循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損原因分析及防范措施

劉學(xué)辰

(河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050041)

1 概述

河北華電石家莊熱電有限公司21-24號鍋爐為DG410/9.81-9型循環(huán)流化床鍋爐，先后于2003年7月和12月投入運(yùn)行。該鍋爐系高溫高壓、單汽包、自然循環(huán)鍋爐，采用循環(huán)流化床燃燒方式、高溫分離物料、固態(tài)排渣、干式輸送、平衡通風(fēng)、半露天布置。鍋爐主要由1個(gè)膜式水冷壁爐膛、2臺旋風(fēng)分離器、自平衡“J”型回料閥，尾部對流煙道以及布置在鍋爐爐膛左右兩側(cè)的4臺滾筒冷渣器組成。氣固兩相流在不同位置，所包含固體粒子的濃度、粒度、速度和方向是不同的，其對水冷壁的磨損形式和磨損程度也不同。磨損比較嚴(yán)重的位置首先是在燃燒室下部密相區(qū)耐火防磨層與膜式水冷壁交界處以上一段管壁，其次是爐膛中下部的膜式水冷壁管。制造和安裝等原因造成水冷壁管排不平整，向鍋爐內(nèi)突出焊縫、防磨罩上沿、吊裝耳板遺留臺階等位置磨損也十分嚴(yán)重。鍋爐自運(yùn)行以來，共發(fā)生因水冷壁泄漏而被迫停爐的事故36次。每次臨修、檢修和點(diǎn)火啟動都要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力、物力，嚴(yán)重危害設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為減少水冷壁磨損泄漏次數(shù)，延長運(yùn)行時(shí)間，曾采取減小出力運(yùn)行，以降低鍋爐內(nèi)氣流速度，減輕水冷壁磨損，雖然達(dá)到了減輕水冷壁磨損的目的，但降低了鍋爐效率，效果不理想。

2 常見磨損形式

循環(huán)流化床鍋爐燃燒室內(nèi)部氣固兩相流中的固體粒子的運(yùn)動方向是不規(guī)則的，對受熱面的磨損也有所不同，主要有以下幾種形式。

2.1 沖擊磨損

當(dāng)氣固兩相流中的固體粒子沿垂直方向沖擊受熱面管子時(shí)，使管子表面出現(xiàn)塑性變形或產(chǎn)生顯微裂紋。經(jīng)過固體粒子的反復(fù)沖擊，變形層脫落，形成磨損。固體粒子的反復(fù)沖擊使管子表面產(chǎn)生疲勞破壞，導(dǎo)致爆管。

2.2 切削磨損

當(dāng)氣固兩相流中的固體粒子以一定的角度沖刷受熱面管子時(shí)，特別是平行、高速沖刷時(shí)，對管子表面產(chǎn)生一種切削作用，導(dǎo)致管壁磨損進(jìn)而爆管。對管子焊口、折角等凸出部位的切削磨損最為嚴(yán)重。

2.3 接觸疲勞磨損

當(dāng)氣固兩相在流動過程中遇到金屬受熱面管子阻擋時(shí)，在管子背風(fēng)面形成渦流，導(dǎo)致固體粒子渦流對管子背風(fēng)面產(chǎn)生磨損，這種磨損稱為接觸疲勞磨損。

2.4 綜合磨損

當(dāng)氣固兩相流中的固體粒子以一定的角度反復(fù)沖刷受熱面管子時(shí)，對管子表面同時(shí)有沖擊磨損、切削磨損和接觸疲勞磨損，這種磨損稱為綜合磨損。循環(huán)流化床鍋爐燃燒室內(nèi)耐火防磨層與膜式水冷壁的交界臺處的管子磨損就屬于綜合磨損[1]。

3 磨損原因分析

3.1 鍋爐燃燒室內(nèi)部氣固兩相流中的固體粒子濃度和粒度的影響

循環(huán)流化床鍋爐在燃燒過程中，燃燒室內(nèi)氣固兩相流的流動模式是中心區(qū)的氣體與固體粒子向上流動，周圍四壁區(qū)的固體粒子向下流動，形成環(huán)核流動模型。中心區(qū)與四壁區(qū)之間的固體粒子在向上與向下流動過程中還有橫向的主相交換，這種交換由下向上逐漸減弱，即在燃燒室下部和過渡區(qū)之間粒子的交換比燃燒室上部要強(qiáng)得多。燃燒室內(nèi)粒子的濃度為上部小，下部大，中間為一個(gè)過渡段(粒子濃度變化較大)。從固體粒子大小分布來分析，燃燒室下部粒子較粗(為1個(gè)鼓泡床)，上部的粒子較細(xì)(循環(huán)床)，中部為過渡區(qū)(粗細(xì)粒子均有)，在上部循環(huán)床4個(gè)角的粒子濃度最高。循環(huán)床鍋爐燃燒室內(nèi)粒子的流動模式、濃度和粒度的分布規(guī)律必然對金屬受熱面的磨損帶來影響。燃燒室下部粒子濃度最高、粒子尺寸大的較多，必然對下部金屬受熱面帶來嚴(yán)重的磨損。這就是在濃相床區(qū)(離布風(fēng)板5～6 m高度內(nèi))要用耐火、耐磨材料覆蓋的原因之一。燃燒室上部粒子濃度和尺寸較小，但如果選擇的氣流速度過高(超過7 m/s)，其磨損也是不可忽視的。由于四角區(qū)域粒子濃度最高，應(yīng)加強(qiáng)重視。另外，燃燒室內(nèi)受熱面如果不平直，粒子沿四壁下落時(shí)，必然對凸出部分帶來嚴(yán)重磨損。如果不采取嚴(yán)格的防磨措施，將會給向外凸出部分的膜式水冷壁或膜式水冷壁與耐火防磨層交界處，耐火臺階以上的水冷壁管(約500～1 000 mm)帶來嚴(yán)重磨損，一般投運(yùn)后100 h就會發(fā)生水冷壁爆管[1]。

3.2 鍋爐燃燒室內(nèi)部氣固兩相流速度和方向的影響

從流體力學(xué)的角度做進(jìn)一步的研究，從氣固兩相流中取一個(gè)固體粒子作為研究對象，這個(gè)固體粒子受到向上氣流的作用力，同時(shí)還有本身的重力，這2個(gè)作用力的方向相反。當(dāng)氣流對固體粒子的作用力等于固體粒子本身的重力時(shí)，固體粒子在氣流中就不會下落，而在其中飛翔，開始產(chǎn)生這種現(xiàn)象時(shí)的氣流速度稱為飛翔速度。當(dāng)氣流速度大于飛翔速度時(shí)，固體粒子將以逐漸減小的加速度向上運(yùn)動，因?yàn)槭构腆w粒子上升的力隨著它本身的速度增加而減小。當(dāng)氣流速度小于飛翔速度時(shí)，固體粒子將以逐漸加快的加速度向下運(yùn)動，因?yàn)楣腆w粒子本身的重力加速度隨高度增加而增加。

在氣固兩相流中，由于固體粒子大小形狀各不相同，粒子的運(yùn)動速度也不相同。小粒子運(yùn)動速度比大粒子的運(yùn)動速度大，這樣就必然會發(fā)生粒子間的碰撞現(xiàn)象。由于碰撞，大粒子的運(yùn)動速度加快，粒子彼此撞擊及氣流速度分布的不均勻，導(dǎo)致粒子在運(yùn)動中不停的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氣流流經(jīng)不停旋轉(zhuǎn)著的粒子時(shí)，必然使粒子受到一個(gè)與氣流方向垂直的作用力，使粒子沿與氣流垂直的方向移動，導(dǎo)致粒子向爐膛四周集中。

在爐膛橫截面上，上升氣固兩相流的流速分布不同，越靠近爐膛四周的膜式水冷壁，氣流速度越低，對固體粒子的作用力越小，使相對集中的固體粒子沿膜式水冷壁加速下落。在爐膛上部由于固體粒子的濃度、粒度和速度較小，對膜式水冷壁的磨損較輕，在爐膛下部，固體粒子的濃度、粒度較大，對膜式水冷壁的磨損較嚴(yán)重。

4 防磨措施

4.1 水冷壁讓管改造

在燃燒室下部耐火防磨層與膜式水冷壁交界處，沿膜式水冷壁下落的固體粒子濃度、粒度、速度較大，同時(shí)也有從各個(gè)方向匯入的固體粒子，對膜式水冷壁管的磨損多種多樣。為減輕此處水冷壁管及其防磨罩的磨損，采取讓管改造措施(如圖1所示)。

圖1 水冷壁讓管改造示意

燃燒室下部耐火防磨層與膜式水冷壁交界處的管段彎制成敞口的“Ω”形彎，彎內(nèi)焊銷釘，打耐火耐磨可塑料，在下部做一凸臺(防磨臺)。這種措施的目的有2個(gè)，一是運(yùn)行中，落下的粒子在防磨臺上部自然堆積成一個(gè)比較松軟的斜臺，使快速下落的固體粒子軟著陸，防止對此處管子的沖刷磨損，二是使?fàn)t膛下部上升的氣固兩相流及其中的固體粒子經(jīng)過凸臺后向爐膛內(nèi)部集中，防止來自各個(gè)方向的固體粒子對此處管子的沖擊磨損。

4.2 增加防磨臺

在爐膛中下部的膜式水冷壁管部位，沿膜式水冷壁下落的固體粒子的濃度、粒度、速度逐漸增大，對膜式水冷壁管的磨損形式主要是沖刷磨損。為減輕此處的磨損，采取加防磨臺的措施(如圖2所示)。

圖2 水冷壁2層防磨臺示意

在標(biāo)高20 m和25.5 m處環(huán)繞爐膛用可塑料 打兩層防磨臺，在每層防磨臺根部向上500 mm噴涂一層0.6～0.8 mm防磨涂料。

根據(jù)前面對磨損原因的分析，沿膜式水冷壁下落的粒子濃度、粒度和速度是隨高度的降低而逐漸增加的，所以設(shè)2層防磨臺，從爐膛上部落下的粒子在第十層(標(biāo)高25.5 m)防磨臺上部自然堆積成松軟的斜臺，使快速下落的固體粒子軟著陸減速，并改變下落方向離開管壁，從而降低該防磨臺下部粒子濃度、粒度和速度，減輕對下部管段的磨損。離開管壁下落的粒子隨著上升的氣固兩相流及其所攜帶的固體粒子會再次回到沿膜式水冷壁下落的軌跡，重新開始加速下落，所以又增加了第2層(標(biāo)高20 m)防磨臺。

5 實(shí)施過程及效果

2008年4月，利用大修機(jī)會對21號鍋爐兩側(cè)水冷壁進(jìn)行改造試驗(yàn)。同年10月小修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過半年的運(yùn)行，改造試驗(yàn)取得較好效果，決定進(jìn)一步推廣。2009年大修時(shí)對21號鍋爐前后水冷壁和23號鍋爐四周水冷壁進(jìn)行改造。2010年5月，利用24號鍋爐大修機(jī)會，對其水冷壁進(jìn)行同樣的改造。2010年8月進(jìn)行的22號鍋爐恢復(fù)出力技術(shù)改造時(shí)仍然采取此措施。具體做法如下。

a. 在爐膛標(biāo)高14.5 m處，水冷壁做讓管改造。

b. 四面墻共更換510根管段，左、右、后墻管段長5.5 m，從標(biāo)高14.5～20 m；前墻管段長2.9 m，從標(biāo)高14.5～17.4 m；共更換管子16.5 t。

c. 在標(biāo)高14.5 m易磨損區(qū)域敷一層耐火、耐磨料。

d. 在標(biāo)高14.5 m、20 m、25.5 m處環(huán)繞爐膛用可塑料打3層防磨臺。利用下落的物料形成自然積灰，以防止制作防磨臺后所產(chǎn)生渦流對水冷壁管的磨損。

e. 從3層防磨臺根部向上500 mm噴涂一層0.6～0.8 mm防磨涂料。

f. 新更換管排應(yīng)平整，不得變形使管排有起伏。鰭片焊接要嚴(yán)密不漏，內(nèi)外滿焊，以防漏風(fēng)。

水冷壁讓管及加防磨臺改造后，鍋爐運(yùn)行時(shí)，從爐膛上部落下的床料經(jīng)過2層防磨臺阻擋和分離，降低了下降速度、離開了水冷壁管，減緩水冷壁管的磨損，延長了床料在爐膛空間的燃燒過程，有利于燃料充分燃燒，并達(dá)到減少磨損目的。同時(shí)節(jié)約了檢修費(fèi)用，從2009年至今，該方案在21-24號鍋爐正式改造，未發(fā)生過水冷壁因磨損泄漏停爐的事故。

6 改造注意事項(xiàng)

a. 由于不銹鋼銷釘和可塑料膨脹系數(shù)不同，在打防磨臺可塑料之前必須在銷釘上均勻地涂上瀝青，運(yùn)行中，瀝青燃燒后產(chǎn)生的空隙可以作為不銹鋼銷釘?shù)呐蛎涢g隙。

b. 彎管的設(shè)計(jì)最好根據(jù)本單位現(xiàn)有的彎管模具設(shè)計(jì)彎曲半徑，彎頭角度不宜超過30°，盡量減小增加水冷壁內(nèi)部介質(zhì)的流通阻力。

c. 由于澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低得多，所以，讓管部位可塑料的厚度及高度在達(dá)到防磨目的前提下盡可能減小，縮小對膜式水冷壁吸熱的影響。

d. 防磨臺寬度不能太窄，(據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明：其寬度應(yīng)大于等于230 mm，靠近水冷壁的厚度為170 mm)。如果太窄，經(jīng)過防磨臺改變方向的粒子會很快回到沿膜式水冷壁下落的軌跡，防磨效果較差。將防磨臺下面設(shè)計(jì)為斜面一方面是為減小防磨臺下部產(chǎn)生渦流，另一方面，由于防磨臺處的流通截面變小，上升的氣固兩相流的流速增加，會將一部分經(jīng)防磨臺減速下落的較小粒子吹向爐膛上部，延長其下落時(shí)間。

7 結(jié)束語

循環(huán)流化床鍋爐膜式水冷壁的

磨損嚴(yán)重影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，經(jīng)過多年探索、積累、學(xué)習(xí)借鑒經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施防磨措施初步減緩了水冷壁的磨損。但也存在一些副作用，水冷壁管增加了彎頭，水冷壁內(nèi)部介質(zhì)流動增加了局部阻力，水冷壁管增加了可塑料，減少了水冷壁的吸熱量。所以在設(shè)計(jì)防磨方案時(shí)，需綜合考慮設(shè)備情況，制定切實(shí)可行的防磨措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉德昌，陳漢平，張世紅，等.循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行及事故處理[M].北京：中國電力出版社，2006.