循環(huán)流化床鍋爐磨損機(jī)理分析及防磨研究

馬喜成

（山西省檢驗(yàn)檢測(cè)中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院），山西 太原 030012）

循環(huán)流化床鍋爐不同于傳統(tǒng)的煤粉鍋爐，它采用特殊的燃燒方式，受熱面磨損問(wèn)題比其他鍋爐嚴(yán)重，直接影響鍋爐的安全運(yùn)行。

1 循環(huán)流化床鍋爐磨損機(jī)理及特點(diǎn)

根據(jù)磨損機(jī)理，磨損可分為腐蝕磨損、沖蝕磨損、黏著磨損、疲勞磨損等。循環(huán)流化床鍋爐的磨損主要是沖蝕磨損造成的。沖蝕磨損分為兩類：一是固體顆粒運(yùn)動(dòng)方向與受熱面的夾角較?。ㄆ叫校?，這時(shí)固體顆粒產(chǎn)生刨削作用，這種磨損對(duì)受熱面造成的磨損速率隨時(shí)間變化不大。二是固體顆粒運(yùn)動(dòng)方向與受熱面的夾角較大（垂直），在其長(zhǎng)期的、反復(fù)的作用下使表面產(chǎn)生疲勞破壞，磨損速率隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。

受熱面的磨損狀況主要與物料的粒徑、濃度、硬度以及受熱面的壁溫有關(guān)。當(dāng)物料粒徑較小時(shí)，受熱面所受的沖蝕磨損也很?。划?dāng)物料粒徑增大時(shí)，所受的沖蝕磨損也隨之增大；當(dāng)粒徑大到一定程度時(shí)（臨界粒徑），沖蝕磨損不會(huì)繼續(xù)增大（見圖1）。由圖1 可知，當(dāng)粒徑小于0.1 mm 時(shí)，磨損量隨著粒徑的增大而增加，粒徑很小時(shí)對(duì)受熱面的沖蝕磨損很?。划?dāng)粒徑大于0.1 mm 時(shí)，受熱面的磨損量變化非常緩慢或者幾乎不變。

圖1 磨損與顆粒直徑

一般認(rèn)為，不同的物料硬度對(duì)磨損的影響情況也不同，當(dāng)物料硬度越接近或者高于受熱面材料硬度時(shí)，磨損情況會(huì)急劇增加。循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行一段時(shí)間后，受熱面會(huì)氧化形成一層堅(jiān)硬的氧化膜。表1 為物料硬度表（20 ℃）。由表1 可知，氧化膜的硬度遠(yuǎn)高于爐內(nèi)物料的硬度，因此受熱面上氧化膜的形成很關(guān)鍵。根據(jù)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)流化床受熱面的壁溫在400 ℃附近與磨損之間的關(guān)系變化比較明顯，變化關(guān)系見第143頁(yè)圖2。當(dāng)受熱面壁溫低于400 ℃時(shí)，由于氧化膜沒(méi)有形成，因此磨損速率較大；當(dāng)壁溫超過(guò)400 ℃并繼續(xù)增加，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，因氧化膜與受熱面金屬的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致部分氧化膜脫落，再加上高溫腐蝕等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致磨損的速率有所增加[2]。

圖2 磨損與溫度

表1 物料硬度表（20 ℃） （HV）

2 主要受熱面的磨損及原因分析

2.1 爐膛水冷壁的磨損

爐膛水冷壁是鍋爐受熱面磨損最嚴(yán)重的部件之一。根據(jù)爐膛水冷壁不同部位的磨損情況可將磨損水冷壁劃分成3 種情況。

2.1.1 爐膛下部耐火材料過(guò)渡區(qū)域水冷壁管的磨損

造成磨損的主要原因是沿爐膛水冷壁向下運(yùn)動(dòng)的固體顆粒遇到過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的凸臺(tái)改變運(yùn)動(dòng)方向，從而對(duì)水冷壁管產(chǎn)生沖刷磨損。次要原因是沿管壁向下流動(dòng)的固體顆粒與爐內(nèi)的上升氣流局部形成渦流。在沖刷和渦流的共同作用下使過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的水冷壁管產(chǎn)生局部溝槽和小坑。

2.1.2 不規(guī)則水冷壁管的磨損

不規(guī)則水冷壁管的磨損主要是因?yàn)椴灰?guī)則水冷壁改變了固體顆粒的運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)其局部流動(dòng)特性造成較大擾動(dòng)，從而對(duì)水冷壁管產(chǎn)生沖擊磨損。不規(guī)則水冷壁管包括爐墻開孔處的彎管、穿墻管、水冷壁管上的焊縫處等。根據(jù)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，即使不規(guī)則的幾何尺寸很小也會(huì)引起嚴(yán)重的磨損，因此在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中要引起重視。

2.1.3 爐膛四角區(qū)域水冷壁管的磨損

爐膛四角區(qū)域水冷壁管的磨損在循環(huán)流化床鍋爐檢修時(shí)比較常見。造成磨損的主要原因是爐膛四角區(qū)域內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)的固體顆粒較多，因此該區(qū)域內(nèi)的水冷壁管磨損較嚴(yán)重。

2.2 爐膛其他受熱面的磨損

目前大型的循環(huán)流化床鍋爐爐膛除了布置有水冷壁，還布置有屏式過(guò)熱器、再熱器、水冷蒸發(fā)屏等。由于過(guò)熱器、再熱器及蒸發(fā)屏和水冷壁同樣布置在爐膛內(nèi)，因此其磨損的機(jī)理基本相似，取決于各受熱面的結(jié)構(gòu)形式和物料的流動(dòng)特性。爐膛頂部受熱面所受的磨損位置處在高濃度、高速度煙氣流動(dòng)的必經(jīng)通道上，再加上爐頂位于上升煙氣流的轉(zhuǎn)彎處，在離心作用下，大量的固體顆粒甩向爐頂，更增大了爐頂受熱面的磨損。

2.3 尾部煙道對(duì)流受熱面的磨損

一般對(duì)流受熱面由過(guò)熱器、省煤器及空預(yù)器組成，自上而下安裝在尾部煙道，磨損常發(fā)生在省煤器兩端和空預(yù)器入口處。循環(huán)流化床鍋爐的對(duì)流受熱面位于旋風(fēng)分離器之后，雖然分離器的分離效率可以達(dá)到99%，但由于爐內(nèi)煙氣攜帶高濃度的灰分，使得經(jīng)分離器后進(jìn)入尾部煙道煙氣中的灰量絕對(duì)值依然很高。在尾部煙道中，灰分顆粒隨煙氣向下流動(dòng)，再加上重力加速度的作用，因此灰分顆粒的絕對(duì)速度是由煙氣流速和重力速度合成的。磨損速率與運(yùn)動(dòng)速度和粒徑有關(guān)，與運(yùn)動(dòng)速度呈三次方關(guān)系，與顆粒直徑呈二次方關(guān)系，計(jì)算公式為

式中：δ 為磨損速率；k 為系數(shù)；u 為運(yùn)動(dòng)速度；d為顆粒直徑。

因此在尾部煙道的設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮上述因素，合理選擇風(fēng)速，合理布置受熱面，避免對(duì)流受熱面磨損。同時(shí)為了防止低溫腐蝕，受熱面應(yīng)選擇合適的材質(zhì)[2]。

3 防磨的主要措施

3.1 爐膛水冷壁的防磨措施

爐膛衛(wèi)燃帶過(guò)渡區(qū)域內(nèi)水冷壁磨損最嚴(yán)重。防磨措施有以下3 種：一是使該區(qū)域固體顆粒的流動(dòng)特性發(fā)生改變，在水冷壁上加裝防磨梁改變固體顆粒的流動(dòng)方向。二是改變?cè)搮^(qū)域水冷壁的幾何形狀，即采用水冷壁讓管技術(shù)使耐火澆注料與上部水冷壁保持在一個(gè)平面上，固體顆粒就會(huì)沿壁面繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，從而消除該區(qū)域的磨損。三是采用表面處理技術(shù)對(duì)水冷壁管起到保護(hù)和強(qiáng)化的作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的處理技術(shù)有熱噴涂、電鍍、熱浸鍍、滲氮等[3-4]。

在施工過(guò)程中盡量保持水冷壁壁面的光滑，對(duì)于無(wú)法避免磨損的部位應(yīng)采取合適的防護(hù)措施，比如澆筑耐磨料、噴涂耐磨材料等。對(duì)于局部磨損嚴(yán)重的部位還可以采用防磨堆焊技術(shù)，使母材具有更高的耐磨性。

3.2 爐膛其他受熱面的防磨措施

這些受熱面主要指過(guò)熱器和再熱器，通常會(huì)在受熱面管屏最下部受煙氣沖刷的位置加裝防磨瓦。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該避免將爐內(nèi)受熱面的管屏布置在爐膛出口截面附近，否則會(huì)加劇管屏的磨損。

3.3 尾部煙道對(duì)流受熱面的防磨措施

常采用的措施有以下5 種。

一是對(duì)局部磨損嚴(yán)重的對(duì)流管采用厚壁管或加裝防磨套管、防磨罩。二是部分對(duì)流管采用表面處理技術(shù)，噴涂、滲氮等。三是加裝煙氣導(dǎo)向擋板，防止煙氣走偏造成局部流速過(guò)快，加劇磨損。四是對(duì)流受熱面管束的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)盡量采用順列布置。五是運(yùn)行時(shí)控制好鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，防止煙氣流速過(guò)快導(dǎo)致的磨損速率的加快。

4 結(jié)論

1） 為防止磨損，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量減少水冷壁壁面的凹凸不平，與水冷壁管的交接處應(yīng)盡量平滑過(guò)渡。在選擇煙氣流速時(shí)，要充分考慮到煙速對(duì)磨損的影響。

2） 在施工過(guò)程中，水冷壁向火側(cè)的焊縫余高要磨平，保證壁面的光滑、平整。要保持好各個(gè)對(duì)流管束間的間距，防止個(gè)別管束間距過(guò)大形成風(fēng)道，加劇磨損。

3） 在運(yùn)行時(shí)要選擇合適的煤種，調(diào)整好風(fēng)量，控制好煙氣流速，同時(shí)要監(jiān)測(cè)好爐膛溫度，防止?fàn)t膛受熱面超溫。在停爐檢修時(shí)要認(rèn)真檢查水冷壁管的磨損情況，檢查各個(gè)管屏的平整度，煙氣擋板是否脫落，對(duì)流管束的防磨瓦、防磨罩是否脫落等。