循環(huán)流化床鍋爐承壓部件磨損原因及應(yīng)對措施

陸永盛

（山西國峰煤電有限責(zé)任公司，山西呂梁 032200）

循環(huán)流化床鍋爐具有燃料選擇性低、清潔性高、燃燒效率佳的優(yōu)點(diǎn)，不但可以燃燒優(yōu)質(zhì)的精煤，還可以燃燒煤矸石等低質(zhì)燃料，因此被廣泛應(yīng)用在熱電廠中。但由于其循環(huán)機(jī)理的限制，在進(jìn)行劣質(zhì)燃料燃燒時，會對鍋爐的承壓部件造成磨損，從而影響其功能的正常運(yùn)行。據(jù)不完全統(tǒng)計，由于磨損而造成停爐事故的比例超過50%，因此，對循環(huán)流化床的防磨改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 循環(huán)流化床鍋爐概念及磨損機(jī)理

1.1 循環(huán)流化床鍋爐的概念

目前，循環(huán)流化床鍋爐采用的是基于氣-固兩相理論下衍生出的流態(tài)化燃燒技術(shù)，為目前最清潔的量產(chǎn)化燃燒技術(shù)，簡稱CFB。相比與煤粉爐和燃?xì)鉅t，其固體物料密度極高，如表1所示。在進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐前，固體燃料會被破碎成直徑小于8 mm 的小顆粒，通過注入空氣，將燃料顆粒流動化，就可以將燃料遍布整個鍋爐，再輔以二次送風(fēng)，就可以實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)的充分燃燒。而流態(tài)化的定義為當(dāng)流體經(jīng)過固體顆粒時，固體顆粒運(yùn)動的劇烈程度隨著流速的增加而增加，當(dāng)顆粒之間的相互摩擦力與自重之和與流體向上的力相等時，顆粒的運(yùn)動就不再受到約束，形成一種類流體的狀態(tài)[1]。

表1 不同鍋爐及位置下典型固體物料密度及煙速

1.2 循環(huán)流化床鍋爐的磨損機(jī)理

1.2.1 物料運(yùn)動速度的影響

為了有效提高燃燒效率，循環(huán)流化床鍋爐依靠數(shù)數(shù)個大循環(huán)以及數(shù)千個小循環(huán)來實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。通過沿著高度方向上將爐子切割成n個截面，分析不同截面位置的固體顆粒的直徑和濃度，發(fā)現(xiàn)這兩種要素都與高度成反比，這也符合摩擦過程和燃燒過程的機(jī)理。而對于固體物料而言，其剛投入鍋爐就立即成為流化態(tài)，當(dāng)固體顆粒的綜合摩擦力和重力之和小于氣流向上的力時，粒子會有向氣流較小位置飄動的趨勢，而外圍的氣流往往較小，在漂移向外圍的過程中，顆粒與水冷管的外表面發(fā)生滑動，形成磨損[2]。

1.2.2 燃煤的影響

對于鍋爐而言，隨著高度的增加，固體顆粒的密度減小，同時直徑也越小，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，對于高熱值的煤而言，可以形成尺寸更均勻、分級更顯著的煤灰；而對于低熱值的煤，可磨系數(shù)一般較小，同時含有較多的脈石，會形成顆粒較大的煤灰，對鍋爐的受熱面造成更大的磨損。因此，煤的質(zhì)量對于磨損情況也具有較大的影響。

2 循環(huán)流化床鍋爐受壓部位磨損的原因

在經(jīng)過長時間的運(yùn)行后，循環(huán)流化床鍋爐部件會形成較為嚴(yán)重的磨損。經(jīng)過實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，循環(huán)流化床鍋爐磨損相對嚴(yán)重的位置包括爐膛水冷壁、爐內(nèi)受熱面、省煤器、空氣預(yù)熱器以及耐火材料層，具體表現(xiàn)如下。

2.1 爐膛水冷壁的磨損

作為承壓部件中磨損最為嚴(yán)重且在鍋爐結(jié)構(gòu)中作用顯著的部位，水冷管壁的磨損問題必須予以重視。水冷管壁的磨損主要集中在四角區(qū)域、與衛(wèi)燃段的過渡段以及其他不規(guī)則區(qū)域這3個位置。

爐膛水冷壁管與其下部的耐火材料的過渡交接區(qū)域存在著較大的磨損，其具體形式如圖1所示。而對于爐膛四角區(qū)域的磨損主要是由于大量的固體顆粒會沿著壁面滑動，在高密度、高速率的摩擦下，管壁就會出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損。對于管壁與衛(wèi)燃段的過渡區(qū)域的磨損成因主要有二：①在過渡段內(nèi)，存在著向上運(yùn)動及沿壁面滑動下流這兩種趨勢的固體顆粒，兩者在該區(qū)段會發(fā)生匯流，從而形成局部的渦流，導(dǎo)致該區(qū)域的磨損加劇；②下落的固體顆粒在過渡區(qū)域內(nèi)流動的方向會被擾動，對管壁形成沖刷。而對于第三種是在不規(guī)則區(qū)域產(chǎn)生的磨損，主要包括各焊縫位置、爐墻的彎管處、穿墻管位置以及熱電偶等，其主要由于管壁結(jié)構(gòu)的不規(guī)格引起局部渦流所致[3]。

圖1 水冷管壁與耐火材料過渡區(qū)的磨損形式

2.2 爐內(nèi)受熱面的磨損

循環(huán)流化床鍋爐的過熱器和過熱器管屏是爐內(nèi)的主要受熱面，其磨損的原因與這兩個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性以及固體顆粒物質(zhì)的流動特性相關(guān)。

作為煙氣的必經(jīng)之地，爐頂受熱面受到煤灰顆粒的撞擊頻率最大，尤其對于前幾次的循環(huán)，高速率、高濃度的大顆粒煤灰對受熱面的撞擊更為劇烈。此外，當(dāng)氣固流離開弧形的爐膛位置時，大顆粒物質(zhì)會在離心力的作用下高速向爐頂甩去，進(jìn)一步加劇了磨損。根據(jù)上述的分析可知，爐頂受熱面的磨損程度與爐膛的高度呈負(fù)相關(guān)，因此，只需要增加鍋爐的容量從而提高爐膛的高度就可以降低頂部受熱面的磨損。同時，還可以在設(shè)計時拉長爐頂與水平煙道的距離。

2.3 耐火材料層的磨損

CFB 的耐火材料層的磨損位置包括燃燒室水冷屏、水冷壁表面、分離器煙道以及對流煙道內(nèi)表面等，其磨損原因主要包括以下3種：①由于溫度的循環(huán)波動，導(dǎo)致材料頻繁熱脹冷縮，同時在機(jī)械應(yīng)力以及熱沖擊的外部作用下，耐火材料會形成應(yīng)力集中，最終形成裂縫甚至出現(xiàn)剝落的情況；②固體顆粒物料反復(fù)的沖刷耐火材料，最終對耐火材料層造成不可恢復(fù)的損壞；③在經(jīng)過長時間的運(yùn)行后，耐火材料本身的物性發(fā)生了變化，造成該層的破壞。此外，對于分布在對流煙道兩側(cè)的空氣預(yù)熱器也會由于旋風(fēng)分離器的作用而造成進(jìn)口處的磨損。

3 安裝質(zhì)量對承壓部件磨損的影響

在焊接安裝水冷壁管時，如果無法嚴(yán)格控制焊接的質(zhì)量，就會對管壁的平整度造成影響，更有甚者會在表面殘留較多的焊渣，這就導(dǎo)致在后續(xù)運(yùn)行過程中更容易出現(xiàn)壁管的磨損。在安裝時，為了保證焊口位置的一致性，必須在鍋爐的中上位置預(yù)留焊口，并且這些焊口的高度必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。在安裝時，由于部分作業(yè)人員未按照施工規(guī)定合理設(shè)置坡口，就容易導(dǎo)致壁管的水平度差異超標(biāo)，同時還存在著水冷壁管焊接未完全穩(wěn)固的情況下就進(jìn)行組合上架的情況，這就容易導(dǎo)致整體的排布不順，進(jìn)一步加劇水冷壁管的磨損。而在進(jìn)行蛇形管的安裝（如省煤器等）時，安裝作業(yè)人員并未進(jìn)行管位的固定位置確認(rèn)就進(jìn)行安裝，這就容易造成后續(xù)的安裝異常，如同一區(qū)的管束的進(jìn)出口間隙差異大，而間隙不均勻的位置在受到固體顆粒的撞擊時會受到更加嚴(yán)重的磨損。此外，由于缺少科學(xué)的安裝管控，甚至可能會出現(xiàn)管道錯位的情況，直接導(dǎo)致迎火面的劇烈磨損，甚至出現(xiàn)泄漏的風(fēng)險[4]。

4 循環(huán)流化床鍋爐的防磨措施

4.1 燃燒室底部密相區(qū)

燃燒室底部密相區(qū)是固體煤顆粒、風(fēng)以及煤灰進(jìn)行強(qiáng)烈混合的位置，固體煤顆粒的流動會受到巨大的擾動，導(dǎo)致出現(xiàn)強(qiáng)烈的渦流。為了有效降低固體煤顆粒的撞擊對水冷壁管造成的磨損，可以對密相區(qū)的所有水冷管壁進(jìn)行改造，將銷釘均勻地焊接在其內(nèi)表面上，并在其表面涂覆一層高強(qiáng)度的耐火涂料，在經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，其抗壓強(qiáng)度會遠(yuǎn)大于固體煤顆粒，從而達(dá)到防磨的作用。

4.2 爐膛與燃燒室的結(jié)合處

在循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行過程中，其膜式壁內(nèi)側(cè)會形成一層貼壁灰流，對膜式壁造成縱向的沖刷從而造成局部磨損，這種局部磨損極易造成壁管的泄漏，因此，必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施來遏制這種影響。在設(shè)計中，可以采用低流化風(fēng)速以及彎管避讓結(jié)構(gòu)來降低結(jié)合處的渦流以降低這種磨損。此外，還可以采用在膜式壁內(nèi)側(cè)堆焊一定厚度的耐磨金屬來提高該區(qū)域的耐磨性，一般選用100S-G 級別以上的焊接材料。

4.3 回料閥、旋風(fēng)分離器、煙道口的防磨

為了提高回料閥、旋風(fēng)分離器、煙道口的耐磨性，可以采用耐火澆筑材料和耐火磚結(jié)合涂覆的方式進(jìn)行改善。對于旋風(fēng)分離器，可采用水冷料結(jié)構(gòu)并結(jié)合高密度的銷釘來進(jìn)行優(yōu)化改造。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)形成多種成熟的耐磨技術(shù)方案。如某電廠分離器的爐墻結(jié)構(gòu)：分離器的每塊耐火材料均采用Y型鉚釘焊接固定在護(hù)板上，同時料塊之間采用S 型縫交接，并在縫內(nèi)嵌入填充硅酸鋁纖維的耐熱鋼網(wǎng)。這一結(jié)構(gòu)是基于美國公司技術(shù)方案的基礎(chǔ)上改良而來，并已成功運(yùn)用在東鍋、濟(jì)鍋以及哈鍋上，具有性能穩(wěn)定可靠、耐磨性強(qiáng)、后期維護(hù)便利的特點(diǎn)，具有極高的推廣價值。

4.4 水冷壁、過熱器以及管屏的防磨措施

對于水冷壁管的防磨，仍可采用密焊銷釘加澆筑耐火耐磨材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行，尤其對于回料口、彎管以及二次風(fēng)口的位置。而對于屏式過熱器而言，其一般橫向安裝于高密度顆粒區(qū)。為了減少其磨損，從布局上可以將其布置方式改為垂直布置，煙氣的沖刷方向變?yōu)榭v向沖刷，同時，在傾斜段及穿墻段則采用澆注耐磨料并均勻密布銷釘進(jìn)行固定的方案來避免出現(xiàn)爆管情況。而對于位于尾部的過熱器管束而言，則需要采用順序布置的結(jié)構(gòu)形式，同時在前方設(shè)置均流板來形成煙氣走廊，然后在走廊正對的管束上設(shè)置防磨蓋板，如圖2所示。防磨材料由流管的煙氣溫度所決定，一般高溫條件下，更推薦選用20G 鋼以及1Cr18Ni9Ti材料，厚度控制在2 mm 左右。此外，在尾部受熱面以及省煤器彎頭處也可以通過加裝防磨蓋板來實(shí)現(xiàn)防磨。

圖2 金屬防磨蓋板結(jié)構(gòu)示意

4.5 日常運(yùn)行過程的注意事項

4.5.1 合理控制鍋爐參數(shù)

由循環(huán)流化床鍋爐的原理可知，風(fēng)量會直接影響到鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)量過小時，鍋爐的熱效率會降低，而過大時則會導(dǎo)致磨損加劇。因此必須控制好爐內(nèi)的風(fēng)量。目前，業(yè)內(nèi)推薦值為略大于最小流化空氣量。此外，雖然循環(huán)流化床對煤的選擇性低，但也需要對煤的質(zhì)量進(jìn)行控制，如粒度級配、含水率、灰分含量等。對于硅鋁含量較高的物料，需要減少煤泥的摻入，以達(dá)到減緩磨損的目的，從而保證鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行。

4.5.2 提高人員的操作水平

在循環(huán)流化鍋爐的安裝過程中，部分作業(yè)人員未按照規(guī)范進(jìn)行安裝，導(dǎo)致壁管之間的間隙不均勻，對于后期設(shè)備的防磨損具有不利的影響，因此，必須規(guī)范人員的作業(yè)過程，保證安裝質(zhì)量。同時，在運(yùn)行過程中，也存在人員鍋爐維保意識不強(qiáng)的問題，如在設(shè)備故障時，為了進(jìn)行維修，部分作業(yè)人員會采用強(qiáng)制冷卻的方法來快速降溫，由于各個部件的熱膨脹系數(shù)均有差異，就會造成磨損的加劇。此外，在進(jìn)行鍋爐的啟動作業(yè)時，作業(yè)人員采用快速點(diǎn)火的操作方法，導(dǎo)致局部的爆燃，極易造成鍋爐壁及焊縫的撕裂。因此，必須保證鍋爐啟動的平穩(wěn)性，讓各部分均膨脹到位后才能進(jìn)行進(jìn)一步的操作。

5 結(jié)語

在綠色發(fā)展理念下，火力發(fā)電也朝著更清潔、更綠色的方向發(fā)展，而循環(huán)流化床燃燒技術(shù)則是一大方向。提高鍋爐的耐磨性，對易磨損位置進(jìn)行有針對性性的處理，對于鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義，也對環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。