燃烧木(mù屑的锅炉会用(yòng)到哪些耐火材料？
2022-11-11 13:50:24 点击：
燃烧木(mù屑的锅炉会用(yòng)到哪些耐火材料？由于燃烧化石燃料会导致全球变暖，近些年生物(wù)能(néng)源受到了越来越多(duō)的关注。由于二氧化碳气體(tǐ)的中性转化，生物(wù)燃料的燃烧不会产生温室效应。尤其是缺乏自然资源的，使用(yòng)生物(wù)燃料用(yòng)于加热和发電(diàn)是用(yòng)于产生热量及電(diàn)力的一种替代能(néng)源。
生物(wù)质转换指的是把生物(wù)质转换成能(néng)量并使用(yòng)其进行发電(diàn)或产生热量的工艺。生物(wù)质转化是通过直接燃烧或气化系统实现的。厌氧消化是另一种生物(wù)质转换途径，包括一系列的生化工艺，如可(kě)降解材料在无氧的状态下分(fēn)解。
在直接燃烧系统中，生物(wù)质燃料在锅炉中燃烧产生高压蒸汽来推动汽轮机或其它加热方式。在气化中，固态生物(wù)质分(fēn)解形成能(néng)够被过滤及能(néng)被气轮机使用(yòng)的可(kě)燃气體(tǐ)。
生物(wù)质的直接燃烧是在司炉或流化床锅炉中实现的。一个经济的解决方案，即混合燃烧，同时被司炉及液态流化床采用(yòng)，在现有(yǒu)電(diàn)厂中，用(yòng)一部分(fēn)的生物(wù)质代替煤，这样就能(néng)避免建造新(xīn)的生物(wù)质转换器并且大幅减少SO2、NOX及其他(tā)空气排放物(wù)。直接燃烧比例占世界生物(wù)能(néng)发電(diàn)比例的95％，能(néng)产生４亿８千万ｔ生物(wù)灰（消耗了７百亿ｔ生物(wù)质）。
木(mù屑锅炉使用(yòng)含水量為(wèi)15％-50％的碎木(mù屑作為(wèi)燃料。一般来说，使用(yòng)一个司炉燃烧器或一个下部上料的司炉燃烧掉大致30％的水分(fēn)，而移动或炉排系统可(kě)以燃烧水分(fēn)含量更高的燃料。
木(mù屑燃烧分(fēn)為(wèi)四个阶段：干燥、高温分(fēn)解、气化及燃烧，包括多(duō)种热化學(xué)反应，温度范围為(wèi)100-1600℃。表1给出了不同阶段的温度。
表1:木(mù材燃烧各阶段温度
2、耐火材料和直接燃烧
生物(wù)质（木(mù屑）的直接燃烧工艺包括温度、气體(tǐ)释放以及灰生成，这样就需要多(duō)种的耐火材料在特定条件下来改善其性能(néng)。图1為(wèi)直接燃烧式木(mù屑锅炉的示意图。
图1:使用(yòng)木(mù材作為(wèi)燃料的锅炉示意图
生物(wù)质燃烧能(néng)够释放多(duō)种化學(xué)成分(fēn)，如水分(fēn)、氯、硫及灰，这些成分(fēn)取决于被燃烧的生物(wù)质的性质。灰化學(xué)成分(fēn)包括Al2O3、SiO2、CaO、碱、P2O5等，其百分(fēn)比随生物(wù)质原料的来源而产生变化。例如，K2O＋Na2O的含量变化為(wèi)8.0％～51.4％，这就是因為(wèi)生物(wù)质来源不同。这些灰的化學(xué)成分(fēn)变化以及现有(yǒu)炉子的环境都能(néng)以不同方式影响到耐火材料。耐火材料在生物(wù)质环境下燃烧的主要问题是结垢、结渣、碱蚀、一氧化碳侵蚀等。通常使用(yòng)的耐火材料為(wèi)砖料及不定形料。不定形料主要是浇注料或喷补料，主要取决于应用(yòng)范围，通常选择硅酸盐系列浇注料，添加或不添加SiC或锆英石，要取决于炉子的现有(yǒu)条件。
耐火材料在生物(wù)质炉中的抗碱性是的，因為(wèi)碱能(néng)多(duō)方面侵蚀耐火材料。图２给出了碱侵蚀硅酸铝耐火材料的基本原理(lǐ)。不同来源生物(wù)质原料产生的碱可(kě)通过不同机理(lǐ)分(fēn)解耐火材料，碱（K2O、Na2O等）与耐火材料基质反应形成多(duō)种新(xīn)相使體(tǐ)积增加，并因此在结构内产生压力。新(xīn)的碱性硅酸铝相的形成类型及性质是耐火材料化學(xué)性能(néng)的其中一种功能(néng)，尤其是基质部分(fēn)。新(xīn)相可(kě)能(néng)是正長(cháng)石、钠長(cháng)石、長(cháng)石族（像钾霞石），以及β－氧化铝。这些碱性硅酸铝相的體(tǐ)积（达到50％）比初始硅酸铝相大，在耐火内衬剥落时能(néng)够释放压力。并且，碱蒸汽通过低温區(qū)域的孔隙凝聚渗透，堵住气孔，降低了耐火材料的热冲击和抗剥落性。
图2:残余生物(wù)质与硅酸铝材料的反应
图3（ａ）中给出了燃木(mù屑锅炉广泛使用(yòng)的30％氧化铝砖的标准碱性测试（用(yòng)K2CO3在1100℃下保持5ｈ）。浇注料的类似测试在图3（ｂ）中给出。图中显示，DC50耐碱性良好，而50％氧化铝浇注料由于浇注料的设计缺陷在实验室中能(néng)导致碱爆。当精细化學(xué)品与在燃木(mù屑锅炉中的碱接触时，其设计是产生耐碱性结构的非常重要条件。
图3:浇注料的碱侵蚀试验
在燃木(mù屑锅炉的应用(yòng)中，结渣和结垢是其面临的另一个难题。结垢发生在锅炉相对较冷的部分(fēn)，在那里无机挥发物(wù)作為(wèi)化合物(wù)聚集在耐火材料上，并覆盖水管，或水管表面，形成一个沉积层。这个沉积层在与周围气體(tǐ)或和其他(tā)沉积层中的成分(fēn)相互作用(yòng)后可(kě)能(néng)被穿透或可(kě)能(néng)被烧结成為(wèi)一个更硬的致密层。沉积层的厚度随着时间的增加而变厚，热表面的温度随着沉积层本身的隔离而升高，使沉积物(wù)中某些化學(xué)成分(fēn)达到其熔点。这个过程逐渐加快，几乎任何东西在管上撞击沉积物(wù)都可(kě)能(néng)被卡住。固體(tǐ)状态下的灰颗粒，以及来自燃烧室中的小(xiǎo)颗粒，都可(kě)能(néng)继续在管上累积而形成一层厚的沉积层。
这样随着表面温度的连续升高，大部分(fēn)沉积物(wù)在熔相增加时可(kě)能(néng)开始流动。沉积物(wù)偶尔会变得很(hěn)重，由于自身重力会掉落，这个过程叫做结渣。生物(wù)质锅炉中的灰沉积物(wù)对从火焰以及气體(tǐ)到水管的热传递的影响是很(hěn)大的，并由此降低炉子的效率。由于灰的相关问题，锅炉频繁清洁或在恶劣情况下被关闭。图4（ａ）和4（ｂ）给出了燃木(mù屑锅炉耐火材料表面典型的灰沉积物(wù)以及致密程度。
图4:耐材表面沉积物(wù)及渣沉积
在应用(yòng)过程中，耐火材料也遭受到一氧化碳及酸侵蚀。本文(wén)论述了燃木(mù屑锅炉中灰沉积物(wù)的问题，并且给出了通过选择合理(lǐ)内衬设计的解决方案。
3、耐火材料内衬
图5示出了燃木(mù屑锅炉原来所使用(yòng)的耐火材料内衬设计。起初使用(yòng)50％及60％铝喷补料作為(wèi)工作内衬，并且在密集喷涂后使用(yòng)保温喷涂。生物(wù)质锅炉以废木(mù头及常规木(mù头作為(wèi)混合燃料。
图5:燃木(mù屑锅炉的浇注料内衬设计
喷补料的选择要便于燃木(mù屑锅炉不同位置的施工。在六个月生产之后，炉子的状态示于图6（ａ）及6（ｂ）中。
图6:六个月后炉料状况
厚的致密化炉渣粘在耐火内衬上。清理(lǐ)结渣会导致除掉耐火内衬，并且使喷补料后面的水管及螺栓暴露出来。内衬的多(duō)孔喷补结构以及化學(xué)相容性是结渣粘结的主要原因。
表２给出了燃木(mù屑锅炉的结渣分(fēn)析。炉渣是硅质，含碱、CaO、P2O5以及氧化铁。炉渣非常致密，气孔率為(wèi)1.7％，熔点范围在1250-1300℃之间，如图7（ａ）-7（ｂ）所示。
表2:炉渣的化學(xué)及物(wù)理(lǐ)属性
图7:炉渣状况
炉渣透射光显微镜图像在图８中给出，包含在基质中分(fēn)布的玻璃相以及钙長(cháng)石。炉渣分(fēn)析用(yòng)于测试耐火材料性能(néng)以便选择能(néng)代替喷补料的适宜材料。用(yòng)于炉渣测试的备选材料有(yǒu)：１）40％Al2O3耐火黏土浇注料；２）含15％SiC的耐火黏土浇注料；３）含SiC和锆英石的浇注料；４）含55％SiC的浇注料。
图8:炉渣的投射光显微镜图片
图９给出了新(xīn)材料（浇注料）的炉渣测试。所有(yǒu)四种浇注料都具有(yǒu)耐腐蚀及防渗透性，在应用(yòng)中证实為(wèi)适宜的材料。然而，炉渣粘结（结垢以及结渣）不能(néng)在实验室中模拟。
图9:不同组成浇注料的渣侵蚀试验
根据实验结果，现场试验已经开始用(yòng)浇注料的局部内衬与喷补料进行比较。现场测试采用(yòng)55％SiC浇注料，结果见图10。在六个月操作之后，当发现有(yǒu)10-20mm喷补料沉积物(wù)时，几乎没有(yǒu)含SiC浇注料的炉渣黏在内衬上。接下来的试验使用(yòng)耐火黏土-15％SiC的浇注料，断面结果见图11。这个内衬目前还在进行生产操作。
图10-11:耐火粘土-15%SiC浇注料的现场试验
4、结论
结渣粘连是燃木(mù屑锅炉的一个重要问题，能(néng)够影响到锅炉的效率及耐火材料的使用(yòng)寿命。生物(wù)质锅炉的整體(tǐ)内衬能(néng)够防止结渣粘连，同时具有(yǒu)足够的强度来承受炉渣清洁，用(yòng)于渣－耐火材料界面结合处具有(yǒu)良好的耐火性及化學(xué)惰性。将50%-60%的氧化铝喷补料用(yòng)于渣－耐火材料界面处，发现在清洁时会损坏耐火材料内衬。一系列试验表明，使用(yòng)致密浇注料，在添加或不添加SiC及锆英石时都对炉渣粘连有(yǒu)非常好的效果。
