生物质锅炉积灰特性与露点腐蚀_马海东
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锅炉低温受热面的积灰、腐蚀与烟气的酸露点 紧密相关。截至目前，露点腐蚀问题已被广泛研究： Whittingham[12]早在 1954 年便研究了不同烟气成分 对腐蚀效果的影响；之后不久，Moskovits[13]对燃油 燃煤锅炉中低温热表面的腐蚀问题进行了总结； 2004 年 Huijbregts 等[14]总结了酸露点腐蚀的最新进 展；近年来，国内学者也逐渐参与到该领域的研究 中，Han 等[15]和 Li 等[16]分别分析了燃煤锅炉受热 面的露点腐蚀特性和机理，此外，作者前期也针对 燃煤锅炉烟气深冷条件下的积灰和腐蚀耦合机理， 进行了一系列的研究工作[17-19]。然而，以往的露点腐 蚀研究主要集中在燃用化石能源的锅炉，而针对生 物质锅炉低温受热面的积灰与露点腐蚀研究还较
马海东等：生物质锅炉积灰特性与露点腐蚀
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表 3 实验材料成分 Table 3 Compositions of experimental materials/% (mass)
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Sb
Mo
Cu
0.261
0.480
0.08
0.010
0.809
—
0.061
—
0.287
0.70
1.28
0.035
0.005
16.95
10.12
—
2.06
—
表 4 35℃进口水温下 ND 钢管外积灰 XRF 分析
Table 4 XRF results of ash deposit on ND steel tube with IWT of 35℃/% (mass)
Layer inner middle outer
为进一步分析积灰的微观特性，取灰层较厚 且易于分层的 35℃工况 ND 钢管外积灰，并由管 壁向外依次分为 3 层，进行 XRF、XRD 分析，以 确定其元素含量及化合物成分，结果如表 4 和图 4 所示。
由 ND 钢管外积灰 XRF、XRD 分析可知，管 外积灰各灰层的主要成分为 NH4Cl、SiO2、CaCl2 以及少量的硫酸盐，此外，内层积灰还出现了一定 量氯化铁、氧化铁以及反应中间产物，故内层也可 称为耦合层。
MA Haidong, WANG Yungang, ZHAO Qinxin, CHEN Heng, LIANG Zhiyuan, JIN Xin
(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering (Ministry of Education), Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)
Cl O N S Si Ca Fe 20.6 38.7 5.39 4.93 7.88 7.61 9.86 45.8 28.0 6.12 2.8 3.92 4.72 3.57 41.9 26.8 5.39 3.29 5.25 8.14 1.51
Others 5.03 5.07 7.72
图 2 实验系统示意图
Al2O3 14.68
表 2 生物质燃料的灰组成 Table 2 Ash composition of biomass/% (mass)
CaO
MgO
TiO2
K2O
Na2O
7.89
2.08
0.95
3.37
1.05
SiO2
SO3Baidu Nhomakorabea
51.00
1.02
第 12 期
Material ND 316L
C 0.078 0.020
Fig.2 Schematic diagram of experimental system
800#和 1500#砂纸打磨后抛光，进行 SEM 和 EDS 分 析，灰样进行 XRF 与 XRD 分析。 2.1 管外积灰特性
ND 钢实验管件外积灰宏观特征随进口水温 （IWT）升高，而呈现出一定规律性，如图 3 所 示。迎风侧由于烟气冲刷严重，表面没有细灰沉 积，灰呈粗颗粒状[图 3(a)、(c)、(e)]；背风侧灰 层表面覆盖一层粉状细灰[图 3(b)、(d)、(f)]。35 ℃工况的背风面由于含湿灰层的水分置于空气中 蒸发而呈现斑驳状[图 3(b)]；60℃工况的背风面积 灰紧密，几乎无斑驳痕迹[图 3(d)]。随进口水温升 高，ND 钢实验管件积灰后的外径逐渐减小，90 ℃工况的迎风侧积灰大面积脱落而显露出金属基 面[图 3(e)]。
少。本文选取 ND 钢及 316 L 不锈钢在某 65 t·h−1 生物质锅炉进行实炉实验，分析积灰与露点腐蚀耦合 机理，其结果对指导生物质锅炉烟气余热利用，推动 我国电力行业节能减排事业发展具有重要指导意义。
1 实验概述
实验位于除尘器出口尾部竖直烟道，如图 1 所 示。实验期间实验段处烟气温度为 158℃，锅炉入 口燃料保持稳定，主要由麦秆、玉米秆、花生壳、 树皮及稻谷壳 5 种生物质组成，实验期间锅炉燃料 保持为这 5 种燃料一定比例的混合物，其元素分析、 工业分析与灰分分析，如表 1 和表 2 所示。实验采 用的 ND 钢和 316L 不锈钢材料成分如表 3 所示， 管段均为 ϕ38 mm×4 mm 的无缝钢管。
摘要：以 ND 钢为研究对象，选取 316 L 不锈钢为对比材料，主要研究了 65 t·h−1 生物质循环流化床锅炉烟气深
度冷却条件下的积灰与露点腐蚀耦合特性。对积灰和腐蚀层进行了 XRF、XRD、SEM 和 EDS 分析。实验结果表
明：实验管件表面沉积物可分为腐蚀层、耦合层和灰沉积层（NH4Cl、SiO2 和(NH4)2SO4）。耦合层包含了灰沉积 物和金属腐蚀产物，且与灰沉积层黏结紧密易剥落；腐蚀层多为金属的氯化物和氧化物，其厚度随实验进口水温
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化工学报
第 67 卷
问题[3]。预计到 2020 年，我国生物质发电机组装机 容量达到 3000MW[4]。然而，在我国现有的生物质 直燃电厂中，由于燃料不稳定、运行操作不当等问 题，存在排烟热损失大的现象[5]。在燃煤电厂中通 过新型余热利用技术可将锅炉排烟温度降至 85℃ 左右[6]。但生物质燃料与煤相比含有更多的碱金属 元素和氯元素[7-8]和较少的硫元素[9]，所以在进行烟 气余热利用时，不能直接应用燃煤锅炉低温受热面 积灰和露点腐蚀相关理论[10-11]。
Key words: corrosion; deposition; flue gas; biofuel
引言
为了缓和化石能源危机，生物质燃料因其具有
资源丰富、可再生、排污较少等优点，受到重视并 已经被广泛应用[1-2]。采用生物质燃料直燃发电，能 够促进该燃料规模化应用，并有效解决电厂的污染
2016-05-27 收到初稿，2016-09-23 收到修改稿。 联系人：王云刚。第一作者：马海东（1991—），男，博士研究生。 基金项目：国家自然科学基金项目（51606144）；高等学校博士学 科点专项科研基金项目（20130201110045）。
Abstract: The coupling characteristics between ash deposit and dew point corrosion of deep-cooling flue gas on ND steel and 316L stainless steel (control) was investigated in a 65 t·h−1 circulating fluidized bed biofuel boiler. The ash deposit and corrosion layer were studied by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS). Results indicated that the deposits on tube surface could be classified as layers of corrosion, coupling and ash deposit (NH4Cl、SiO2 and (NH4)2SO4). The coupling layer contained ash deposit and metal corrosion by-product, which was prone to spall off because of strong adhesion to the ash deposit layer. The corrosion layer, mainly composed of metal compounds of chlorides and oxides, reduced dramatically in thickness with the decrease of inlet water temperature. The degree of corrosion of ND steel increased sharply when wall temperature was below water dew point of flue gas. ND steel showed corrosion resistance inferior to 316L stainless steel at experimental conditions.
第 67 卷 第 12 期 2016 年 12 月
化工学报 CIESC Journal
Vol.67 No.12 December 2016
DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160733
生物质锅炉积灰特性与露点腐蚀
马海东，王云刚，赵钦新，陈衡，梁志远，金鑫
（西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049）
图 1 实验测点位置示意图 Fig.1 Schematic diagram of experimental point position
表 1 生物质燃料的工业分析和元素分析 Table 1 Proximate analysis and elemental analysis results of biomass
Received date: 2016-05-27. Corresponding author: WANG Yungang, ygwang1986@mail.xjtu.edu.cn Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51606144) and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20130201110045).
Proximate analysis/% (mass)
Mad
Aar
Var
FCar
5.50
8.88
59.83
17.47
Car 37.83
Elemental analysis/% (mass)
Har
Oar
Nar
4.71
32.06
0.68
St,ar 0.11
Qnet,ar/MJ·kg−1 13.75
Fe2O3 4.67
实验系统如图 2 所示，通过高温水循环机控制 实验管段入口水温，从而实现不同的管壁温度。实 验中控制循环水温为 35、45、60、70、80、90℃共 6 个工况，各工况实验时长均为 96 h。
2 实验结果与讨论
实验结束后，观察实验管件积灰形貌特征并刮 取灰样，随后对实验段切割制样，依次经 240#、400#、
降低而降低，当管壁温低于烟气水露点时，ND 钢被腐蚀的程度急剧加重。在实验条件下，ND 钢的抗露点腐蚀能
力弱于 316L 不锈钢。
关键词：腐蚀；沉积物；烟道气；生物燃料
中图分类号：TK 16
文献标志码：A
文章编号：0438—1157（2016）12—5237—07
Characteristics of ash deposit and dew point corrosion in biofuel boiler
马海东等：生物质锅炉积灰特性与露点腐蚀
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表 3 实验材料成分 Table 3 Compositions of experimental materials/% (mass)
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Sb
Mo
Cu
0.261
0.480
0.08
0.010
0.809
—
0.061
—
0.287
0.70
1.28
0.035
0.005
16.95
10.12
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表 4 35℃进口水温下 ND 钢管外积灰 XRF 分析
Table 4 XRF results of ash deposit on ND steel tube with IWT of 35℃/% (mass)
Layer inner middle outer
为进一步分析积灰的微观特性，取灰层较厚 且易于分层的 35℃工况 ND 钢管外积灰，并由管 壁向外依次分为 3 层，进行 XRF、XRD 分析，以 确定其元素含量及化合物成分，结果如表 4 和图 4 所示。
由 ND 钢管外积灰 XRF、XRD 分析可知，管 外积灰各灰层的主要成分为 NH4Cl、SiO2、CaCl2 以及少量的硫酸盐，此外，内层积灰还出现了一定 量氯化铁、氧化铁以及反应中间产物，故内层也可 称为耦合层。
MA Haidong, WANG Yungang, ZHAO Qinxin, CHEN Heng, LIANG Zhiyuan, JIN Xin
(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering (Ministry of Education), Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)
Cl O N S Si Ca Fe 20.6 38.7 5.39 4.93 7.88 7.61 9.86 45.8 28.0 6.12 2.8 3.92 4.72 3.57 41.9 26.8 5.39 3.29 5.25 8.14 1.51
Others 5.03 5.07 7.72
图 2 实验系统示意图
Al2O3 14.68
表 2 生物质燃料的灰组成 Table 2 Ash composition of biomass/% (mass)
CaO
MgO
TiO2
K2O
Na2O
7.89
2.08
0.95
3.37
1.05
SiO2
SO3Baidu Nhomakorabea
51.00
1.02
第 12 期
Material ND 316L
C 0.078 0.020
Fig.2 Schematic diagram of experimental system
800#和 1500#砂纸打磨后抛光，进行 SEM 和 EDS 分 析，灰样进行 XRF 与 XRD 分析。 2.1 管外积灰特性
ND 钢实验管件外积灰宏观特征随进口水温 （IWT）升高，而呈现出一定规律性，如图 3 所 示。迎风侧由于烟气冲刷严重，表面没有细灰沉 积，灰呈粗颗粒状[图 3(a)、(c)、(e)]；背风侧灰 层表面覆盖一层粉状细灰[图 3(b)、(d)、(f)]。35 ℃工况的背风面由于含湿灰层的水分置于空气中 蒸发而呈现斑驳状[图 3(b)]；60℃工况的背风面积 灰紧密，几乎无斑驳痕迹[图 3(d)]。随进口水温升 高，ND 钢实验管件积灰后的外径逐渐减小，90 ℃工况的迎风侧积灰大面积脱落而显露出金属基 面[图 3(e)]。
少。本文选取 ND 钢及 316 L 不锈钢在某 65 t·h−1 生物质锅炉进行实炉实验，分析积灰与露点腐蚀耦合 机理，其结果对指导生物质锅炉烟气余热利用，推动 我国电力行业节能减排事业发展具有重要指导意义。
1 实验概述
实验位于除尘器出口尾部竖直烟道，如图 1 所 示。实验期间实验段处烟气温度为 158℃，锅炉入 口燃料保持稳定，主要由麦秆、玉米秆、花生壳、 树皮及稻谷壳 5 种生物质组成，实验期间锅炉燃料 保持为这 5 种燃料一定比例的混合物，其元素分析、 工业分析与灰分分析，如表 1 和表 2 所示。实验采 用的 ND 钢和 316L 不锈钢材料成分如表 3 所示， 管段均为 ϕ38 mm×4 mm 的无缝钢管。
摘要：以 ND 钢为研究对象，选取 316 L 不锈钢为对比材料，主要研究了 65 t·h−1 生物质循环流化床锅炉烟气深
度冷却条件下的积灰与露点腐蚀耦合特性。对积灰和腐蚀层进行了 XRF、XRD、SEM 和 EDS 分析。实验结果表
明：实验管件表面沉积物可分为腐蚀层、耦合层和灰沉积层（NH4Cl、SiO2 和(NH4)2SO4）。耦合层包含了灰沉积 物和金属腐蚀产物，且与灰沉积层黏结紧密易剥落；腐蚀层多为金属的氯化物和氧化物，其厚度随实验进口水温
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第 67 卷
问题[3]。预计到 2020 年，我国生物质发电机组装机 容量达到 3000MW[4]。然而，在我国现有的生物质 直燃电厂中，由于燃料不稳定、运行操作不当等问 题，存在排烟热损失大的现象[5]。在燃煤电厂中通 过新型余热利用技术可将锅炉排烟温度降至 85℃ 左右[6]。但生物质燃料与煤相比含有更多的碱金属 元素和氯元素[7-8]和较少的硫元素[9]，所以在进行烟 气余热利用时，不能直接应用燃煤锅炉低温受热面 积灰和露点腐蚀相关理论[10-11]。
Key words: corrosion; deposition; flue gas; biofuel
引言
为了缓和化石能源危机，生物质燃料因其具有
资源丰富、可再生、排污较少等优点，受到重视并 已经被广泛应用[1-2]。采用生物质燃料直燃发电，能 够促进该燃料规模化应用，并有效解决电厂的污染
2016-05-27 收到初稿，2016-09-23 收到修改稿。 联系人：王云刚。第一作者：马海东（1991—），男，博士研究生。 基金项目：国家自然科学基金项目（51606144）；高等学校博士学 科点专项科研基金项目（20130201110045）。
Abstract: The coupling characteristics between ash deposit and dew point corrosion of deep-cooling flue gas on ND steel and 316L stainless steel (control) was investigated in a 65 t·h−1 circulating fluidized bed biofuel boiler. The ash deposit and corrosion layer were studied by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS). Results indicated that the deposits on tube surface could be classified as layers of corrosion, coupling and ash deposit (NH4Cl、SiO2 and (NH4)2SO4). The coupling layer contained ash deposit and metal corrosion by-product, which was prone to spall off because of strong adhesion to the ash deposit layer. The corrosion layer, mainly composed of metal compounds of chlorides and oxides, reduced dramatically in thickness with the decrease of inlet water temperature. The degree of corrosion of ND steel increased sharply when wall temperature was below water dew point of flue gas. ND steel showed corrosion resistance inferior to 316L stainless steel at experimental conditions.
第 67 卷 第 12 期 2016 年 12 月
化工学报 CIESC Journal
Vol.67 No.12 December 2016
DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20160733
生物质锅炉积灰特性与露点腐蚀
马海东，王云刚，赵钦新，陈衡，梁志远，金鑫
（西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049）
图 1 实验测点位置示意图 Fig.1 Schematic diagram of experimental point position
表 1 生物质燃料的工业分析和元素分析 Table 1 Proximate analysis and elemental analysis results of biomass
Received date: 2016-05-27. Corresponding author: WANG Yungang, ygwang1986@mail.xjtu.edu.cn Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51606144) and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20130201110045).
Proximate analysis/% (mass)
Mad
Aar
Var
FCar
5.50
8.88
59.83
17.47
Car 37.83
Elemental analysis/% (mass)
Har
Oar
Nar
4.71
32.06
0.68
St,ar 0.11
Qnet,ar/MJ·kg−1 13.75
Fe2O3 4.67
实验系统如图 2 所示，通过高温水循环机控制 实验管段入口水温，从而实现不同的管壁温度。实 验中控制循环水温为 35、45、60、70、80、90℃共 6 个工况，各工况实验时长均为 96 h。
2 实验结果与讨论
实验结束后，观察实验管件积灰形貌特征并刮 取灰样，随后对实验段切割制样，依次经 240#、400#、
降低而降低，当管壁温低于烟气水露点时，ND 钢被腐蚀的程度急剧加重。在实验条件下，ND 钢的抗露点腐蚀能
力弱于 316L 不锈钢。
关键词：腐蚀；沉积物；烟道气；生物燃料
中图分类号：TK 16
文献标志码：A
文章编号：0438—1157（2016）12—5237—07
Characteristics of ash deposit and dew point corrosion in biofuel boiler