循環(huán)流化床鍋爐用耐磨耐火材料研究

邊華英 王學濤 吳生慧 張夢真

摘 要：本文介紹了循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的優(yōu)越性以及CFB鍋爐爐墻的防磨耐火需求，論述了不定形耐火材料的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，談及了我司陶瓷耐火材料研究團隊的研究成果和后續(xù)研發(fā)思路。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；CFB鍋爐；耐磨耐火材料；澆注料

1 前言

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種新型燃煤技術(shù)，鍋爐內(nèi)物料具有高熱容、強摻混、低溫燃燒的特點，這種燃燒技術(shù)對燃料的適應性強，不僅可以燃用褐煤、煙煤、無煙煤以及煤矸石、造氣爐渣和石油焦等劣質(zhì)燃料，并且可以在同一臺鍋爐上同時燃用多個煤種；還可以實現(xiàn)煤的潔凈燃燒，通過添加石灰石粉或電石渣實現(xiàn)對高硫煤爐內(nèi)煙氣脫硫，有利于煤資源的綜合利用。相對于普通的煤粉爐，這種鍋爐在運行中，含有燃料煤粉、石灰石粉的床料在一次風、二次風的作用下在爐膛下部密相區(qū)沸騰燃燒，煙氣裹挾著大量固體顆粒向上流動，經(jīng)稀相區(qū)至旋風筒入口切向進入爐內(nèi)旋風分離器，粗顆粒分離后回到爐膛繼續(xù)燃燒，煙氣攜帶飛灰經(jīng)對流煙道依次沖刷過熱器、對流管束、省煤器等受熱面后經(jīng)空氣預熱器、除塵器、引風機、煙囪排入大氣[1]。物料系統(tǒng)的高速循環(huán)流動對鍋爐的相應部位產(chǎn)生嚴重磨損，容易發(fā)生因承受內(nèi)壓的金屬管子受熱面壁厚減薄造成爆管停爐事故，使鍋爐的運行成本、維修成本增加，機組利用率降低[2，3]。

2 耐磨澆注料簡介

不定形耐火材料由于具有工藝簡單、施工方便、整體性好、節(jié)能降耗的優(yōu)點，越發(fā)受到廣泛關(guān)注和認可，這也代表著一個未來的發(fā)展趨勢。目前，不定形耐火材料在一些國家快速發(fā)展，我國的不定形耐火材料產(chǎn)量占比也在逐年增加。它主要包括澆注料、可塑耐火材料、搗打料、耐火泥等種類，根據(jù)不定形耐火材料具備的一些特殊性能又有耐酸料、耐堿料、耐磨料、輕質(zhì)澆注料、免烘烤搗打料等品種。這些材料主要以澆注、振搗、噴涂、涂抹的方式進行施工建造，經(jīng)定型、養(yǎng)護、烘烤形成相應設(shè)備工位的耐火材料或防護內(nèi)襯層，對熱工設(shè)備具有耐火、耐磨、隔熱或散熱能力，這種防護能夠延長設(shè)備的工作壽命，提高設(shè)備的工作效率，降低生產(chǎn)成本，從而節(jié)能降耗。

澆注料是一種由耐火物料、骨料、粉料、基質(zhì)、結(jié)合劑制成的粒狀及粉狀松散無定型的耐火材料，在施工時加入一些水和助劑，強力攪拌后以澆注、振搗方式施工。經(jīng)過一段時間的發(fā)展，澆注料結(jié)合劑的技術(shù)已經(jīng)由最初的鋁酸鹽水泥結(jié)合劑發(fā)展到純鋁酸鈣水泥結(jié)合劑、電熔高鋁水泥結(jié)合劑、無水泥超細粉結(jié)合劑技術(shù)和氣硬性的磷酸結(jié)合劑、硫酸鋁結(jié)合劑、水玻璃結(jié)合劑技術(shù)[4]。

耐磨澆注料應用于經(jīng)受高溫高速流動的物料或氣流沖刷的部位，比如CFB鍋爐的風室、燃燒室、旋風分離器、回料管、前煙道爐頂?shù)炔课?。這些部位因為工作運行而常發(fā)生爐墻磨損和結(jié)構(gòu)層剝落現(xiàn)象，會發(fā)生灰粒平行于爐壁的平行沖刷、灰粒的斜沖擊磨損、表面正沖擊磨損，以及由于經(jīng)受各種應力（啟停爐時因溫度變化而引起的熱應力、運行時變質(zhì)層和原始層之間產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應力、機械應力、內(nèi)部氣壓誘導力等）而導致的防護結(jié)構(gòu)層剝落。對于CFB鍋爐不同部位的結(jié)構(gòu)件要采取不同的防磨措施，國內(nèi)研究和應用較多的有埋管加裝鰭片+防護瓦防磨技術(shù)[5]、衛(wèi)燃帶與水冷壁交界區(qū)域采用噴涂耐磨涂料+澆注耐火材料重疊防磨技術(shù)[3]。材料的耐磨性與其密實度具有密切的正相關(guān)性，耐磨澆注料除要求其骨料、粉料具有良好的耐磨耐火性能外，其粒度級配需形成最小空隙，并在拌合時摻加相應性能的減水劑、分散劑、促凝劑、抗裂增強劑等助劑，進行科學拌制和筑爐施工。

3 CFB鍋爐用耐磨耐火材料簡介

由于CFB鍋爐是正壓沸騰爐，物料和床料對受熱面的磨損非常嚴重[2]。一些部位的磨損強度排序：旋風筒入口處>爐內(nèi)旋風分離器區(qū)>密相區(qū)>稀相區(qū)>分離器出口煙室[1]。CFB鍋爐相應部位的防磨措施采用鑲嵌或鋪設(shè)一定厚度的非金屬耐磨層材料，如耐火磚、澆注料或可塑料。國內(nèi)早期的CFB鍋爐選用的防護材料是參照冶金、石化行業(yè)用的耐火材料，但是CFB鍋爐與冶金、石化行業(yè)對耐火材料的要求有區(qū)別，冶金、石化行業(yè)要求材料的高耐火度和高抗渣性，而CFB鍋爐要求材料具有良好的高溫耐磨性和高抗熱震穩(wěn)定性。故CFB鍋爐防護層施工時耐磨耐火材料和保溫密封材料要分別分層施工，并膠結(jié)成一體，將重質(zhì)材料和輕質(zhì)材料、定型材料和不定型材料協(xié)同施工應用，且在鍋爐運行中具有一致的熱工性能。

對于CFB鍋爐耐磨耐火材料曾經(jīng)采用的有：磷酸鹽磚及其澆注料、硅線石磚及其澆注料、碳化硅磚及其澆注料、剛玉磚及其澆注料、其他耐磨耐火磚及其澆注料，包括氮化硅結(jié)合碳化硅制品。但是，由于各種原因，有些材料的使用效果不甚理想。比如硅線石制品，雖然硅線石是一種優(yōu)質(zhì)耐火材料，硅線石磚在經(jīng)過1600℃左右的高溫燒結(jié)后耐磨耐火性能優(yōu)異，但在使用時難以達到如此高的溫度，耐磨性難以充分發(fā)揮。再比如碳化硅制品雖然耐磨性好、抵抗酸性熔渣性能良好，但易受堿性熔渣侵蝕，與石灰在525℃即開始發(fā)生反應，到1000℃時反應顯著，在800～1200℃時還易與氧化鎂、氧化銅、氧化鐵反應[4]。而在CFB鍋爐中常會加入石灰石粉或電石渣脫硫，所以碳化硅制品的應用受限。

剛玉制品雖然耐火度高、耐磨性好，但其熱震穩(wěn)定性差，而鍋爐運行中壓火、提火操作較多，高低溫變化頻繁，澆注料容易出現(xiàn)剝落，影響鍋爐的發(fā)電效率和使用壽命。磷酸在常溫下并不與酸性或中性耐火材料反應，但在一定條件下，磷酸能與一些耐火材料反應生成酸式磷酸鹽，產(chǎn)生能膠結(jié)與硬化的膠結(jié)相物質(zhì)如磷酸鋁、磷酸鋯、磷酸鉻及一些復合磷酸鹽。磷酸鹽結(jié)合劑可在500℃左右獲得較高的強度，被稱為熱硬性結(jié)合劑。磷酸鹽磚是經(jīng)過500℃低溫處理的免燒磚，在用于1200～1600℃的溫度范圍內(nèi)時其中溫強度較高[4]。

依據(jù)耐火磚和不定形耐火材料的特點，綜合不定形耐火材料整體施工性能好、無縫、結(jié)構(gòu)一致性好、節(jié)能的優(yōu)點，結(jié)合CFB鍋爐不同部位各自的工況特點加以應用，建議在鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計、防護層設(shè)計和施工時融合技術(shù)和材料進步的經(jīng)驗成果。對于受熱面防磨措施當為優(yōu)化設(shè)計，爐膛內(nèi)屏式過熱器與屏式再熱器采用膜式結(jié)構(gòu)使運行中煙氣形成垂直流動減低磨損；對于水冷壁宜采用銷釘固定的薄型耐磨耐火材料，不再敷設(shè)保溫材料層，并在密相區(qū)與稀相區(qū)交界處采取讓管設(shè)計結(jié)構(gòu)，在交界面下部的水冷壁拐角處采用水冷壁周向外彎結(jié)構(gòu)，沒有敷設(shè)耐磨耐火材料的區(qū)域的裸露的金屬管進行耐磨涂料噴涂，并設(shè)置多道防磨梁；對于分離器既要敷設(shè)防磨耐火材料，同時必須防止耐磨耐火材料的脫落造成意外的磨損，可采用結(jié)合牢固的耐磨磚襯+保溫磚設(shè)計、耐磨磚襯+保溫澆注料設(shè)計、耐磨澆注料+保溫澆注料設(shè)計；對于省煤器的防磨首先合理控制煙氣流速，其次對易發(fā)生嚴重磨損區(qū)的管子迎風面和拐彎處加防磨瓦，在施工安裝時保證管子的平齊和垂直度，避免發(fā)生短板效應[2]。

4 結(jié)語

CFB鍋爐運行中設(shè)備負荷大，防磨損在設(shè)備的設(shè)計和檢修時都要給予高度關(guān)注，選用耐磨材料的性能、耐磨材料的施工情況和烘烤制度都是筑爐操作中的關(guān)鍵質(zhì)量控制點，決定著鍋爐的安全運行和工作效率。所以既要優(yōu)選質(zhì)量性能過硬的產(chǎn)品，還要聘請技術(shù)力量雄厚、經(jīng)驗豐富的施工隊伍進行筑爐施工，并依照作業(yè)流程和設(shè)計參數(shù)進行烘爐操作以保障鍋爐的工作性能。

對于烘爐操作應遵循如下原則：（1）低溫階段，即自室溫至500℃左右階段，因筑爐完成之后輕質(zhì)保溫料約含水30%左右，耐磨耐火材料含水10%左右，通過低溫慢烘，使含水率降至3%以下?？刂粕郎厮俾蕿?0～20℃/h，降溫速率為20℃/h，并分階段長時間保溫烘烤，完成耐磨耐火材料的初步固化；（2）高、中溫階段，即自500℃左右至800℃左右，可以通過試投燃料煤加熱爐膛，升溫速率略高，使耐火材料進一步固化和燒結(jié)，機械物理性能趨于穩(wěn)定[6]。

我司與焦作安泰新型耐磨材料有限公司等合作研究了一種具有出色耐磨耐火性能的納米增韌耐磨陶瓷料，并于2015年1月通過了河南省科技廳的成果鑒定。該研究團隊在后續(xù)的研發(fā)中將重點關(guān)注新型不定形耐磨耐火材料的綠色環(huán)保性能，考慮將一些耐火制品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣進行合理高效利用，比如電熔鋯剛玉、電熔石英制品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的切磨廢渣等高價值廢棄物的綜合利用。

參考文獻

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