某生物质电厂引风机入口挡板结垢原因分析及解决对策

韩炜，毛军，范海涛，汪小林

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉 430071； 2.安能(安陆)生物质热电有限公司，湖北 安陆 432600)

0 引言

随着国民经济的快速增长，用电需求逐年增加，煤、石油、天然气等一次能源的消耗也随之增加。同时，全国雾霾天气的加剧、国家节能减排政策的重压，使高污染、高排放的小型燃煤机组逐渐被淘汰[1-2]。因此，可再生能源的发展势在必行。而生物质作为一种重要的清洁可再生能源，已受到越来越多国家的重视[3-5]。

我国生物质资源丰富且分布广泛，成为可再生能源的重要研究对象。生物质能源利用技术主要包括直接燃烧、热化学转换、生物转换以及液化[4，6]。其中，生物质直接燃烧发电是目前最简便可行的高效利用方式之一，已在许多国家得到了应用[7]。

然而，生物质电厂在运行过程中，锅炉尾部受热面经常出现结垢、结渣、积灰等情况，影响锅炉的热效率，降低电厂的经济性，严重时需要对机组进行停机清垢处理，影响机组安全、稳定运行[8]。研究表明，生物质中含有较多促进结垢的Cl和S，而生物质水洗是降低和减轻结渣的方法之一[9]。虽然国内外对生物质电厂锅炉结垢的研究很多，但其结垢的机制并不确定，需要进行进一步的研究和探索[10]。

国内某生物质电厂引风机入口风门挡板结垢，导致无法调节挡板开度，进而无法调节锅炉负荷，影响机组的安全、稳定运行。本文针对这一情况，对结垢物进行了取样检测，并分析讨论了结垢物的生成原因以及解决对策。

1 引风机变工况运行简介

引风机运行时，其运行工况点是随着锅炉负荷的变化而改变的，这种实现风机运行工况点的改变过程称为运行工况调节[11]。本文所研究的生物质电厂，其锅炉引风机即是通过调节引风机入口挡板开度以调节烟气流量，从而达到调节锅炉负荷的目的，实现变工况运行。电厂引风机及挡板门如图1、图2所示。

图1 引风机外形

图2 矩形挡板门

2 现场情况调查

2.1 结垢情况调查

现场调查发现，该电厂锅炉#1，#2引风机配置的矩形挡板门在运行过程中均出现了不同程度的结垢。运行约20 d时，挡板门就由于结垢严重而无法正常调节其开度，需要停机进行清垢处理。挡板门的结垢情况如图3所示。

图3 现场挡板门结垢情况

2.2 结垢样品成分检测

2.2.1 X-射线荧光光谱分析

X-射线荧光光谱(XRF)是一种比较分析技术，在较严格的条件下用一束X射线或低能光线照射样品材料，使样品发射特征X射线，这些特征X射线的能量对应各特定元素，样品中元素的质量分数直接决定射线的强度。结垢样品的XRF测试结果如图4所示，结垢样品XRF测试结果见表1。

表1 结垢样品XRF测试结果 %

图4 结垢样品X射线荧光光谱图

从检测结果可以看出，样品的组织结构中基本只含Cl元素，由于X-射线荧光无法测出元素周期表中Na以前的元素，所以还无法确定结垢样品中的物质具体是什么。

2.2.2 X-射线衍射分析

样品的结晶化合物可以进一步通过X-射线衍射(XRD)检测确定，检测结果如图5所示(其中横坐标为扫描角度)。

图5 样品XRD测试结果

检测结果显示，样品的晶体结构与NH4Cl的晶体结构吻合，且N和H正好是元素周期表中Na之前的元素，表明样品的主要成分就是NH4Cl的结晶体。

3 结垢原因分析

对该电厂引风机入口风门挡板的结垢物进行了XRF测试和XRD测试，得知其主要成分为NH4Cl结晶体。因此想要抑制结垢物的生成，需从NH4Cl结晶体的成分来源和生成条件两方面进行分析。

3.1 NH4Cl的成分来源分析

生物质电厂锅炉及尾部烟道的结渣、结垢是由于飞灰颗粒中K和Cl的含量较高所引起的，引风机入口风门挡板大量高纯度NH4Cl结垢物与燃料中所携带的Cl有必然联系。而NH4Cl是一种常用的肥料，尤其在棉花地中的使用十分广泛。生物质燃料大多来自农田林地，在其运输和制备过程中，燃料中必然会掺入大量的土壤成分，而该工程需燃用大量的树根和棉花秆，带土严重，因此也需对燃料来源地的土壤进行分析。该生物质电厂燃料来源地的土壤检测结果见表2。由表2可知，土壤中Cl的质量分数高达6.914%，而棉花秆中Cl的质量分数只有0.46%(棉花秆成分分析见表3)，土壤中的Cl含量远大于棉花秆中的Cl含量。现场调查发现，生物质燃料带土现象严重，且未经任何处理(如图6、图7所示)，这说明引风机入口风门挡板处NH4Cl主要来源于土壤。

表2 土壤成分分析 %

表3 棉花秆成分分析 %

图6 生物质堆料场

图7 生物质破碎现场

3.2 NH4Cl的生成条件分析

生物质电厂运行过程中，燃料燃烧生成的大量烟气经锅炉尾部省煤器、空气预热器及布袋除尘器除尘之后，烟气温度已降至120 ℃左右，流经引风机入口处时，其温度环境已十分适合NH4Cl结晶体的生成。烟气与挡板接触，大量的NH4Cl在低温环境下结晶生成NH4Cl结垢物，久而久之，导致挡板开度无法正常调节，影响引风机的安全、稳定运行。此外，经过现场调查，将烟气温度调高至160 ℃并运行一段时间，引风机入口挡板结垢现象得到明显改善，表明挡板处烟气温度偏低是造成引风机入口风门挡板结垢的主要原因。锅炉烟风系统如图8所示。

图8 烟风系统

4 解决对策

通过前面的分析可知，进炉生物质燃料携带过多土壤以及挡板处烟气温度偏低是造成引风机入口风门挡板结垢的主要原因。

从结垢物的来源分析，要想抑制结垢物的生成，需降低燃料中NH4Cl的含量，因此需对生物质燃料进行清土处理。然而生物质燃料具有自然堆积密度低、体积大、难以储存和运输的特点，并且生物质电厂每时每刻都需要处理大量的生物质燃料，使得对生物质燃料进行清土处理变得十分困难，既不经济，也不具备可行性。

从结垢物的生成条件分析，调高烟气温度可以有效防止NH4Cl的结晶，然而，烟气温度的升高意味着锅炉效率的降低，违背了电厂设计的初衷。

本文利用锅炉烟风物料系统中的热二次风引一路至引风机入口风门挡板，以提高此处挡板环境温度。热二次风的温度达到了212 ℃，从而避免烟气流经此处时因温度过低而利于生成NH4Cl结垢物。考虑到热风引入到风门挡板处能覆盖的区域有限，只需消除风门挡板叶片和风门框架内壁之间的结垢就能达到挡板自由调节的目的，所以引入到风门内部的热风主要覆盖每块风门挡板叶片和框架内壁之间的区域。引入的热二次风管道上设置手动调节门，可以调节引入到风门处的热二次风风量。方案实施后的锅炉烟风系统如图9所示。

图9 方案实施后烟风系统简图

方案实施后，该电厂2台引风机入口风门挡板的结垢情况得到了明显改善，其挡板门的开度均能够自由调节，减少了事故停机次数，提高了电厂的经济效益。

5 结论

本文通过对某生物质电厂引风机入口风门挡板结垢原因的分析研究，取得以下成果及结论。

(1)生物质电厂引风机入口风门挡板处的结垢物为纯度极高的NH4Cl结晶体。

(2)通过对生物质燃料及燃料所在地的土壤成分分析，土壤中Cl的质量分数为6.914%，远高于燃料中Cl的质量分数0.460%，且进炉燃料未经处理携带过多土壤，说明NH4Cl主要从土壤中夹带而来。

(3)引风机入口风门挡板处烟气环境温度过低是造成NH4Cl结晶的主要原因，调高烟气温度可以防止结垢。

(4)通过引入一路热二次风至引风机入口风门挡板，提高了此处烟气环境温度，改善了挡板门的结垢情况，解决了挡板门开度无法调整的问题。

参考文献：

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