生物质混燃锅炉受热面金属的腐蚀特性研究

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化石能源的日益枯竭和环境的严重污染已成为人类面临的两大问题,因此能源的可再生性和对环境友好性是人们关注的焦点。生物质能作为一种可再生的清洁能源,具有分布广泛及数量巨大等特点,其在利用过程中能够实现碳的零排放,并且硫氮的排放量也较化石燃料燃烧少很多。现阶段,生物质燃烧发电是生物质能大规模利用的方式之一,而其与煤混合燃烧更能消除纯生物质电厂初期投资高、原料供应不稳定、规模容量受限以及经济效益不高等问题。但是生物质中钠、钾等碱金属元素及氯元素含量较高,煤中含有硫元素,在混燃过程中生成HCl、碱金属氯化物和碱金属硫酸盐等物质,在一定温度等条件下,这些物质非常容易导致锅炉受热面金属结渣、积灰和腐蚀等问题。本文研究不同组分合成灰对锅炉受热面金属的腐蚀特性,探究了不同工况下受热面金属腐蚀的特性规律。对合成灰腐蚀反应采用热分析动力学研究,定量表征合成灰腐蚀反应过程。探讨了几种常见添加剂对生物质混煤燃烧受热面金属腐蚀的影响规律。利用管式炉模拟生物质混煤燃烧锅炉过热器区域的反应条件,配制合成灰涂抹在金属20G表面,采用增重法,进行受热面金属氯腐蚀特性试验。结果表明生物质混燃锅炉受热面金属的腐蚀特性均符合抛物线规律,受热面金属的积灰对腐蚀的影响相当大,腐蚀速率比无灰增加40%多,同时积灰腐蚀生成的腐蚀产物中C1含量较高。不同组分合成灰对受热面金属的腐蚀程度不同。混合有氯化钠和氯化钾后合成灰的腐蚀性大大增加,但腐蚀性强弱与氯化钠和氯化钾混合的比例关系不大。碱金属硫酸盐的混合会降低腐蚀速率,远低于硫酸钠或者硫酸钾单独出现时的腐蚀速率。氯化钠和硫酸钠所产生的协同作用,会使合成灰对金属的腐蚀速率达到最大。当合成灰中氯化钾和硫酸钾的比例为1:1时,腐蚀速率最低,但随着钾盐比例的变化,腐蚀速率的变化未见明显的规律。随着HCl体积分数的增加,HCl更容易穿过氧化膜向金属基体渗透,与金属发生反应生成金属氯化物,腐蚀速率几乎成线性增加。随着反应温度由450℃升高到650℃时,腐蚀速率随着温度的升高成指数增加,符合阿伦尼乌斯定律。尤其温度从550℃升高到600℃,腐蚀速率急剧增大,温度对该温度区间腐蚀的影响幅度明显变大。采取定温法,对涂有合成灰的受热面金属腐蚀进行热分析动力学研究,表明腐蚀符合二维扩散模式,得到D2模式函数下的动力学方程:量的表征受热面金属腐蚀的反应过程。含有添加剂的合成灰对受热面金属的腐蚀过程也符合抛物线规律,含有添加剂的合成灰D17的腐蚀性大小顺序为:添加Al2O3>D17>添加SiO2>添加CaO>添加高岭土。试样表面腐蚀产物中Fe含量越高,金属基体被腐蚀的程度越大,Fe从金属中被置换到表面的腐蚀产物中。含有添加剂的碱金属氯化物的腐蚀性大小顺序为:添加SiO2>D6>添加CaO>添加Al2O3>添加高岭土,高岭土中含有的Al和Si元素会捕获碱金属氯化物,形成硅酸铝钾。硅酸铝和碱金属反应会生成更高熔点的碱金属硅铝酸盐,在燃烧中提升了积灰的熔点,可以有效地减缓腐蚀。综合看来,不同种类添加剂加入不同组分合成灰后,原合成灰的腐蚀性大小变化有所不同。添加剂Al2O3和高岭土相比于其他几种添加剂,对于降低腐蚀速率和减缓腐蚀有较好的效果。对于碱金属氯化物腐蚀,合成灰加入高岭土后,腐蚀速率降低16.1%。对于碱金属硫酸盐腐蚀、钠盐腐蚀和钾盐腐蚀,合成灰加入添加剂Al2O3后,腐蚀速率分别降低45.3%、13.1%和34.3%。
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