淺談循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損問(wèn)題

趙國(guó)慶

(大慶市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所，黑龍江 大慶 163311)

2011年對(duì)大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部物業(yè)三公司火炬供熱處循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn):1.水冷壁從澆注料上邊緣到對(duì)接焊縫中間段磨損減薄嚴(yán)重;前墻水冷壁右數(shù)第10、11、12根距澆注料向上450 mm處減薄嚴(yán)重(最薄處測(cè)厚2.8 mm);2.爐膛四角處水冷壁與防磨澆注料相接處有明顯沖刷溝槽，深度在2～3 mm?，F(xiàn)象基本上代表使用中的循環(huán)流化床鍋爐水冷壁現(xiàn)狀。針對(duì)此情況，檢驗(yàn)所及使用單位分析了形成原因，并做出了維修改造結(jié)論。現(xiàn)針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損情況進(jìn)行如下分析:

1 循環(huán)流化床鍋爐燃料循環(huán)特點(diǎn)

循環(huán)流化床鍋爐與傳統(tǒng)的煤粉鍋爐不同，爐內(nèi)床料在煙氣攜帶下沿爐膛上升，經(jīng)爐膛上部出口進(jìn)入分離器，在分離器中進(jìn)行氣、固兩相分離，被分離后的煙氣經(jīng)分離器上部出口，進(jìn)入鍋爐尾部煙道，被分離出來(lái)的固體粒子，經(jīng)返料閥再返回爐膛下部。在循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行中，含有燃料、燃料灰、石灰石及其反應(yīng)產(chǎn)物的固體床料，在爐膛—分離器—返料閥—爐膛這—封閉循環(huán)回路里處于不停的高溫循環(huán)流動(dòng)中，并在爐內(nèi)以850～950℃進(jìn)行高效率燃燒及脫硫反應(yīng)。除床料在這一回路中作外循環(huán)流動(dòng)外，在重力作用下，床料在爐內(nèi)不斷地進(jìn)行內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。因此，在循環(huán)回路的相應(yīng)部位會(huì)產(chǎn)生一定的磨損。

2 循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損方式及形成原因

從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看:循環(huán)流化床鍋爐可能磨損的部位有承壓部件、內(nèi)襯、旋風(fēng)分離器、布風(fēng)裝置及返料裝置等。其中，水冷壁管的磨損是循環(huán)流化床鍋爐受熱面中磨損最嚴(yán)重部位之一。根據(jù)管壁各部位磨損的現(xiàn)狀，爐膛水冷壁主要分為以下幾種情況:

(1)水冷壁與耐火材料交接處的磨損:大多數(shù)蒸發(fā)量小的循環(huán)流化床鍋爐為了增加蒸發(fā)受熱面，在爐膛稀相區(qū)內(nèi)的水冷壁不敷設(shè)耐火材料，僅在爐膛下部密相區(qū)的水冷壁管上敷設(shè)耐火材料。如本文中的鍋爐為無(wú)錫鍋爐廠生產(chǎn)的40 t的循環(huán)流化床熱水爐，其爐膛下部敷設(shè)耐火材料的高度通常為3 m左右。這樣在耐火材料與水冷壁的交界和過(guò)渡區(qū)域，氣——固兩相的正常流動(dòng)發(fā)生變化，導(dǎo)致此區(qū)域的水冷壁磨損。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)折區(qū)的凸臺(tái)改變了下滑顆粒的流動(dòng)方向，使該處磨損速率比壁面磨損速率高5～10倍，并且轉(zhuǎn)折角越大磨損越嚴(yán)重。

圖1為水冷壁管與耐火材料過(guò)渡區(qū)域的磨損示意圖，可以看出磨損發(fā)生在爐膛下部耐材料與水冷壁管的交界處。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐耐火材料與水冷壁管過(guò)渡區(qū)域的固體流動(dòng)特性

(2)不規(guī)則管壁的磨損:不規(guī)則管壁主要包括穿墻管、爐墻開孔處的彎管、管壁上的焊縫等，此外還有一些爐內(nèi)測(cè)試元件，如熱電偶等開孔處的管壁。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，即使很小幾何尺寸的不規(guī)則也可能引起局部的嚴(yán)重磨損。

爐膛部分設(shè)有的人孔門、觀火孔等圓孔處是易磨損的部位之一。在目前已投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐中，絕大多數(shù)鍋爐都在爐膛開孔處的彎管區(qū)域發(fā)生了不同程度的磨損，由于爐膛內(nèi)循環(huán)的灰是貼壁下流的，因而導(dǎo)致彎頭上部的彎管磨損較輕，而開孔下部的彎管磨損比較嚴(yán)重。

水冷壁的焊接處也是易磨損的部位之一。如圖2所示的水冷壁焊縫的局部磨損。磨損首先發(fā)生在焊縫的上部，直到焊縫磨平以后才終止;而在爐膛的密相區(qū)，焊縫上面的管子也會(huì)發(fā)生磨損。

(3)在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，爐膛邊角水冷壁管磨損比較嚴(yán)重，其原因是爐膛邊角區(qū)域沿壁面向下流動(dòng)的固體物料濃度比較高，同時(shí)顆粒的流動(dòng)狀況受到破壞，從而導(dǎo)致此區(qū)域磨損嚴(yán)重?，F(xiàn)行使用的鍋爐中均加高爐膛邊角水冷壁防磨涂料的高度，以減小次區(qū)域的磨損。

圖2 對(duì)接水冷壁焊縫的局部磨損

(4)面對(duì)返料器一側(cè)的水冷壁管局部磨損嚴(yán)重(單側(cè)返料系統(tǒng)):在循環(huán)流化床鍋爐中，不同的物料運(yùn)行方式使受熱面易磨損部位、磨損程度有較大差異。(因此要徹底防范受熱面的磨損，不僅要細(xì)致入微地分析局部流動(dòng)特性，還要把握鍋爐內(nèi)物料的總體循環(huán)形式。)從已投運(yùn)鍋爐來(lái)看，鍋爐系統(tǒng)的幾何形狀以及配風(fēng)方式和燃料、石灰石給入方式等基本上是相似的，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐受熱面的磨損影響最大的因素是返料系統(tǒng)的循環(huán)方式。

圖3分別給出了兩種目前常見循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)的總體氣固流動(dòng)形式。從圖3中我們可以看出，兩種不同返料方式下循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的總體氣固流動(dòng)形式是完全不同的，由此也可推得其受熱面的磨損情況也有很大差別。如圖4所示是單側(cè)返料循環(huán)流化床循環(huán)物料的總體流動(dòng)形式，在循環(huán)物料的轉(zhuǎn)彎處，大顆粒物料產(chǎn)生偏析，因而使圖中剖面線部分的磨損較為嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)循環(huán)流化床鍋爐時(shí)，這些區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)防磨處理。

圖3 循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的總體氣固流動(dòng)形式

圖4 單側(cè)返料循環(huán)系統(tǒng)物料總體流動(dòng)形式及易磨損區(qū)域

3 減輕循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損的方法

根據(jù)以上對(duì)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損的方式和形成原因的分析，已經(jīng)指出了預(yù)防減輕水冷壁磨損的措施與方法，具體如下:

(1)針對(duì)水冷壁與耐火材料交接處的磨損情況，適當(dāng)減少耐火材料與水冷壁管夾角度數(shù)(見圖1)，使耐火材料與水冷壁管平滑過(guò)渡緩慢相交，是減少此類磨損現(xiàn)象的有效辦法。如下圖5。

圖5

(2)不規(guī)則管壁的磨損是避免不了的，這是由于結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)等要素決定的。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮水冷壁管使用的耐久性，結(jié)構(gòu)的合理性等問(wèn)題，并且加強(qiáng)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行管理、燃料質(zhì)量管理等諸多因素，才能將這類磨損降到最低。

(3)由于爐膛邊角的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境造成的磨損嚴(yán)重，這些年在設(shè)計(jì)時(shí)已有所準(zhǔn)備和完善:增加爐膛四角邊緣處水冷壁管耐火材料高度，減少這部分管壁的磨損。我們檢驗(yàn)的這臺(tái)鍋爐其水冷壁在四角處就往上延長(zhǎng)耐火材料達(dá)2 000 mm左右，基本杜絕了此處的嚴(yán)重磨損。但是要指出，不管耐火材料延長(zhǎng)多少，只要不是水冷壁全部包覆耐火材料，前面提到的水冷壁與耐火材料交接處的磨損依然存在，在交接處會(huì)出現(xiàn)較深的沖刷溝槽。由于是交接處，不好測(cè)厚，只能測(cè)量溝槽深度，從而了解管壁實(shí)際磨損程度。

(4)從圖3中我們看出返料器的布置結(jié)構(gòu)及物料在爐膛中的循環(huán)流動(dòng)形式也決定了部分水冷壁管磨損的程度。從圖中我們可以看出單側(cè)返料比雙側(cè)返料方式對(duì)水冷壁磨損要嚴(yán)重，但結(jié)構(gòu)的選擇是依照設(shè)計(jì)要求選型的，這是個(gè)復(fù)雜且需多方面考慮的。

(5)其他因素:諸如燃料種類、燃燒參數(shù)、運(yùn)行情況等均對(duì)水冷壁管的磨損有一定的影響，要結(jié)合實(shí)際情況，充分分析，合理調(diào)整才能達(dá)到理想狀況。

4 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損是循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損中重要磨損之一，是受諸多因素影響和制約的。由于循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)和燃料循環(huán)特點(diǎn)決定，受熱面的磨損是這種鍋爐一大特點(diǎn)之一，是不可能完全消除的，是必然存在的。怎樣將磨損盡可能的降低，是設(shè)計(jì)人員和科研工作者一直努力的方向，也是使用者最為關(guān)心的地方，相信通過(guò)各科研人員的不懈努力及科學(xué)的運(yùn)行管理，終將使循環(huán)流化床鍋爐磨損問(wèn)題控制在一定范圍內(nèi)，達(dá)到各方面滿意的程度。

［1］李爍.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)調(diào)試運(yùn)行與檢修實(shí)用手冊(cè)，2004.

［2］林宗虎，徐通模.實(shí)用鍋爐手冊(cè)，2003.