CN110470588A - 一种生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，包括以下步骤：制备生物质燃料粉末样品；对生物质燃料粉末样品中的水溶性Na、K含量进行测定并换算为相应稳定氧化物的含量；对所述生物质燃料粉末样品的灰分进行测定；对所述生物质燃料粉末样品的水分进行测定；将生物质燃料粉末样品制备得到生物质燃料灰样，并控制制灰温度为待预测腐蚀可能性的燃烧温度；对所述生物质燃料灰样中的Na、K含量进行测定，并换算为相应稳定氧化物的含量；利用腐蚀可能性判别公式进行腐蚀可能性判定。本发明不仅能准确预测生物质燃料的腐蚀可能性，操作简便的同时还可预测生物质燃料在不同燃烧温度时的腐蚀可能性。

Description

一种生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法
技术领域
本发明涉及腐蚀预测的技术领域，更具体地讲，涉及一种生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法。
背景技术
在化石能源渐趋枯竭、全球变暖、环境恶化的形势下，利用可再生、低污染、分布广泛的生物质能源成为发展趋势。由于生物质燃料中含有较高的水溶性碱金属及Cl的化合物，使得生物质燃料在燃烧过程中发生碱金属和Cl的挥发、蒸发等，挥发出来的气相碱金属及其氯化物等随着锅炉中烟气温度的降低冷凝在换热器表面，导致设备发生腐蚀问题出现。但不同生物质燃料对换热器的腐蚀情况存在差异，且并非所有生物质燃料都会造成换热器腐蚀问题出现。因此，有效预测生物质燃料燃烧时的腐蚀可能性对于合理设计锅炉及保证锅炉设备正常运行具有重要的意义。
研究表明，生物质燃烧过程中，发生腐蚀的主要原因是碱金属及其氯化物的蒸发-冷凝导致，而碱金属的挥发主要以水溶性为主，而燃料中Cl在燃烧过程中几乎完全蒸发，且Cl对碱金属的蒸发有促进作用，从而导致腐蚀的加剧。因此准确测试生物质燃料燃烧前后碱金属变化可作为预测其腐蚀可能性的依据。同时由于碱金属及Cl的化合物的挥发与温度有密切的关系，在依照固体生物质燃料国家标准制灰方法制备的灰样中仍有大量碱金属及Cl存在，由此可知燃烧温度也是影响腐蚀发生可能性的重要因素。目前对于生物质燃料燃烧腐蚀性的预测尚未有明确的预测方法报道。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种不仅能准确预测生物质燃料的腐蚀可能性，操作简便且同时可预测生物质燃料在不同燃烧温度时的腐蚀可能性的预测方法。
本发明提供了一种生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，所述预测方法包括以下步骤：
A、制备生物质燃料粉末样品；
B、对所述生物质燃料粉末样品中的水溶性Na、K含量进行测定并换算为相应稳定氧化物的含量，分别记为WNa2O,w、WK2O,w；
对所述生物质燃料粉末样品灰分进行测定，记为Aad；
对所述生物质燃料粉末样品水分进行测定，记为Mad；
C、将生物质燃料粉末样品制备得到生物质燃料灰样，并控制制灰温度为待预测腐蚀可能性的燃烧温度；
D、对所述生物质燃料灰样中的Na、K含量进行测定并换算为相应稳定氧化物的含量，分别记为WNa2O,a、WK2O,a；
E、利用以下腐蚀可能性判别公式进行腐蚀可能性判定：
WZ＝WNa2O,w+WK2O,w，
Z＝(WNa2O,w+WK2O,w)*100/Ad-(WNa2O,a+WK2O,a)；
Wz>0.15且Z>3为腐蚀可能发生的判别界限；
其中，WNa2O,w、WK2O,w、Aad、Mad、WNa2O,a、WK2O,a、WZ和Ad均以单位质量样品中的含量计，单位为％；
WZ为生物质燃料样品中水溶性Na、K含量之和；Ad为生物质燃料在对应制灰温度下的干基灰分且由空干基灰分计算得出，Ad＝Aad*100/(100-Mad)；
(WNa2O,w+WK2O,w)*100/Ad为假定生物质燃料样品中水溶性Na、K在制灰过程中不发生挥发时，单位质量生物质燃料灰样中的水溶性Na、K含量换算为相应稳定氧化物的含量之和。
根据本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法的一个实施例，在步骤A中，将生物质燃料在室温至110℃下干燥后制粉，得到平均粒径在1mm以下的生物质燃料粉末样品。
根据本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法的一个实施例，在步骤B中，采用超纯水对生物质燃料粉末样品进行浸取，固液分离后测试浸取液中的Na、K含量，得出生物质燃料粉末样品中的水溶性Na、K含量，其中，生物质燃料粉末样品与超纯水的质量比为1:20～1:80，浸取温度为40～80℃，浸取时间为2～24h。
根据本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法的一个实施例，在步骤B中，准确称量1g±0.1g且称准至0.0002g的生物质燃料粉末样品置于灰皿中，放入处于室温状态的马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有10～20mm的缝隙；以3～8℃/min的升温速度升温到240～260℃，恒温50～70min后继续以3～8℃/min的升温速度升温到所述制灰温度，恒温1～3h后取出灰皿放在石棉板上，在空气中冷却5～10min后移入干燥器中冷却至室温后称量、计算灰分含量。
根据本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法的一个实施例，在步骤B中，在预先干燥并己称量过的称量瓶内称取生物质燃料粉末样品1g±0.1g并称准至0.0002g，平摊在称量瓶中；打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到103℃～107℃的干燥箱中；在一直鼓风的条件下干燥1～3h，取出称量瓶后立即盖上称量瓶盖，放入干燥器中冷却至室温后称量、计算水分含量。
根据本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法的一个实施例，在步骤C中，将装有生物质燃料粉末样品的灰皿放入处于室温状态马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有10～20mm的缝隙；以3～8℃/min的升温速度升温到240～260℃，恒温50～70min后，继续以3～8℃/min的升温速度升温到所述制灰温度，恒温1～3h后取出灰皿放在石棉板上，在空气中冷却5～10min后转入干燥器中备用。
根据本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法的一个实施例，将生物质燃料灰样研细至粒径小于0.1mm并称取0.1g，加入7～15mL硝酸和1～4mL质量浓度为20～40％的氟化铵溶液，微波消解后利用ICP测定消解液中的Na、K含量。
根据本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法的一个实施例，当Z值相同时，WZ值越大则越易发生腐蚀且腐蚀越严重；当WZ值相同时，Z值越大则越易发生腐蚀且腐蚀越严重。
与现有技术相比，本发明提出了一种预测生物质燃料在不同温度下燃烧时对设备产生腐蚀可能性的预测方法，突出了生物质中可挥发性的水溶性Na、K对于腐蚀发生的影响，具有预测准确、操作简便等优点。通过本发明对生物质燃料在燃烧时对换热器腐蚀性准确预测，可使锅炉选型和设计更加合理和具有针对性，并可作为锅炉运行时生物质燃料适应性的重要判断指标，对于种类多、成分多变的生物质燃料的有效、安全利用具有重要意义。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面对本发明生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法进行具体说明。
根据本发明的示例性实施例，所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法包括以下多个步骤。
步骤A：
制备生物质燃料粉末样品，以进行后续的参数测定。
在本步骤中，优选地将生物质燃料在室温至110℃下干燥后制粉，得到平均粒径在1mm以下的生物质燃料粉末样品。干燥后制粉能够获得更为准确的预测结果，控制粒径则能够更准确地测定其中的灰分、水分和水溶性Na、K含量。
步骤B：
本步骤包括三个子步骤，分别是水溶性Na、K含量、灰分测定和水分测定，测得的数据备用。
具体地，对步骤A制得的生物质燃料粉末样品中的水溶性Na、K含量进行测定并换算为相应稳定氧化物的含量，分别记为WNa2O,w、WK2O,w。其中，WNa2O,w、WK2O,w以单位质量样品中的含量计，单位为％。
在进行水溶性Na、K含量测定时，优选的方法为：采用超纯水对生物质燃料粉末样品进行浸取，固液分离后测试浸取液中的Na、K含量，得出生物质燃料粉末样品中的水溶性Na、K含量后再进行换算。其中，控制生物质燃料粉末样品与超纯水的质量比为1:20～1:80，浸取温度为40～80℃，浸取时间为2～24h，以获得最佳的浸取效果并准确得到水溶性Na、K含量。
对步骤A制得的生物质燃料粉末样品的灰分进行测定，记为Aad。其中，Aad以单位质量样品中的含量计，单位为％。
在进行灰分测定时，优选的方法为：先准确称量1g±0.1g且称准至0.0002g的生物质燃料粉末样品置于灰皿中，放入处于室温状态的马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有10～20mm的缝隙。再以3～8℃/min的升温速度升温到240～260℃，恒温50～70min后继续以3～8℃/min的升温速度升温到预定的制灰温度，恒温1～3h后取出灰皿放在石棉板上，在空气中冷却5～10min后移入干燥器中冷却至室温后称量计算灰分含量。其中，预定的制灰温度即为所需判断腐蚀可能性的燃烧温度。
对步骤A制得的生物质燃料粉末样品的水分进行测定，记为Mad。其中，Mad也以单位质量样品中的含量计，单位为％。
在进行水分测定时，优选的方法为：先在预先干燥并己称量过的称量瓶内称取生物质燃料粉末样品1g±0.1g并称准至0.0002g，平摊在称量瓶中。随后打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到103℃～107℃的干燥箱中，在一直鼓风的条件下干燥1～3h，取出称量瓶后立即盖上称量瓶盖，放入干燥器中冷却至室温后称量计算水分含量。
步骤C：
将生物质燃料粉末样品制备得到生物质燃料灰样，并控制制灰温度为待预测腐蚀可能性的燃烧温度。
其中，本步骤的制灰温度即为需要预测腐蚀可能性的燃烧温度，如需对生物质燃料样品在550℃燃烧时的腐蚀可能性进行判断，则制灰温度选择为550℃；如需对生物质燃料样品在800℃燃烧时的腐蚀可能性进行判断，则制灰温度选择为800℃。
本步骤的制灰步骤优选为：将装有生物质燃料粉末样品的灰皿放入处于室温状态马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有10～20mm的缝隙；以3～8℃/min的升温速度升温到240～260℃，恒温50～70min后，继续以3～8℃/min的升温速度升温到所述制灰温度，恒温1～3h后取出灰皿放在石棉板上，在空气中冷却5～10min后转入干燥器中备用。
步骤D：
对步骤C中制得的生物质燃料灰样中的Na、K含量进行测定并换算为相应稳定氧化物的含量，分别记为WNa2O,a、WK2O,a。WNa2O,a、WK2O,a也均以单位质量样品中的含量计，单位为％。
具体地，将生物质燃料灰样研细至粒径小于0.1mm并称取0.1g，加入7～15mL硝酸和1～4mL质量浓度为20～40％的氟化铵溶液，微波消解后利用ICP测定消解液中的Na、K含量。
步骤E：
最后，利用以下腐蚀可能性判别公式进行腐蚀可能性判定：
WZ＝WNa2O,w+WK2O,w；Z＝(WNa2O,w+WK2O,w)*100/Ad-(WNa2O,a+WK2O,a)。
其中，WZ为生物质燃料样品中水溶性Na、K含量之和，同样以单位质量样品中的含量计且单位为％；Ad为生物质燃料在对应制灰温度下的干基灰分且由空干基灰分计算得出，Ad＝Aad*100/(100-Mad)，同样以单位质量样品中的含量计且单位为％；(WNa2O,w+WK2O,w)*100/Ad为假定生物质燃料样品中水溶性Na、K在制灰过程中不发生挥发时，单位质量生物质燃料灰样中的水溶性Na、K含量换算为相应稳定氧化物的含量之和。
对于计算后的结果，以Wz>0.15且Z>3为腐蚀可能发生的判别界限。即当Wz>0.15且Z>3时，则腐蚀发生的可能性大；当Wz≤0.15或Z≤3时，则腐蚀发生的可能性小或不发生腐蚀。
并且，当Z值相同时，WZ值越大则越易发生腐蚀且腐蚀越严重；当WZ值相同时，Z值越大则越易发生腐蚀且腐蚀越严重。
本发明的上述预测方法突出了生物质中可挥发性的水溶性Na、K对于腐蚀发生的影响，具有预测准确、操作简便等优点。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1和实施例2：
实施例1和实施例2分别对广西地区取样树枝和稻草杆在550℃燃烧时的腐蚀可能性进行预测。
(1)将树枝和稻草杆样品分别在80℃下干燥后制粉，得到粒径在1mm以下的粉末样品。
(2)对制备得到的树枝粉末样品和稻草杆粉末样品中的水溶性Na、K含量进行测试，结果采用单位质量中相应稳定氧化物的含量计量，分别记为WNa2O,w、WK2O,w，单位％。本实施例采用超纯水对样品进行浸取，试验条件：生物质粉末样品与超纯水的质量比为1:40，浸取温度为70℃，浸取时间为24h，浸取在恒温水浴摇床中进行。测定、计算得出树枝样品和稻草杆样品中的水溶性Na、K含量结果如表1所示。
表1树枝、稻草杆粉末样品中的水溶性Na、K含量
树枝 稻草杆
W<sub>Na2O,w</sub>(％) 0.0434 0.0206
W<sub>K2O,w</sub>(％) 0.2777 2.6111
(3)灰分测定：分别准确称量树枝、稻草杆粉末样品1g置于灰皿中，放入处于室温状态马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有15mm左右的缝隙；以5℃/min的升温速度升温到250℃，恒温60min后，继续以5℃/min的升温速度升温到所需制灰温度，恒温2h，计算灰分记为Aad，单位％，结果如表2所示。
表2树枝、稻草杆粉末样品中的灰分含量
样品名称 A<sub>ad</sub>％
树枝 1.65
稻草杆 11.71
(4)水分测定：分别在预先干燥并己称量过的称量瓶内称取树枝、稻草杆粉末样品1g±0.1g，称准至0.0002g，平摊在称量瓶中；打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到103℃～107℃的干燥箱中；在一直鼓风的条件下，干燥2h；从干燥箱中取出称量瓶，立即盖上盖，放入干燥器中冷却至室温(约20min)后称量；计算水分，记为Mad，单位％，结果如表3所示。
表3树枝、稻草杆粉末样品中的水分含量
样品名称 M<sub>ad</sub>％
树枝 4.46
稻草杆 9.01
(5)对生物质粉末样品于550℃下制灰。制灰方法：将装有树枝、稻草杆粉末样品的灰皿，分别放入处于室温状态马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有15mm左右的缝隙；以5℃/min的升温速度升温到250℃，恒温60min后，继续以5℃/min的升温速度升温到所需制灰温度，恒温2h，从炉中取出灰皿，放在石棉板上，在空气中冷却5min左右，转入干燥器中，备用。
(6)灰样中Na、K含量测定：采用玛瑙研钵将制备得到的树枝、稻草杆灰样研细至粒径小于0.1mm，称取制备的树枝、稻草杆粉末样品0.1g，加入10mL硝酸，2mL40％氟化铵溶液，微波消解后利用ICP测试消解液中的Na、K含量，获得单位质量灰样中Na、K含量并换算为相应稳定氧化物含量，分别记为WNa2O,a，WK2O,a，单位％。结果如表4所示。
表4树枝、稻草杆在550℃燃烧灰中Na、K含量
树枝 稻草杆
W<sub>Na2O,a</sub>(％) 3.18 0.09
W<sub>K2O,a</sub>(％) 18.31 10.00
(7)腐蚀可能性判别公式：WZ＝WNa2O,w+WK2O,w；Z＝(WNa2O,w+WK2O,w)*100/Ad-(WNa2O,a+WK2O,a)。其中WZ为单位质量生物质燃料中水溶性Na、K含量之和，分别以相应稳定氧化物Na2O、K2O计，单位％；Ad为生物质燃料在对应制灰温度下干基灰分，由空干基灰分计算得出，Ad＝Aad*100/(100-Mad)，单位％；(WNa2O,w+WK2O,w)/Ad为假定生物质燃料中水溶性Na、K在制灰过程中不发生挥发，单位质量灰中水溶性Na、K含量换算为相应稳定氧化物的含量之和，单位％。结果如表5所示。
表5树枝、稻草杆腐蚀可能性计算结果
W<sub>Z</sub> A<sub>d</sub> Z
树枝 0.3211 1.73 -2.93
稻草杆 2.6317 12.87 10.36
(8)腐蚀可能性预测：树枝样品在550℃下燃烧，对应Wz为0.3211，Z为-2.93，虽然Wz大于0.15，但Z小于3％，因此预测以该树枝样品为燃料时，发生换热器腐蚀的可能性小或不发生腐蚀；稻草杆样品在550℃下燃烧，对应Wz为2.6317，Z为10.36，Wz大于0.15，Z大于3％，因此预测以该稻草杆样品为燃料时，发生换热器腐蚀的可能性大。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：
A、制备生物质燃料粉末样品；
B、对所述生物质燃料粉末样品中的水溶性Na、K含量进行测定，并换算为相应稳定氧化物的含量，分别记为WNa2O,w、WK2O,w；
对所述生物质燃料粉末样品的灰分进行测定，记为Aad；
对所述生物质燃料粉末样品的水分进行测定，记为Mad；
C、将生物质燃料粉末样品制备得到生物质燃料灰样，并控制制灰温度为待预测腐蚀可能性的燃烧温度；
D、对所述生物质燃料灰样中的Na、K含量进行测定，并换算为相应稳定氧化物的含量，分别记为WNa2O,a、WK2O,a；
E、利用以下腐蚀可能性判别公式进行腐蚀可能性判定：
WZ＝WNa2O,w+WK2O,w，
Z＝(WNa2O,w+WK2O,w)*100/Ad-(WNa2O,a+WK2O,a)；
Wz>0.15且Z>3为腐蚀可能发生的判别界限；
其中，WNa2O,w、WK2O,w、Aad、Mad、WNa2O,a、WK2O,a、WZ和Ad均以单位质量样品中的含量计，单位为％；
WZ为生物质燃料样品中水溶性Na、K含量之和；Ad为生物质燃料在对应制灰温度下的干基灰分且由空干基灰分计算得出，Ad＝Aad*100/(100-Mad)；
(WNa2O,w+WK2O,w)*100/Ad为假定生物质燃料样品中水溶性Na、K在制灰过程中不发生挥发时，单位质量生物质燃料灰样中的水溶性Na、K含量换算为相应稳定氧化物的含量之和。
2.根据权利要求1所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，在步骤A中，将生物质燃料在室温至110℃下干燥后制粉，得到平均粒径在1mm以下的生物质燃料粉末样品。
3.根据权利要求1所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，在步骤B中，采用超纯水对生物质燃料粉末样品进行浸取，固液分离后测试浸取液中的Na、K含量，得出生物质燃料粉末样品中的水溶性Na、K含量，其中，生物质燃料粉末样品与超纯水的质量比为1:20～1:80，浸取温度为40～80℃，浸取时间为2～24h。
4.根据权利要求1所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，在步骤B中，准确称量1g±0.1g且称准至0.0002g的生物质燃料粉末样品置于灰皿中，放入处于室温状态的马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有10～20mm的缝隙；以3～8℃/min的升温速度升温到240～260℃，恒温50～70min后继续以3～8℃/min的升温速度升温到所述制灰温度，恒温1～3h后取出灰皿放在石棉板上，在空气中冷却5～10min后移入干燥器中，冷却至室温后称量、计算灰分含量。
5.根据权利要求1所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，在步骤B中，在预先干燥并己称量过的称量瓶内称取生物质燃料粉末样品1g±0.1g并称准至0.0002g，平摊在称量瓶中；打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到103℃～107℃的干燥箱中；在一直鼓风的条件下干燥1～3h，取出称量瓶后立即盖上称量瓶盖，放入干燥器中冷却至室温后称量、计算水分含量。
6.根据权利要求1所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，在步骤C中，将装有生物质燃料粉末样品的灰皿放入处于室温状态马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有10～20mm的缝隙；以3～8℃/min的升温速度升温到240～260℃，恒温50～70min后，继续以3～8℃/min的升温速度升温到所述制灰温度，恒温1～3h后取出灰皿放在石棉板上，在空气中冷却5～10min后转入干燥器中备用。
7.根据权利要求1或6所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，将生物质燃料灰样研细至粒径小于0.1mm并称取0.1g，加入7～15mL硝酸和1～4mL质量浓度为20～40％的氟化铵溶液，微波消解后利用ICP测定消解液中的Na、K含量。
8.根据权利要求1所述生物质燃料对锅炉设备腐蚀可能性的预测方法，其特征在于，当Z值相同时，WZ值越大则越易发生腐蚀且腐蚀越严重；当WZ值相同时，Z值越大则越易发生腐蚀且腐蚀越严重。
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