刘 念

（太原锅炉集团有限公司，山西 太原 030053）

生物质能主要通过植物的光合作用产生。每年植物的光合作用可将光能转变为约1 700亿t的生物质能，并广泛分布在陆地及海洋中[1]。其中，生物质资源的规模化利用对于解决化石能源日趋紧张和环境污染日益严重问题具有重大意义。目前，我国生物质能废弃物的利用方式分为两种：直接利用，如燃烧；处理后利用，如热解[2]。

秸秆是我国种植范围最广的农作物之一，其生物质资源不容忽视，秸秆直燃热利用是生物质资源规模化利用的有效途径。然而由于我国秸秆资源高氯、高碱金属的特点，在直燃热利用过程中引起受热面沉积引起的高温腐蚀、低温腐蚀等问题，已经成为提高主蒸汽温度和压力来提高秸秆CFB（Circucating Fluidized Bed，循环流化床）能源利用效率所必须面临的课题。为此，探讨了解秸秆直燃沉积腐蚀过程及腐蚀机理，探索沉积腐蚀防护技术和优化CFB的运行方式对现有生物质热电厂是十分有必要的。

1 生物质燃料燃烧特性总述

我国生物质秸秆资源的分布特征，主要以集中于北方地区的玉米、南方地区的水稻和小麦三大秸秆为主。由于我国粮食种植种类、收割方式、存储气候条件等方式与欧洲和美洲不同，所以无法直接引用欧盟CET/TS和美国ASTM生物质燃料检验分析标准，外加理论设计的生物质燃料与实际燃烧的生物质燃料在热值、元素成分、成灰特性、掺杂杂质等方面差距也比较明显，我国急需制定相应的生物质燃料检验标准和分析方法，从而在理论和现有实践的基础上指导和规范生物质CFB的设计与锅炉运行。

我国生物质秸秆燃料属于高氯高钾钠低硫燃料，其燃烧飞灰产物主要是碱金属氯化物；同时，秸秆具有热值低、产热能量少的特点，且秸秆易挥发，水分含量高，严重影响其热值。受季节影响，秸秆的物理化学性质和产能变化较大，旱季产量少，热值高，雨季产量高，含水率高。受地域条件限制，秸秆中的不易燃物杂质容易对其燃烧放热产生影响，且由于含盐量较高，矿化水蒸气遇冷易结垢，导致管道生锈腐蚀等电化学现象，甚至发生热面沾污或烟道堵塞。受一些地区土壤和水质条件影响，含有一定量氯，氯燃烧后转化为氯化氢，主要成分以KCl、NaCl、K2SO4和Na2SO4等四种碱金属盐作为腐蚀介质，导致受热面存在腐蚀的速度较快，锅炉生物质燃料灰分成分见表1。

表1 锅炉生物质燃料灰分成分 %

2 生物质CFB高温段腐蚀性影响分析

常规生物质CFB炉膛设计温度在600～780℃的温度区间，生物质锅炉高温段常用管材为：1Cr19Ni11Nb、10Cr9Mo1VNb、12Cr1MoVG和20G，总结在用生物质CBF三年以上运行业绩：黑龙江中鑫热电40 MW超高压生物质CFB、黑龙江辰能集贤生物质热电厂30 MW超高压生物质CFB、黑龙江辰能兰西生物质热电厂30 MW超高压生物质CFB、黑龙江海伦地势坤生物质热电30 MW超高压生物质CFB运行经验，建立秸秆燃料锅炉受热面沉积腐蚀对比试验，观察锅炉高温受热面腐蚀情况研究，探讨生物质秸秆锅炉受热面沉积腐蚀过程及腐蚀机理。

根据生物质秸秆锅炉受热面沉积腐蚀模拟环境和元素的物理化学性质，四种管材腐蚀试验运行结果表明，各管材的抗腐蚀性能随着反应温度的升高而降低，四种管材的抗腐蚀能力排序：1Cr19Ni11Nb＞10Cr9Mo1VNb＞12Cr1MoVG＞20G，其中在管壁温度为120℃左右低温段和620℃左右高温段腐蚀速度较明显，根据生物质CFB运行经验高温过热器段管子平均温度（管壁与管内介质平均温度）为500℃时，受热面腐蚀较明显（见图1）。由于烟气与受热面的温差较大，烟气遇冷发生冷凝效应，形成类似固化剂的类胶粘结剂，从而进一步吸附飞灰沉积后颗粒，形成固-液二维平面缔合结构，严重阻碍了受热面的热传导。同时，由于电化学反应，该缔合体与受热面易发生矿化反应，引起金属腐蚀。所以在40 MW超高压CFB高温过热器段管材都要选用T91，并将高温过热器设计在炉膛内部的屏式过热器段。一则通过优质的材料来降低管子的壁面腐蚀，二则通过设计在炉膛内部让大量的循环灰冲刷管子壁面以避免管壁长期玷污引起垢下腐蚀。

图1 受热面腐蚀速度曲线

3 生物质CFB低温段腐蚀性影响分析

根据图1的表面玷污相对腐蚀速度曲线，当尾部竖井烟道的温度为110～120℃区间时相对腐蚀速度加快，对应生物质CFB的位置为末级空预器。根据黑龙江中鑫热电40 MW超高压生物质CFB、黑龙江辰能集贤生物质热电厂30 MW超高压生物质CFB、黑龙江辰能兰西生物质热电厂30 MW超高压生物质CFB、黑龙江海伦地势坤生物质热电30 MW超高压生物质CFB运行经验分析，在CFB尾部竖井烟道的末级空预器和次末级空预器处容易发生堵灰、搭桥现象，外加此处温度在180～130℃温度区间，烟气中的碱金属共晶体与Cl-和NH4+在水蒸气的含量较高的尾部生成络合共晶体化合物，如采用常规Q235或者考登钢的材质运行少则半年，多则一年将会产生空预器的堵灰与全面垢下腐蚀现象，导致空预器阻力增加和漏风系数增大，进而降低锅炉热效率直至引起强制停炉。

4 结语

通过热循环温控系统，增强空气预热器中气体的热能，保证预热器最小局部温度超过酸露点温度一定数值；通过控制烟气流速，降低低流速下的受热面堵灰伤害，以及高流速下的受热面物理磨损问题；针对金属低温电化学问题，应采用耐腐蚀考登钢材料并内外搪瓷处理制成空气预热器的蓄热元件；高温腐蚀段采用T91合金钢材质的过热器设计，并将其设计在炉膛内部以增加表面的冲刷自净能力；运行中采用低氧燃烧，增加炉膛内循环灰量并配合选择性排渣技术在炉膛内多排细灰带走大量碱金属共晶体，降低尾部碱金属蒸汽含量，降低低温结垢腐蚀，同时调配生物质燃料种类，降低燃料中的含氯量，降低氯腐蚀的影响，从而实现生物质CFB连续稳定高效运行，为国家贡献更多的清洁能源，助力国家低碳排放政策。