鍋爐燃用印尼煤后造成風帽磨損問題分析與處理

李 駿

(廣東粵嘉電力有限公司，廣東 梅州 514733)

1 鍋爐簡介

廣東粵嘉電力有限公司梅縣電廠5號鍋爐為上海鍋爐廠有限責任公司生產(chǎn)的SG-440/13.7-M566型超高壓、中間再熱、單汽包自然循環(huán)、循環(huán)流化床鍋爐，與上海汽輪機廠生產(chǎn)的N135-13.24/535/535型(K151機型)汽輪機和濟南發(fā)電設備廠生產(chǎn)的QFS-135-2型發(fā)電機相匹配，設計燃料為無煙煤。

鍋爐采用二次配風，一次風從爐膛底部布風板風帽進入爐膛，二次風從燃燒室錐體部分進入爐膛。鍋爐共設有4個給煤點和4個石灰石料口，均勻布置在爐前。爐膛底部設有鋼板式一次風室，整個布風板共有T型風帽365個。鍋爐采用床上啟動點火方式。鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒方式，實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫。

2 改燒印尼煤后出現(xiàn)的問題

近年來無煙煤價格一路攀升，且供應緊張。為解決電廠燃煤短缺，拓寬鍋爐對煤種的適應性，電廠進行了無煙煤改燒印尼煤的試驗和測試。鍋爐從2011年6月開始改燒印尼煤，經(jīng)過半年的改燒調(diào)整后，于2011年10月停爐進行檢修。在此過程中遇到的問題主要有：

(1)局部風帽磨損嚴重，出現(xiàn)前后墻中部第1排風帽磨穿的現(xiàn)象；

(2)旋風分離器進口的耐火料磨損嚴重；

(3)運行中經(jīng)常出現(xiàn)床壓維持不住、床溫偏高、一次風量偏大的情況。

爐膛T型風帽磨損情況尤為嚴重，因此解決風帽磨損嚴重的問題成為諸多問題的關鍵。

3 循環(huán)流化床鍋爐磨損的機理

由于循環(huán)流化床鍋爐運行在高溫條件下且溫度變化頻繁，爐內(nèi)有大量高速運動的固體物料。這種燃燒特性決定了循環(huán)流化床內(nèi)的受熱面及耐火材料很容易磨損。循環(huán)流化床鍋爐由于其特定的燃燒方式，爐內(nèi)的固體物料密度為煤粉爐的幾十倍甚至上百倍，其受熱面和耐火材料受到大量固體物料的不斷沖刷。

影響循環(huán)流化床鍋爐磨損的主要因素有：運行參數(shù)、燃料特性、床料特性、物料循環(huán)方式、受熱面結構和布置方式等，涉及設計、安裝、運行、維護等方面。

3.1 煙氣流速和粒子濃度

煙氣流速是影響爐內(nèi)壁磨損的最主要因素。根據(jù)實驗結果,顆粒的機械沖蝕磨損量W可表示為：

式中：W為磨損量；up為煙氣中的固體粒子速度；dp為固體粒子粒徑；C為煙氣中的固體粒子濃度；K為比例常數(shù)，代表物料和氣體的磨蝕特性；τ為運行時間；g為重力加速度。

由上式可見，磨損量與固體粒子速度的n次方成正比關系。n值的大小與固體粒子的粒徑、速度等有關，不同工況下n值也有所不同，在3.0～4.3之間。煙氣流速大小直接影響流動飛灰的運動動能和單位時間內(nèi)沖擊到爐內(nèi)壁的灰粒量。煙速越大，可認為固體粒子速度也越大，從而導致磨損迅速增加。

從上式可以看出，磨損量與粒子濃度成正比，粒子濃度越大，粒子碰撞受熱面的幾率越大，磨損越嚴重?；覞舛扔峙c循環(huán)倍率和分離器的分離效率、煙氣的均衡度有關。較高的循環(huán)倍率將導致含灰煙氣流對爐內(nèi)壁的嚴重磨損。如果運行時負荷過高，煤質(zhì)較差，燃燒料量大，將會導致煙氣中的物料濃度增大而使磨損加劇。同時，金屬管壁與煙氣熱交換加劇，金屬管子外壁結構發(fā)生變化，也會導致磨損加劇。

3.2 床溫

循環(huán)流化床鍋爐運行床溫直接影響煙氣的溫度和受熱面的溫度。當運行床溫升高時，煙氣溫度和受熱面的溫度隨之升高；反之亦然。

運行經(jīng)驗表明，在絕大部分情況下，循環(huán)流化床鍋爐受熱面的管壁與磨損在管壁溫度接近400 ℃的范圍內(nèi)發(fā)生變化，如圖1所示。當壁溫低于此溫度時，管壁上未形成氧化膜，磨損速率較大，但基本不隨溫度發(fā)生變化。當壁溫達到此溫度時，管壁上形成了硬度較高的Fe2O3、Fe3O4及FeO氧化膜，使受熱面的磨損急劇降低。當壁溫繼續(xù)增加時，由于熱應力的產(chǎn)生，氧化膜和金屬的熱膨脹系數(shù)不同及高溫腐蝕的影響等，磨損又會有所增加。

印尼煤因揮發(fā)分高、易著火，進入爐膛后馬上著火燃燒，這使得在相同的一、二次風比例下，床溫會更高。若印尼煤灰分少，爐膛灰濃度低，則更易出現(xiàn)床溫高的問題。

圖1 受熱面溫度對磨損的影響

3.3 鍋爐負荷

長期超負荷、超煤量運行也會加劇爐內(nèi)磨損。煤量的大小與熱負荷、煤質(zhì)及鍋爐效率有關。一般同等負荷下的鍋爐效率變化不大，而煤量僅與煤質(zhì)相關。在煤質(zhì)一定的情況下，負荷與煤量基本成正比。而磨損率與物料質(zhì)量濃度密切相關，長期超負荷運行會使密相區(qū)附近的爐壁磨損速率相對加快。

長時間的單側運行給煤機或落煤斗產(chǎn)生堵煤、配風不當?shù)冗\行問題，也會加快爐內(nèi)受熱面的磨損速度。

3.4 一、二次風量配比

當一次風量過大時，粗顆粒床料上升，高度增加，密相區(qū)上移，容易加重密相區(qū)部位的磨損。因此，在不影響流化質(zhì)量和床溫控制的條件下，應盡量降低一次風流量，增加二次風比例。

3.5 燃料特性的影響

一般入爐燃料中含有大量SiO2，A12O3、黃鐵礦等礦物質(zhì)，這些物質(zhì)對爐壁的不斷沖刷和撞擊，會造成磨損。另外，物料(煤粒、灰粒、床料、石灰石等)的粒徑、顆粒形狀對磨損特性也有影響。燃料的成分對煙氣成分有一定影響，如S會生成腐蝕性氣體如SO2，SO3，H2S等，在一定的條件下會對金屬管壁產(chǎn)生腐蝕作用，而腐蝕產(chǎn)物又易被灰粒沖刷掉。這樣磨損和腐蝕交替進行，會使管子的總磨損速度大大加快。

3.6 床料特性

圖2是沖蝕磨損時磨損量與顆粒直徑關系的數(shù)值試驗結果。從實驗結果可以看出，床料粒徑較小時，受熱面所受的沖蝕磨損較?。辉诘蜐舛葧r粒徑達到某一臨界值(約100 μm)后，磨損量幾乎不變。這可解釋為，雖然大顆粒沖刷管壁的磨損能力較大，但在相同顆粒濃度下，沖刷管壁的大顆粒總數(shù)減少了，故磨損量變化仍可不大。在高濃度時，磨損量隨顆粒粒徑的增大而增加。

3.7 顆粒形狀

帶棱角的床料顆粒比球形顆粒對鍋爐的磨損影響大，而流化床中新鮮的不規(guī)則顆粒與已磨成球形的顆粒并存，受熱面的磨損速率可能并不隨時間的增加而減少。

3.8 床料硬度

顆粒硬度對磨損影響的一般趨勢如圖3所示。當顆粒硬度接近或高于被磨材料時，磨損率會迅速增加 ；在顆粒硬度比被磨材料低時，磨損率通常很低。在運行中，床料不斷循環(huán)，較軟的物料會逐漸被磨損掉，只有那些性質(zhì)穩(wěn)定(硬度比較大不易損耗)的顆粒累積下來，其硬度大大高于新鮮床料。

另外，床料顆粒在爐內(nèi)停留一段時間后，其表面會形成一膜層，其硬度會高于新添的床料，甚至高于金屬硬度，對金屬造成較大磨損。

圖2 磨損與顆粒直徑(濃度)的關系

圖3 顆粒硬度對磨損的影響

風帽的磨損情況主要有2種：一種是風帽外部的磨損，另一種是風帽小孔被磨損擴大。發(fā)生風帽外部磨損的最嚴重區(qū)域在排渣口和循環(huán)物料回料口附近。風帽小孔被磨損擴大后，將改變布風特性，同時造成風室漏灰。

風帽磨損的原因之一是物料水平方向沖刷風帽，循環(huán)物料隨入爐煤一起進入爐膛，較高濃度的顆粒以較大的平行于布風板的速度分量沖刷風帽，造成風帽磨損。風帽磨損的另一個原因是渦流磨損，當氣流噴出風帽小孔時，形成回流區(qū)，把物料帶回風帽周邊表面，氣流自轉，帶動物料螺旋旋轉。在上述條件同時作用下，有的物料緊貼風帽周邊表面旋轉上升；有的物料在風帽頂部形成旋轉的物料氣柱，該氣柱在風帽頂部隨機移動。這樣，風帽周邊表面有螺旋磨損溝痕，風帽頂部有斜向沖刷痕跡。另外，當風室靜壓小于風室差壓時，床料會進入風帽出風口。如果床料粒徑偏大，會堵住出風口，造成風帽小孔通道堵渣嚴重，使風帽缺少冷卻介質(zhì)，極易燒壞風帽。

4 風帽磨損原因分析

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的磨損機理進行綜合評估和分析，基本判斷風帽磨損的主要原因有4點。

(1)前后墻處的顆粒濃度大。前后墻有二次風口、回料口、下煤口，這些地方是爐膛顆粒濃度最大的區(qū)域。這是共性問題，存在于所有煤種。

(2)一次風量偏大造成布風板風速大。改燒印尼煤后，由于煤的揮發(fā)分大、易著火，為避免床溫過高，5號爐運行加大了一次風量，在同等負荷情況下，風量增加了近20 %，這就使磨損量增大至少1.7倍。前后墻顆粒向下切向沖刷到第1排風帽時，一次風正好向上，在A/B側形成渦流磨損。

(3)鍋爐運行的床壓偏低。由于長時間得不到正常排渣，致使一部分粒徑較大的床料無法進行排出置換。

(4)床料磨損性強。由于所燒印尼煤的灰分少，和無印尼煤相比，運行排渣大大減少，這使得一部分粒徑較大的床料在布風板區(qū)域停留時間過長，其表面形成氧化膜，硬度甚至超過風帽本身，造成風帽磨損嚴重。

5 解決措施

(1)在運行優(yōu)化調(diào)整方面，適當降低運行中的一次風量。煙氣流速與鍋爐負荷有關，與流化風量和二次風量配比有關。在保證床料充分流化的前提下，盡量降低一次風量；在維持氧量的前提下適當調(diào)整二次風量，并合理搭配上下二次風量，保持合適的過?？諝饬俊?/p>

(2)合理混煤，提高運行中的床壓。通過在印尼煤中添加一定比例的無煙煤，使混煤中的灰分不致過低，避免長時間不排渣。

(3)提高入爐煤的顆粒度。對印尼煤可適當放寬入爐煤粒度，粒度可達20 mm，以保持冷渣器正常運行，從而控制床料的粒徑分布。這是控制風帽外部磨損的重要手段。

(4)在爐膛底部前、后增設一道防磨小平臺，改變對風帽的集中沖刷情況，可使流化床鍋爐中沿墻面下流的固體物料轉而流向布風板上面的空間，從而避免沖擊爐底的布風板和周邊的風帽。

在落實上述措施后，風帽的磨損問題得到緩解。運行半年后對鍋爐停爐檢修檢查，未發(fā)現(xiàn)風帽磨穿的情況，減輕風帽磨損的效果明顯。

1 朱皚強，芮新紅.循環(huán)流化床鍋爐設備及系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2008.

2 路春美，程世慶，王永征.循環(huán)流化床鍋爐設備與運行[M].北京：中國電力出版社，2003.