秸秆燃料锅炉受热面高温腐蚀机制及防护研究

【摘要】：生物质资源的规模化利用对于解决化石能源日趋紧张和环境污染日益严重问题具有重大意义。农作物秸秆是我国生物质资源的重要组成部分之一，秸秆直燃热利用是生物质资源规模化利用的有效途径。然而由于我国秸秆资源高氯高碱金属的特点，在直燃热利用过程中引起受热面沉积以及高温腐蚀等问题，已经成为提高主蒸汽温度和压力来提高秸秆锅炉能源利用效率所必须面临的难题。为此，探讨了解秸秆直燃沉积腐蚀过程及腐蚀机理，探索沉积腐蚀防护技术是十分有必要的。 本文先分析了我国生物质秸秆资源的数量及分布特征，主要以集中于北方地区的玉米、南方地区的水稻和小麦三大秸秆为主。探讨了生物质燃料检验标准及分析方法，对比分析了秸秆与原煤的燃料特性，分析结果表明：欧盟CET/TS和美国ASTM生物质燃料检验分析标准并不完全适合我国以农业资源为主的生物质燃料的检验分析，我国急需制定相应的生物质燃料检验标准和分析方法。我国生物质秸秆属于高氯高钾钠低硫燃料，其燃烧飞灰产物主要是碱金属氯化物；与生物质燃料相比，我国原煤属于高硫高钠钾、低氯或特低氯燃料，其燃烧飞灰产物主要是碱金属硫化物。 根据生物质秸秆燃烧特性，本文还建立了基于秸秆燃料特性分析和一次供风配置的秸秆燃料层燃锅炉燃烧数值模型。通过床层燃烧模型，炉膛气相燃烧模型，以及两者之间的流动传热耦合，建立了层燃锅炉一体化燃烧模型，模拟分析秸秆燃料锅炉受热面热力学状态，研究炉内温度场。比较纯烧秸秆锅炉炉内截取的受热面管的积灰腐蚀成分分析检验结果，选择KCl、NaCl、K_2SO_4和Na_2SO_4等四种碱金属盐作为腐蚀介质并通过计算确定其质量配比为63:13:5:1；以500℃、550℃、600℃和650℃作为腐蚀反应温度，建立了秸秆燃料锅炉受热面沉积腐蚀模拟试验环境。选择锅炉厂提供的生物质锅炉常用管材1Cr19Ni11Nb、10Cr9Mo1VNb、12Cr1MoVG和20G，制备腐蚀试样进行腐蚀试验研究，探讨生物质秸秆锅炉受热面沉积腐蚀过程及腐蚀机理。根据生物质秸秆锅炉受热面沉积腐蚀模拟环境和元素的物理化学性质，选择Ni、Cr、Mo、Al和稀土等金属元素粉末作为粉芯材料、设计Ni-Cr粉芯丝材、电弧喷涂防护涂层进行秸秆燃料锅炉受热面沉积腐蚀防护技术的探索研究。 四种管材腐蚀试验结果表明，各管材的抗腐蚀性能随着反应温度的升高而降低，四种管材的抗腐蚀能力1Cr19Ni11Nb＞10Cr9Mo1VNb＞12Cr1MoVG＞20G。运用热分析动力学分析理论建立了腐蚀过程动力学方程分析模型，通过腐蚀增重曲线求得热分析α-t曲线，根据G(α)-t曲线线性拟合及拟合误差分析得到腐蚀反应类型为D4类型，腐蚀机理函数符合G (α)=1-2/3α- (1 -α)~(2/3)函数模式。通过数学计算求得，试验模拟沉积腐蚀条件下，1Cr19Ni11Nb、10Cr9Mo1VNb、20G和12Cr1MoVG四种管材的反应活化能E分别为3632.88J/mol、1421.92J/mol、635.30J/mol和1027.70J/mol；指前因子A分别为0.026181558s~(-1)、0.019152922s~(-1)、0.017641521s~(-1)和0.018077269s~(-1)。通过扫描电镜对腐蚀试样的微观组织及元素组成进行分析，结果表明，腐蚀产物主要是Fe、Cr、Ni等元素的氧化物。 防护涂层耐蚀性试验结果表明，两种Ni-Cr涂层的耐蚀性能随着反应温度的升高而降低，防护涂层明显提高了基体材料的抗腐蚀能力，同时发现1#涂层耐蚀能力要略优于2#涂层。运用热分析动力学分析理论，确定防护涂层腐蚀反应类型为D4类型，腐蚀机理函数符合G (α)=1-2/3α-(1-α)~(2/3)函数模式，1#和2#防护涂层的反应活化能E分别为4383.19J/mol和4284.97J/mol；指前因子A分别为0.022393154s~(-1)和0.020931502s~(-1)。结合光学显微镜和扫描电镜分析结果，可知高Ni-Cr材料耐氯腐蚀性能要优于普通合金材料，Cr元素虽然与Cl元素的亲和力强，但仍然具有一定的耐腐蚀性能，同时发现，Ni元素的耐氯腐蚀性能要优于Cr元素。 总之，根据秸秆燃料特性，秸秆燃料锅炉受热面沉积腐蚀防护技术，要综合考虑碱金属的氯化物和硫化物的腐蚀特性，以氯化腐蚀防护为主、兼有硫化腐蚀防护。 【关键词】：秸秆锅炉 受热面 碱金属氯化物 高温腐蚀 电弧喷涂 防护涂层
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TG174.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-16
• 1.1.1 能源危机与环境保护13-14
• 1.1.2 生物质能源14-15
• 1.1.3 秸秆能源化应用前景15-16
• 1.1.4 秸秆能源化利用存在的问题16
• 1.2 研究现状16-20
• 1.2.1 秸秆燃烧过程中沉积腐蚀16-17
• 1.2.2 秸秆沉积腐蚀的预防措施17-20
• 1.3 研究目的20-21
• 1.4 研究内容21-23
• 第二章 试验材料与试验方法23-33
• 2.1 试验材料23-26
• 2.1.1 秸秆燃料的选取23-24
• 2.1.2 腐蚀管材的选择24-26
• 2.1.3 涂层材料的选用26
• 2.2 粉芯丝材的制备26-28
• 2.2.1 粉芯丝材的成分26-27
• 2.2.2 粉芯丝材的轧制27-28
• 2.3 涂层制备28-29
• 2.3.1 喷涂设备28
• 2.3.2 工艺参数28
• 2.3.3 制备过程28-29
• 2.4 涂层显微硬度与微观组织分析29-30
• 2.4.1 涂层显微硬度测试29-30
• 2.4.2 涂层微观组织分析30
• 2.5 腐蚀试验30-33
• 2.5.1 试样制备30-31
• 2.5.2 腐蚀介质与温度的选择31
• 2.5.3 试验系统31
• 2.5.4 试验方法31-33
• 第三章 秸秆燃料特性分析33-51
• 3.1 秸秆资源分析33-36
• 3.1.1 我国秸秆资源产量分析33-35
• 3.1.2 我国秸秆资源产地分析35-36
• 3.1.3 秸秆燃料的选择分析36
• 3.2 秸秆燃料主要元素检验分析36-46
• 3.2.1 生物质燃料检验标准分析36-40
• 3.2.2 秸秆燃料中硫、氯检验分析40-45
• 3.2.3 秸秆燃料中钾、钠检验分析45-46
• 3.3 秸秆燃料灰特性分析46-49
• 3.3.1 生物质燃料灰成分检验分析46-48
• 3.3.2 秸秆燃烧主要飞灰产物分析48-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 秸秆锅炉炉内温度场及受热面飞灰沉积物分析51-76
• 4.1 秸秆燃烧特性分析51-52
• 4.2 模拟对象的选择52-57
• 4.3 数学模型的建立57-69
• 4.3.1 床层燃烧模型57-59
• 4.3.2 气固相物理化学反应模型59-64
• 4.3.3 炉膛燃烧模型64-66
• 4.3.4 床层模型与炉膛模型耦合66-67
• 4.3.5 数值方法与边界条件67-69
• 4.4 数值模拟结果与温度场分析69-72
• 4.5 飞灰沉积物分析72-75
• 4.6 本章小结75-76
• 第五章 秸秆锅炉受热面高温腐蚀行为研究76-103
• 5.1 宏观形貌与试验数据分析76-79
• 5.1.1 宏观形貌分析76-77
• 5.1.2 试验数据分析77-79
• 5.2 腐蚀动力学分析79-91
• 5.2.1 腐蚀动力学模型的建立79-81
• 5.2.2 腐蚀反应机理函数的确定81-89
• 5.2.3 动力学三因子的确定89-91
• 5.2.4 腐蚀动力学方程分析91
• 5.3 微观形貌与元素分析91-98
• 5.4 分析讨论98-100
• 5.5 本章小结100-103
• 第六章 防护涂层高温腐蚀行为研究103-121
• 6.1 涂层组织结构与显微硬度103-105
• 6.1.1 涂层的微观组织分析103-104
• 6.1.2 涂层的显微硬度测试104-105
• 6.2 宏观形貌与试验数据分析105-108
• 6.2.1 宏观形貌分析105-106
• 6.2.2 试验数据分析106-108
• 6.3 防护涂层腐蚀动力学分析108-115
• 6.3.1 涂层腐蚀反应机理函数的确定108-113
• 6.3.2 涂层腐蚀动力学三因子的确定113-114
• 6.3.3 涂层动力学方程及动力学分析114-115
• 6.4 微观形貌与元素分析115-119
• 6.4.1 微观形貌及元素分析115-118
• 6.4.2 分析讨论118-119
• 6.5 本章小结119-121
• 第七章 结论121-123
• 参考文献123-132
• 在学研究成果132-133
• 致谢133

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