主動多階式防磨技術在循環(huán)流化床鍋爐上的應用

平頂山市瑞平煤電有限公司 秦先衛(wèi) 王 剛

中平能化集團天成公司 王講義

主動多階式防磨技術在循環(huán)流化床鍋爐上的應用

平頂山市瑞平煤電有限公司 秦先衛(wèi) 王 剛

中平能化集團天成公司 王講義

目前，磨損嚴重、水冷壁頻繁爆管的問題是影響CFB鍋爐穩(wěn)定運行的最主要原因之一，由于磨損(受熱面、耐火材料、風帽等) 造成的事故接近事故停爐總數(shù)的30%～50%。當燃用劣質(zhì)煤（煤矸石摻燒比例大、灰分高）時該問題更加突出，給電廠帶來很大的經(jīng)濟損失，成為電廠最為棘手的問題之一。

一、循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的磨損機理及現(xiàn)狀

在循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)，典型的流體動力學結(jié)構(gòu)為環(huán)－核結(jié)構(gòu)。在內(nèi)部核心區(qū)內(nèi)，顆粒團向上流動；而在外部環(huán)狀區(qū)，固體物料沿爐膛水冷壁往下凹流。顆粒以一定的速度和角度對水冷壁表面進行沖擊造成沖蝕磨損。沖蝕有兩種基本類型，一種叫沖刷磨損，另一種叫撞擊磨損，這兩種磨損的沖蝕表面流失過程的微觀形貌是不完全相同的。沖刷磨損是顆粒相對固體表面沖擊角較小，甚至接近平行。顆粒垂直于固體表面的分速使得它揳入被沖擊物體，而顆粒與固體表面相切的分速使得它沿物體表面滑動，兩個分速合成的效果即起一種刨削作用。如果被沖擊物體經(jīng)不起這種作用，固體表面將產(chǎn)生磨損。撞擊磨損是指顆粒相對于固體表面沖擊角度較大，或接近于垂直時，以一定的運動速度撞擊固體表面，使其產(chǎn)生微小的塑性變形，呈顯微裂紋。在長期、大量的顆粒反復撞擊之下，逐漸使塑性變形層整片脫落而形成磨損。一般在循環(huán)流化床鍋爐受熱面和耐火材料的磨損中，床粒顆粒與受熱面和耐火材料的沖擊角度為0～90°，因此循環(huán)流化床鍋爐受熱面和耐火材料的磨損是上述兩類磨損基本類型的綜合結(jié)果。實際運行中，爐膛水冷壁嚴重磨損主要表現(xiàn)為以下幾種情況。

1.爐膛密相區(qū)澆注料與水冷壁管交界區(qū)域管壁的磨損。由于過渡區(qū)內(nèi)沿壁面下流的固體物料（以下簡稱貼壁流）與爐內(nèi)向上運動的固體物料運動方向相反, 因而在局部產(chǎn)生渦旋流, 同時沿爐膛壁面下流的固體物料在交界區(qū)域產(chǎn)生流動方向的改變, 對水冷壁管產(chǎn)生沖刷。

2.爐膛四角水冷壁的磨損。這是由于爐膛四角區(qū)域內(nèi)貼壁流的物料濃度比較高造成的。

3.爐膛出口兩側(cè)水冷壁管的磨損。爐頂受熱面的磨損主要是由于氣、固流在離開爐膛進入轉(zhuǎn)彎煙道時流向發(fā)生轉(zhuǎn)變, 氣、固流的流通面積縮小, 因而造成對兩側(cè)壁管的磨損加大。

4.不規(guī)則管壁的磨損。不規(guī)則管壁包括穿墻管、爐墻開孔處的彎管、管壁上的焊縫等。這主要因為不規(guī)則部位的貼壁流被改變，容易形成渦流，從而導致磨損的發(fā)生。一般地，物料對管壁的磨損速率與其速度、濃度及粒度關系為：

E∝W3D2U。 （1）

式（1）中，E 為磨損速率，單位是μm/100h；W為物料速度，單位是m/s；D為物料粒度，單位是mm；U為物料濃度，單位是kg/(m2·s)。由式（1）可知，物料對管壁的磨損速率與其流速的三次方成正比，與其濃度成正比。從流體動力特性看，循環(huán)流化床鍋爐爐膛處于快速流態(tài)化狀態(tài)。在快速床中，貼壁流沿著將近30 m高的爐膛從爐頂向爐底加速流動，其末端速度比較高，并且濃度成指數(shù)增加。貼壁流速度高和濃度大是造成水冷壁過渡區(qū)域磨損嚴重的主要原因。

二、主動多階式防磨技術在平頂山瑞平電廠480t/h CFB鍋爐上的應用

平頂山瑞平電廠采用的鍋爐是東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG480/13.7-II2自然循環(huán)、超高壓、一次中間再熱循環(huán)流化床鍋爐。考慮到水冷壁磨損嚴重的問題，在鍋爐安裝階段，電廠同時完成了主動多階式防磨裝置的安裝。該防磨裝置由銷釘和耐火耐磨澆注料形成凸臺，并通過銷釘將凸臺固定在水冷壁上；凸臺沿水冷壁高度方向以一定間距水平或傾斜多階布置。具體布置在循環(huán)流化床鍋爐爐膛中密相區(qū)的上方，每隔兩米沿爐膛四周布置一圈，從下至上共14層。

該防磨裝置的優(yōu)點在于：從磨損機理入手，顯著降低爐膛貼壁流的速度和濃度；安裝簡單方便，不需對爐膛水冷壁進行大量改造；運行可靠，檢修簡單方便；水冷壁上加裝防磨臺階后不會對爐內(nèi)傳熱造成影響。

三、防磨效果

電廠1#鍋爐于2007年1月3日投入運行，2#鍋爐于2007年5月15日投入運行，截至2008年3月25日1#鍋爐已經(jīng)累計運行7 446小時（1#鍋爐自2007年11月3日至2008年3月25日已連續(xù)運行141天），2#鍋爐已累計運行5 387小時，水冷壁未曾發(fā)生一次爆管事故。2007年12月份，利用2#機組檢修的時間，電廠會同西安熱工院對2#鍋爐的水冷壁進行了全面檢查，并對2#鍋爐水冷壁的壁厚進行了詳細的測量，測量結(jié)果證明，采用了該防磨裝置后，減緩了爐內(nèi)固體顆粒的運動速度，改變了顆粒運動的軌跡，大量的物料在沿著水冷壁向下流動的過程中，每隔一段距離就會發(fā)生一定的偏移，從而減輕了固體物料對水冷壁管子的直接沖刷，有效地延緩了水冷壁的磨損。

按測點盡量覆蓋所有水冷壁的原則，測量了65個有代表性的測點，測量結(jié)果見表1。雙面水冷屏的測點數(shù)量為10個，壁厚測量結(jié)果見表2。

表1 水冷壁厚測量結(jié)果

表2 雙面水冷屏厚測量結(jié)果

以135 MW CFB鍋爐機組為例，水冷壁總受熱面積約1 600 m2，加裝防磨內(nèi)襯的被覆蓋受熱面積約70m2，僅占4.4%左右。另外，防磨臺階增加了對貼壁流的擾動，有利于爐內(nèi)傳熱。因此，水冷壁上加裝防磨臺階后不會對爐內(nèi)傳熱造成影響，現(xiàn)場運行實踐也說明了這一點。

四、結(jié)論

目前已投運的循環(huán)流化床鍋爐均存在水冷壁磨損嚴重的現(xiàn)象，這是由循環(huán)流化床燃燒方式?jīng)Q定的，其主要原因在于貼壁流濃度較高，物料流動速度較高造成的。

瑞平電廠安裝的主動多階式防磨裝置對減輕或者預防水冷壁的磨損有顯著效果，對保證鍋爐的穩(wěn)定安全運行起到了重要作用；瑞平電廠安裝的主動多階式防磨裝置未影響爐膛的傳熱。