循環(huán)流化床鍋爐爐膛風(fēng)帽大面積脫落原因分析及應(yīng)對措施

姜新雷

滄州旭陽化工有限公司

0 循環(huán)流化床鍋爐介紹

某公司一臺220 t/h 循環(huán)流化床鍋爐為國內(nèi)某鍋爐廠制造，于2016年6月投入運行。鍋爐為高溫高壓，采用5 000 kcal動力燃煤、床下風(fēng)室內(nèi)天然氣點火方式，啟動初期由床下兩臺天然氣點火槍加熱預(yù)裝床料，當(dāng)床溫高至480 ℃時開始投煤［1-2］。具體設(shè)計及實際運行參數(shù)見表1。

表1 鍋爐設(shè)計及運行數(shù)據(jù)表

1 風(fēng)帽設(shè)計情況

鍋爐爐膛風(fēng)帽由鍋爐廠設(shè)計，為小型鐘罩式風(fēng)帽。風(fēng)帽與風(fēng)帽管通過4點點焊形式連接，共計785套。風(fēng)帽管固定于布風(fēng)板上，尺寸φ51×5 mm，風(fēng)帽盤尺寸φ114 mm，風(fēng)帽鐘罩處厚度12 mm。風(fēng)帽上均勻布置8 個13.5 mm 的孔，風(fēng)帽孔沿水平線向下傾斜10°。 風(fēng)帽和風(fēng)帽管材質(zhì)為ZG60Cr26Ni7MnSiNRe，風(fēng)帽管底部部分埋在高溫耐火澆注料內(nèi)，澆注料厚度130 mm，在保護(hù)風(fēng)帽管不被燒壞的同時還防止床料磨損風(fēng)帽管。風(fēng)帽及風(fēng)帽管尺寸及連接形式見圖1。

圖1 風(fēng)帽及風(fēng)帽管尺寸及連接形式

2 風(fēng)帽運行過程中存在的問題

該鍋爐于 2016 年 6 月投產(chǎn)，2017 年 12 月出現(xiàn)風(fēng)帽脫落情況，當(dāng)月鍋爐平均負(fù)荷170 t/h、床溫950 ℃。2018 年4 月，風(fēng)帽開始大量脫落，此時鍋爐平均負(fù)荷達(dá)210 t/h、床溫最高時1 010 ℃，

除風(fēng)帽大量脫落外，還出現(xiàn)鍋爐局部結(jié)焦情況，以至于嚴(yán)重時導(dǎo)致了非計劃停車［3-5］。為此，每次檢修時都需對風(fēng)帽進(jìn)行批量更換，拆除的風(fēng)帽見圖2，可見風(fēng)帽管有斷裂現(xiàn)象。

圖2 風(fēng)帽管斷裂

風(fēng)帽脫落將嚴(yán)重影響鍋爐的安全運行，風(fēng)帽管脫落會引起鍋爐布風(fēng)板局部出現(xiàn)流化風(fēng)短路現(xiàn)象，導(dǎo)致床料整體流化不良，進(jìn)而導(dǎo)致更多風(fēng)帽損壞；風(fēng)帽脫落和床溫升高會形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致鍋爐局部結(jié)焦，嚴(yán)重時需停爐檢修。到2021年，因風(fēng)帽問題造成非計劃停爐2 次，給生產(chǎn)造成了很大影響。鍋爐床溫情況見圖3。

圖3 鍋爐床溫情況

3 原因分析

1)材質(zhì)選型不合理

原風(fēng)帽及風(fēng)帽管設(shè)計材質(zhì)為ZG60Cr26Ni7Mn-SiNRe，經(jīng)查詢該材質(zhì)使用的最高環(huán)境溫度為1 100 ℃，且抗磨性能一般。實際運行過程中，由于床溫測點布置在水冷壁和澆注料處，此處溫度偏低，顯示只有1 010 ℃，但實際爐膛溫度超過1 100 ℃，已達(dá)材料極限溫度，故材質(zhì)選型不合理［6］。此外，風(fēng)帽由于床料的反復(fù)沖刷造成損壞也是風(fēng)帽脫落的原因。

2)風(fēng)帽管澆注料施工質(zhì)量不合格

多次停爐檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)帽管澆注料處施工質(zhì)量不合格，風(fēng)帽管斷裂位置多位于風(fēng)帽盤底部風(fēng)帽管裸露部分，這是由于澆注料的脫落，風(fēng)帽管失去了保護(hù)，與流化床料直接接觸產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而造成風(fēng)帽管變薄直至斷裂。

3)風(fēng)帽及風(fēng)帽管安裝質(zhì)量不合格

根據(jù)鍋爐廠施工要求，風(fēng)帽及風(fēng)帽盤管要嚴(yán)密接合，要求縫隙≯0.5 mm，但實際施工過程中，由于風(fēng)帽間間隙非常小，只有155 mm，很難保證風(fēng)帽與風(fēng)帽盤管的嚴(yán)密接合，如此流化風(fēng)在風(fēng)帽盤處直接短路，造成漏風(fēng)，而漏風(fēng)又使其它風(fēng)帽的風(fēng)量減小，進(jìn)而使整個爐膛出現(xiàn)流化不均、床溫偏高現(xiàn)象，造成風(fēng)帽脫落的加?。?］。

4)床溫偏高

通過對表1中床溫設(shè)計溫度與實際運行溫度的對比，可發(fā)現(xiàn)實際運行溫度高出設(shè)計值50 ℃，嚴(yán)重偏離了設(shè)計值，此外，風(fēng)帽實際運行環(huán)境溫度也超過了風(fēng)帽材質(zhì)限制的最高溫度1 100 ℃，導(dǎo)致風(fēng)帽發(fā)生變形最后斷裂。

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5)風(fēng)帽及風(fēng)帽管連接形式不合理

根據(jù)鍋爐廠提供的設(shè)計說明，風(fēng)帽及風(fēng)帽盤是通過4 點點焊形式連接的，此種連接方式存在如下問題：由于電焊點的施工環(huán)境溫度為20 ℃，故在950 ℃的運行溫度下會由于熱態(tài)膨脹導(dǎo)致拉裂；點焊處風(fēng)帽管和風(fēng)帽接觸面積太小，微小的拉裂裂紋也會導(dǎo)致風(fēng)帽脫落［8］。

4 應(yīng)對措施

鑒于鍋爐爐膛風(fēng)帽脫落嚴(yán)重問題，公司技術(shù)團(tuán)隊與國內(nèi)鍋爐廠家進(jìn)行了多次溝通，認(rèn)為如需徹底解決該問題需更換風(fēng)帽材質(zhì)，并對風(fēng)帽進(jìn)行重新布置。由于風(fēng)帽、布風(fēng)板的拆除及重新布置工程量和投資都較大，為此，結(jié)合公司實際情況，從以下幾方面開展工作［9］：

1)提高風(fēng)帽和風(fēng)帽管材質(zhì)

經(jīng)與專業(yè)廠家溝通，風(fēng)帽和風(fēng)帽管的材料選取更為耐高溫、抗磨的ZGCr25Ni20MoW。

2)嚴(yán)控爐膛澆注料處施工質(zhì)量

將風(fēng)帽管處澆注料的驗收定為A 級質(zhì)量控制點，以杜絕澆注料脫落情況。

3)嚴(yán)控風(fēng)帽安裝質(zhì)量

增加風(fēng)帽管安裝到位驗收環(huán)節(jié)，在風(fēng)帽管安裝到位且澆注料驗收合格后再開展風(fēng)帽安裝工作；對原4 點電焊在高溫情況下極易開焊情況，將電焊改成段焊，增加焊縫長度，確保焊口適應(yīng)高溫環(huán)境。

4)降低鍋爐床溫

聯(lián)合設(shè)計單位對旋風(fēng)分離器進(jìn)口進(jìn)行了收口及中心筒改造，提高旋風(fēng)分離器分離效率，提高鍋爐返料量，達(dá)到降低鍋爐床溫的目的。

5)改造風(fēng)帽和風(fēng)帽管的連接形式

將電焊連接改為旋鈕卡扣式連接（見圖4），并增加卡扣后再點焊步驟，以解決電焊連接接合不牢固問題。

圖4 風(fēng)帽及風(fēng)帽管連接圖

2021年10月，通過公司技術(shù)團(tuán)隊的共同努力，對鍋爐進(jìn)行了上述全面提升改造，鍋爐爐膛風(fēng)帽脫落得到徹底解決，從根本上杜絕了非計劃停車的可能性。

改造后不僅解決了風(fēng)帽脫落問題，還提高了分離器分離效率，鍋爐床溫降低約50 ℃，NOx排放量由原來的300 mg/Nm3降到了150 mg/Nm3，脫硝氨水耗量降低85 L/min，相當(dāng)于節(jié)省氨水費用14.8萬元/月，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)語

流化床鍋爐爐膛風(fēng)帽為鍋爐的重要部件，出現(xiàn)問題將導(dǎo)致運行異常，因此需選擇合適的風(fēng)帽，鍋爐廠應(yīng)根據(jù)用戶實際情況，不斷修改、完善風(fēng)帽型式、材質(zhì)及安裝要求，確保鍋爐的正常運行。