而且采用雙層爐排結構,低溫裂解與高溫燃燒分開進行,爐排進行低溫裂解避免爐排結渣,可燃氣在后部燃燒室高溫燃燒提高效率;可燃物折返多流程燃燒,可保證較大灰粒以及提早沉降,減輕換熱面沉積與腐蝕的程度。
運行過程可以描述如下:生物質成型顆粒燃料經上爐門加在上爐排上,點火后,引風機由此吸人空氣與燃料混合部分開始燃燒,此時屬于低溫熱解區(低于500℃,沉積腐蝕程度低);同時熱解產生大量可燃揮發氣體透過燃料層、低溫熱解層被引風機吸入燃燒室遇二次空氣進行高溫燃燒,多余可燃氣經燃盡室再次燃燒(可燃氣高溫燃燒超過900℃,堿金屬離子730℃凝結,因此沒有堿金屬沉積附著于受熱面)。尤為關鍵的是,雙層爐排的結構設計保證了在燃燒過程中較大的灰粒經過二次燃燒室及燃盡室進行兩次沉降,剩余的小顆粒落入后部換熱面沉積下來的可能性減少,因此沉積腐蝕減輕。
試驗結果表明,通過雙層爐排分燃燒室的結構設計,多段供風控制燃燒溫度,多次沉降灰粒等過程,破壞沉積形成的氣氛,能夠達到減輕腐蝕程度的效果。
除以上介紹的鍋爐燃燒過程發生的沉積腐蝕之外,空氣預熱器的低溫腐蝕也常常影響燃燒設備正常運行,因此,需要采取必要的措施防止或減輕低溫腐蝕程度。
對于減輕低溫腐蝕,主要采用以下幾種措施:一是提高空氣預熱器受熱面的壁溫,實踐中常采用提高空氣人口溫度的方法來提高空氣預熱器受熱面壁溫;二是冷段受熱面采用耐腐蝕材料,使用耐腐蝕的金屬材料可以減緩腐蝕進程與程度,同時也會增加設備造價,需要根據要求進行設計使用;三是采用降低露點或抑制腐蝕的添加劑,一般采用石灰石添加劑以降低煙氣中S03和HC1等濃度;四是降低過量空氣系數和減少漏風,避免S03產生,減輕腐蝕。
利用混燒等降低沉積量或利用吹灰等機械方法清除沉積,也可以減少沉積對受熱面的腐蝕,具體方法與措施與7.2.4 -節所述相同,這里不再贅述。
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