延長循環(huán)流化床鍋爐壽命的改進(jìn)設(shè)計

李志強

（陽泉煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030006）

引言

近年來，隨著國家對環(huán)保要求越來越高，對各行業(yè)各領(lǐng)域的設(shè)備環(huán)保性能提出了更高的要求。鍋爐作為供暖、鋼鐵等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其在燃燒煤炭過程中會產(chǎn)生大量的有害氣體，嚴(yán)重威脅著周邊居民的居住環(huán)境。在實際生產(chǎn)過程中除了采用先進(jìn)的排放技術(shù)減少污染外，還可采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)減少有害氣體的產(chǎn)生[1]。循環(huán)流化床技術(shù)作為當(dāng)前新一代潔凈燃燒煤炭技術(shù)，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，尤其已成功應(yīng)用于鍋爐中。

循環(huán)流化床鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)對煤炭的多次循環(huán)燃燒，延長煤炭在爐膛內(nèi)停留的時間，具有較強的燃燒效率。此外，循環(huán)流化床鍋爐具有燃燒劣質(zhì)燃料、良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能等優(yōu)勢[2]。為進(jìn)一步提升循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率及使用壽命，本文將著重對其在實際生產(chǎn)過程中存在的問題進(jìn)行改造。

1 循環(huán)流化床鍋爐存在的問題

由于循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計初期存在弊端，導(dǎo)致其在實際生產(chǎn)過程中存在壽命不滿足要求的問題。盡管，循環(huán)流化床鍋爐在使用過程中均會出現(xiàn)不同程度的磨損。經(jīng)統(tǒng)計可知，常見的循環(huán)流化床鍋爐的磨損具體可歸納為以下幾點：

1）循環(huán)流化床鍋爐的中心筒出現(xiàn)變形、串漏、脫落以及歪斜。

2）循環(huán)流化床鍋爐的風(fēng)帽存在漏渣的現(xiàn)象，且風(fēng)帽的使用周期短。

3）循環(huán)流化床鍋爐的水冷壁被磨損。但是，由于鍋爐的熱負(fù)荷小，水冷壁被磨損的情況相對較輕。

4）循環(huán)流化床鍋爐爐膛錐段上部分出現(xiàn)磨損。當(dāng)設(shè)備在高料層并以較大風(fēng)速運行時該區(qū)域磨損相對嚴(yán)重；

5）此外，在爐膛出口、兩側(cè)墻水冷壁管迎氣流方向存在單向沖刷磨損、爐膛四角及頂部均存在不同程度的磨損[3]。

2 循環(huán)流化床鍋爐磨損原因

初步原因分析：導(dǎo)致循環(huán)流化床上述磨損現(xiàn)象主要與鍋爐爐膛的結(jié)構(gòu)、煙速、燃料種類以及進(jìn)入爐膛內(nèi)燃料粒度的直徑大小相關(guān)。

定性分析：鍋爐受熱面的磨損量如公式（1）所示：

式中：E為鍋爐受熱面的磨損量；f1為鍋爐燃料灰粒特性系數(shù)；f2為不同布置型式及沖刷方式系數(shù)；C為燃料飛灰的濃度；V為燃料燃燒產(chǎn)生煙氣的速度。

如公式（1）所示，鍋爐受熱面的磨損量受燃料燃燒所產(chǎn)生煙氣速度的影響因素較大。因此，除了簡單控制灰粒特性系數(shù)、不同布置型式及沖刷方式系數(shù)以及飛灰濃度外，可通過控制煙氣的速度減輕對鍋爐受熱面的磨損。

此外，鍋爐受熱面的磨損還與燃料固體粒子的夾角相關(guān)[4]。經(jīng)研究可知，鍋爐表面磨損量與固體粒子夾角的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 鍋爐表面磨損量與固體粒子夾角關(guān)系

如圖1 所示，當(dāng)燃料固體粒子與鍋爐表面的夾角為20°時，鍋爐表面的磨損最為嚴(yán)重。

3 循環(huán)流化床鍋爐的改進(jìn)設(shè)計

經(jīng)分析，循環(huán)流化床鍋爐容易磨損的位置包括有中心筒、風(fēng)帽、爐膛錐段上部區(qū)域、在爐膛出口、兩側(cè)墻水冷壁管迎氣流方向以及爐膛四角和爐頂?shù)萚5]。本文將對上述位置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

3.1 中心筒的改進(jìn)設(shè)計

1）采用瑞典進(jìn)口的310S 材料替代原先材質(zhì)，該材料能夠確保中心筒在高溫條件下的穩(wěn)定性，進(jìn)而減少其在高溫環(huán)境下的變形量；

2）將原中心筒的上粗下細(xì)的結(jié)構(gòu)（上部直徑為2 000 mm，下部直徑為1 500 mm）改進(jìn)為上部直徑為1 500 mm、下部直徑為1 300 mm，中間采用大小頭過渡的方式。改造后中心筒的分離效率得到很大程度的提升。此外，將原中心筒的三道單環(huán)防變形結(jié)構(gòu)改進(jìn)為三道槽鋼結(jié)構(gòu)，并為其配置24 塊板筋。

3）將中心筒采用吊裝的方式安裝。采用8 根槽鋼托起中心筒，要求中心筒與槽鋼之間預(yù)留10 mm的膨脹縫，另一端與護(hù)板焊接的方式安裝。

3.2 風(fēng)帽的改進(jìn)設(shè)計

目前，公司與循環(huán)流化床鍋爐配套使用的風(fēng)帽為新型節(jié)能風(fēng)帽。該風(fēng)帽的直徑為8～13 mm，安裝密度為35 個/m2。針對當(dāng)前風(fēng)帽磨損的原因，采用以下步驟對其進(jìn)行改造：將原風(fēng)帽拆卸，露出布風(fēng)板；將布風(fēng)板原先的開口進(jìn)行均勻封堵，并將未封堵開口的尺寸由原來直徑為25 mm 擴(kuò)大為40 mm。要求未封堵開口呈現(xiàn)等腰三角形的布置；將風(fēng)帽安裝、焊接于剩余開口上；在底座增設(shè)鐘罩式風(fēng)帽。此外，風(fēng)帽除采取上述步驟改造后，將渣管的材質(zhì)替代為鑄耐熱合金鋼。

3.3 爐膛的改進(jìn)設(shè)計

1）針對循環(huán)流化床鍋爐爐膛四角和爐頂磨損的問題，可采用對關(guān)鍵位置進(jìn)行噴焊或打防磨澆筑料的方式增強其耐磨特性。但是，經(jīng)實踐表明：對關(guān)鍵位置噴焊處理后其使用壽命僅延長為90 d。因此，可采用打防磨澆筑料的方式對循環(huán)流化床鍋爐爐膛的四角和爐頂進(jìn)行強化設(shè)計。

2）針對爐膛錐段上部區(qū)域磨損嚴(yán)重的問題，可采用讓管結(jié)構(gòu)的方式。若現(xiàn)場無采用讓管結(jié)構(gòu)的條件，可在鍋爐爐膛增加阻流梳型內(nèi)梁。若現(xiàn)場已采用讓管結(jié)構(gòu)后仍存在爐膛錐段上部區(qū)域磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，需根據(jù)實際情況對鍋爐的運行方式進(jìn)行調(diào)整。

3）針對鍋爐爐膛出口、兩側(cè)墻水冷壁管迎氣流方向的單向沖刷磨損嚴(yán)重的問題，考慮是由于布風(fēng)板分布不均勻?qū)е露物L(fēng)風(fēng)速偏差而出現(xiàn)的。因此，除了針對風(fēng)帽改進(jìn)時已對布風(fēng)板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計外，還需在水冷壁鰭片上豎向焊接阻流片的方式避免對水冷壁的磨損。其中，阻流片所選用的材質(zhì)為不銹鋼材料，且要求阻流片應(yīng)高于水冷壁管。

4 改造效果

1）中心筒改造后，鍋爐的負(fù)荷得到明顯提升，且設(shè)備運行更加穩(wěn)定，使用周期延長為三年，直接降低了維修成本；

2）風(fēng)帽改進(jìn)后，從一定程度上降低了作業(yè)人員的勞動強度，達(dá)到了節(jié)能生產(chǎn)的目的，且改造后風(fēng)帽的壽命延長為三年，同樣降低了維修成本；

3）針對爐膛內(nèi)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行改造后，在試運行期間水冷壁、爐頂以及爐膛四角的磨損量幾乎可以忽略不計。