生物质循环流化床锅炉返料堵塞浅析与处理宣晓东

生物质循环流化床锅炉返料堵塞浅析与处理宣晓东

宣晓东

（浙江长广生物质发电有限公司浙江湖州313116）

摘要：现阶段国内生物质直燃技术应用已相对普遍，文章对生物质直燃循环流化床锅炉燃烧过程中产生碱金属含量的变化引起旋风分离器、返料阀结渣堵塞现象分析，认为控制炉内循环灰中的碱金属浓度是保障生物质锅炉正常运行的重要途径，并提出对此解决的方法以避免结渣造成停炉事故。

关键词：生物质碱金属;返料器;返料灰结渣

引言

在目前世界的能源结构中,生物质能具有源储量丰富、可再生的特点，潜力开发占比逐年增加，根据国家《能源发展“十三五”规划》和《可再生能源发展“十三五”规划》，要求至2020年农林生物质发电达到700万千瓦。农林生物质发电在国内主要有循环流化床锅炉或层燃悬浮锅炉完成化学能变为蒸汽热能，由于生物质能燃料的特征，也适用于所有燃煤电厂的生物质能改造工程。循环流化床锅炉对生物质能具有适应性好、高效低污染的清洁燃烧特征，在工业锅炉、电站锅炉得到了广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展，因此生物质直燃锅炉应用也越来越普遍，生物质燃料与煤相比，具有固定碳少、含水量高、含硫量低、热值低的特点外，另外也具有含量不低的钾和钠元素，这些问题的综合也必然带来燃烧差异。若控制不当，造成循环流化床锅炉的重要设备高温旋风分离器、返料阀等设备容易出现返料堵塞的问题，一旦发生堵塞必然造成停炉事故。

一．锅炉返料器堵塞的原因分析

1、锅炉结构与燃料结构

浙江某生物质电厂投运的两台75t/h生物质直燃循环流化床锅炉，锅炉主要由四部分组成：燃烧室、旋风分离器、返料阀和尾部对流烟道组成。燃烧室位于锅炉前部，四周和顶棚布置膜式水冷壁，底部水冷布风板上布置大直径钟罩式风帽。炉膛内部布置两组水冷屏和三组汽冷屏（高温过热器）。燃烧室后有两个对称布置的高温绝热旋风分离器，一定粒度的灰粒被扑捉后下落至旋风分离器的锥口收集，通过浇筑落料管到自平衡U型密封返料阀，返料阀内部布置松动风室风帽和返料风室风帽，灰粒再返回炉内燃烧室。烟气和更小灰粒进入尾部对流烟道。燃料结构为薪材、树皮、篾黄、锯沫、稻壳等农林废弃物为主。

2、旋风分离器与返料器堵塞现象

公司的循环流化床锅炉投产后经常出现旋风分离器落料口锥口、自平衡U型密封返料阀堵塞的问题，在锅炉运行中发生堵塞的最短时间连续运行仅2天，最长运行时间不超过1个月。根据原设计锅炉在正常运行中添加高岭土以控制炉内循环灰浓度，使用后仍旧发生不可预控的旋风分离器落料口锥口或返料阀处的堵塞造成停炉,高岭土添加极大的增加运行成本，且高岭土合适的目数不易控制，未有实质性效果，所以放弃连续添加高岭土，返料堵塞的问题一直困扰锅炉运行，制约着机组连续运行也严重威胁设备的安全。

返料器堵塞的检查情况如下：内部均有致密的结渣粘结在返料阀通道，结渣破碎后内部不同颜色的层状纹路分界线明显，推断结渣具有条件和时效性。也说明返料器堵塞是因为结渣引起通流面积减小引起，一旦堵塞后原流动性较好的返料灰继续氧化，最终形成松散不流动的结渣。旋风分离器堵塞总是在锥口处的结渣，有时表现仅留有一个通流孔，有时表现仅留一道沟槽，当通流截面缩小一定程度后发生堵塞。

3、生物质灰样分析

锅炉运行正常到某一时段发生返料器堵塞时，从检查情况来看，说明在返料器堵塞前就存在通流面结渣缩小的问题，只是结到一定程度时发生堵塞事故。取正常运行时返料灰样品在马弗炉内做高温试验，试验温度变化后特性如下：在820℃以内，灰样取出后物理特性松散，在820~840℃之间时，灰样开始有团聚现象，出现松散的结渣，轻微晃动结渣又可以变得松散，当超过840℃时团聚颗粒面积加大，结渣现象明显,表面形成致密层，通过晃动无法打散，当超过860℃时样块有熔融现象，冷却后的结渣致密，颜色偏白，此征象基本与停炉粘结返料阀内的结渣一致。

从生物质灰样理论研究实验数据来看，一般生物质灰的变形温度绝大多数高于1000℃，（如灰熔点相对低的稻草灰在600e时，变形温度为1047℃，软化温度为1203℃），但实际数据远低于研究室数据，主要原因可能是锅炉燃烧的生物质是不同品种的混合燃料，另外在不稳定的氧化和还原环境、高温后碱金属析出浓度不同的条件下，生物质灰熔点存在低于理论值。

返料器堵塞可以看成旋风分离器的落料锥口与返料阀两个部分，一个是处于氧化性与还原性共存的落料锥口，另外一个是绝热、绝氧环境的返料阀部分，无论哪个部分都存在高温、一定浓度的碱金属特征。生物质燃料在燃烧过程中，所含K和Na会形成三种形态，分别是气相、熔融态、固态，根据研究资料介绍生物质在燃烧时K、Na温度在500-700℃范围内时，K、Na以气态氯化物析出较慢，而温度在700℃以后，KCl（g）和NaCl（g）的生成量随着温度的升高急剧增大，也说明温度高于700℃时，碱金属很容易以氯化物的形式析出进入气相，温度在700-1150℃范围内时，KCl（g）和NaCl（g）的生成量均表现先增大后减小，在850℃左右达到最大值。在650-850℃燃烧范围内，Na比K更容易以气态的形式析出，随着温度的升高残留比例均呈现逐渐降低的趋势，说明升高温度能促进碱金属析出进入气相。在实际燃烧中碱金属在灰中的浓度起着降低灰熔点的作用，若不及时降低灰中的碱金属浓度，是造成结渣的重要原因。

二．锅炉返料器堵塞的应对措施

从公司的锅炉运行参数床温850℃左右，炉膛出口750℃左右，返料阀温度840℃左右反应，炉内的循环灰碱金属浓度很容易落在高析出区域，若生物质燃料以草本为主，生物质携带颗粒不足的前提下，通过一段时间的运行，炉内循环灰的碱金属浓度也会积累逐渐增高，若不及时的降低碱金属浓度，必然会降低灰熔点温度，最终造成返料灰结渣的现象。通过添加高岭土以控制炉内循环灰中碱金属浓度是有效的，但在实际应用中，无法实现高岭土筛分颗粒与炉内的循环灰筛分比例一致，以至于细颗粒高岭土无法被旋风分离器捕捉，直接进入尾部烟道排出，粗颗粒变成床压升高不得不排出炉外造成浪费，这也是实际应用中添加高岭土不易达到理想效果的原因。综上分析，为了避免因碱金属浓度增高，控制温度是最有效的手段，公司规定床温820℃左右，炉膛出口700℃左右，返料阀温度800℃以内，旋风分离器落料口锥口和返料阀再未发生堵塞造成停炉事故。

结论

合理的控制生物质循环流化床锅炉各区域的温度可以有效的控制生物质碱金属析出的浓度。当炉内循环灰减少时、增加床料提高循环灰量可以明显抑制碱金属浓度的增加。通过加强置换炉内的床料，可以降低炉内碱金属浓度。采取以上措施后，锅炉可以实现避免返料器结渣而停炉的事故。

参考文献

[1]《生物质燃烧与混合燃烧技术手册》国际能源署(IEA)生物质能协定任务32课题组编.

[2]《NB/T42030-2014生物质循环流化床锅炉技术条件》中国电力出版社.

作者简介

宣晓东（1969.03）、男、职称：助理工程师，主要研究方向：热能动力工程。