Nhiệt độ nóng chảy của tro và hiện tượng đóng xỉ: nhiên liệu nào làm thiêu kết thanh ghi

Khi bề mặt thanh ghi bị thiêu kết và bám xỉ, lớp vỏ cứng hình thành làm xỉ thải ra khó, thông gió kém đi, nhiệt độ cục bộ còn tăng tiếp cho đến khi thanh ghi mỏng dần hoặc gãy rời. Vấn đề này có liên quan đến điều chỉnh vận hành, nhưng gốc rễ nằm ở thành phần tro của nhiên liệu. Bài viết dưới đây nói rõ nhiệt độ nóng chảy của tro được đo thế nào, nhiên liệu nào có rủi ro cao, và hiện tượng đóng xỉ ăn mòn thanh ghi ra sao theo từng bước.

Nhiệt độ nóng chảy của tro được đo thế nào: bốn nhiệt độ đặc trưng

GB/T 219-2008, phương pháp xác định tính nóng chảy của tro than, tạo tro thành hình nón tam giác rồi nung nóng với tốc độ và môi trường khí quy định, ghi lại bốn nhiệt độ ứng với các thay đổi hình dạng của nón tro: nhiệt độ biến dạng DT, nhiệt độ mềm ST, nhiệt độ bán cầu HT và nhiệt độ chảy FT. Tính nóng chảy của tro phụ thuộc vào tỷ lệ các thành phần SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO trong tro, và cũng chịu ảnh hưởng của môi trường oxy hóa hay khử.

Cùng một loại nhiên liệu, các báo cáo khác nhau thường cho số liệu không khớp, một nguyên nhân là nhiệt độ tạo tro khác nhau. Có nghiên cứu tạo tro cùng một mẫu ở 400℃, 600℃ và 815℃, khi nhiệt độ tạo tro tăng thì hàm lượng tương đối của K₂O trong tro giảm, còn clo đến 815℃ gần như không đo được. Cần xem điều kiện tạo tro trước khi đọc số liệu, nếu không rất dễ đem các con số khác cơ sở so sánh với nhau.

Nhiên liệu nào dễ làm thiêu kết thanh ghi

Nhiên liệu gỗ sạch có nhiệt độ nóng chảy của tro tương đối cao. Trong tài liệu, tro nguyên liệu của gỗ tếch cho DT 1170℃, ST 1200℃, HT 1240℃, FT 1320℃; gỗ melina cho DT 1100℃, ST 1180℃, HT 1220℃, FT 1300℃. Hai loại gỗ này sau khi torrefaction ở 220 đến 320℃ thì nhiệt độ biến dạng tăng lên khoảng 1200℃, còn nhiệt độ chảy gần như không đổi.

Nhóm rủi ro cao là phụ phẩm nông nghiệp giàu kali, clo và silic: buồng quả cọ rỗng (EFB), rơm lúa mì, rơm rạ, bã mía đều thuộc nhóm này. Tài liệu nhắc nhiều lần rằng tro EFB có nhiệt độ nóng chảy thấp, các nguyên tố tạo tro chủ yếu là Si, K và Cl; rơm lúa mì ngay trong thí nghiệm đốt một hạt ở 700℃ và 1000℃ đã tạo xỉ silicat. Tại một lò ghi rung 16 MWth đốt rơm lúa mì, số liệu đo cùng mô hình cho thấy tro nóng chảy tập trung trong một khoảng nhiệt rất hẹp trên 1050℃, sau đó khối nóng chảy chảy xuống theo vách.

Có thể nhớ gọn một câu: nhiên liệu càng nhiều kali và clo, càng nhiều silic thì nhiệt độ nóng chảy của tro càng thấp và bề mặt ghi càng dễ bám xỉ. Ngược lại, nhiên liệu có tro giàu Al₂O₃, ít sắt và kim loại kiềm thì xỉ tạo ra khó mềm hơn.

Từ đóng xỉ đến hư hỏng: clo, kali và xỉ nóng chảy ăn mòn thanh ghi thế nào

Tại một lò ghi khứ hồi 9,9 MW đốt gỗ cao su, các thanh ghi GX130CrSi29 sau thời gian phục vụ được lấy ra phân tích hư hỏng. Mặt cắt cho thấy ba lớp: bề mặt là lớp cặn chứa clo và kim loại kiềm, bên dưới là lớp oxit giàu sắt xốp, dưới cùng là nền thiếu hụt crom và bị oxy hóa nội, crom giảm rõ rệt gần ranh giới giữa lớp oxit và kim loại.

Hai chuỗi phản ứng diễn ra cùng lúc. Clo tạo clorua kim loại dễ bay hơi tại ranh giới lớp oxit và kim loại, clorua này lại bị oxy hóa và clo được giải phóng tiếp tục tham gia phản ứng, nên lớp oxit bảo vệ không bao giờ phát triển đầy đủ. Đồng thời kali phản ứng với tro silicat tạo kali silicat nóng chảy thấp, ở nhiệt độ làm việc của ghi tồn tại dạng nóng chảy hoặc bán nóng chảy, đóng vai trò chất trợ dung, hòa tan và xuyên qua lớp oxit.

Bước cuối cùng là bong tách. Lớp oxit và cặn đã bị ăn mòn làm yếu bị dòng khí và chuyển động của lớp nhiên liệu cuốn đi, kim loại mới lộ ra và phản ứng bắt đầu lại từ đầu. Vì vậy dạng hư hỏng này là kết quả cộng gộp của oxy hóa hoạt tính do clo, trợ dung pha nóng chảy và bong tách theo dòng chảy, không phải chỉ là oxy hóa nhiệt độ cao.

Ba việc có thể làm tại hiện trường

Về phía nhiên liệu, cần kiểm soát tỷ lệ nhiên liệu giàu kali và clo, phối trộn với nhiên liệu ít rủi ro, khi cần thì rửa nước để giảm kali và clo. Tài liệu cũng ghi nhận phụ gia như cao lanh có thể nâng nhiệt độ nóng chảy của tro, giảm đóng xỉ và bám cặn, và đã có thử nghiệm loại này khi đồng đốt buồng quả cọ rỗng.

Về phía vận hành, giữ nhiệt độ bề mặt ghi dưới nhiệt độ mềm của tro, dùng phân phối gió, tốc độ ghi và độ dày lớp nhiên liệu để kiểm soát vị trí vùng cháy chính, tránh quá nhiệt cục bộ. Khi đóng xỉ xuất hiện phải làm sạch ngay, vì để lớp vỏ cứng lớn lên rồi mới làm sạch thì bản thân thanh ghi cũng dễ bị tổn thương.

Về phía vật liệu, vị trí đóng xỉ nặng nên chọn gang chịu nhiệt chứa crom và silic cao hoặc gang crom cao, hàm lượng crom quyết định độ ổn định của lớp oxit, silic cải thiện khả năng chống oxy hóa nhiệt độ cao. Chúng tôi cung cấp thanh ghi và phụ tùng cho các kiểu ghi, đối chiếu mác vật liệu theo điều kiện làm việc, gửi hàng từ nhà máy đối tác và có thể kiểm tra kích thước, vật liệu theo bản vẽ.

Tài liệu tham khảo

• GB/T 219-2008, Phương pháp xác định tính nóng chảy của tro than
• Khongkaew W. và cộng sự, Failure analysis and degradation mechanisms of GX130CrSi29 grate bars in a biomass-fired furnace, Thammasat University
• The ignitability, fuel ratio and ash fusion temperatures of torrefied woody biomass
• Study on fusion characteristics of biomass ash, PubMed 20655203
• Evaluation of Combustion Grate Damage: A Comprehensive Review of Grate Deterioration in Biomass Power Plants
• Application of a Modeling Tool to Describe Fly Ash Generation, Composition, and Melting Behavior, Processes 2020, 8(11), 1510
• Ash and deposit characteristics from oil-palm empty-fruit-bunch (EFB) firing with kaolin additive