循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損成因及對策

摘 要

摘要：探討了循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損機(jī)理。對循環(huán)流化床鍋爐爐膛水冷壁、尾部受熱面的磨損成因進(jìn)行了分析，提出了解決方案。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；受熱面；爐膛水冷壁；尾部受熱面
摘要：探討了循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損機(jī)理。對循環(huán)流化床鍋爐爐膛水冷壁、尾部受熱面的磨損成因進(jìn)行了分析，提出了解決方案。
關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；受熱面；爐膛水冷壁；尾部受熱面；磨損
Genesis and Countermeasures for Abrasion of Heating Surface in CFB Boiler
WANG Xiaoxia，CHEN Zhiwei，GAO Shaojuan
Abstract：The mechanism of abrasion of heating surface in circulating fluidized bed(CFB)boiler is discussed.The genesis for abrasion of furnace water wall and rear heating surface of CFB boiler is analyzed，and the solution seheme is put forward.
Key words：circulating tluidized bed(CFB)boiler；heating surface；furnace water wall；rear heating surface；abrasion
   循環(huán)流化床鍋爐受熱面的磨損嚴(yán)重影響了鍋爐的安全運(yùn)行，造成的直接危害是使承壓的金屬管子壁厚減薄直至爆管停爐。磨損造成鍋爐的維修費(fèi)用增加，機(jī)組利用率降低，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。因此，解決循環(huán)流化床鍋爐的磨損問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對循環(huán)流化床受熱面磨損成因及對策進(jìn)行探討。
1 磨損機(jī)理
   循環(huán)流化床爐內(nèi)床料在煙氣攜帶下沿爐膛上升，經(jīng)爐膛上部出口進(jìn)入分離器，在分離器中進(jìn)行氣固兩相分離，被分離后的煙氣經(jīng)過分離器上部出口進(jìn)入鍋爐尾部煙道，被分離出來的固體床料經(jīng)返料閥返回爐膛下部。在循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行中，含有燃料、飛灰、石灰石及其反應(yīng)物的固體床料，在爐膛-分離器-返料閥-爐膛這一封閉循環(huán)回路中不停循環(huán)流動，并在爐內(nèi)進(jìn)行高效燃燒及脫硫反應(yīng)。固體床料除在這個(gè)封閉循環(huán)回路中循環(huán)流動外，還不斷地進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。因此，在封閉循環(huán)回路中必然對接觸面產(chǎn)生嚴(yán)重磨損[1]。
    循環(huán)流化床鍋爐受熱面主要包括爐膛水冷壁、爐內(nèi)受熱面、尾部受熱面(省煤器、對流式過熱器、空氣預(yù)熱器)、外置式換熱器等。受熱面的磨損是由沖刷、沖擊和微振磨損造成的。沖刷磨損是指煙氣、固體物料的流動方向與受熱面(或管束)平行時(shí)，煙氣、固體物料沖刷受熱面而造成的磨損。沖擊磨損是指煙氣、固體物料的流動方向與受熱面(或管束)成一定角度時(shí)，煙氣、固體物料沖擊、碰撞受熱面而造成的磨損。微振磨損是指在傳熱條件下，傳熱管與支撐件之間產(chǎn)生垂直運(yùn)動而導(dǎo)致的傳熱管壁損耗現(xiàn)象。
2 爐膛水冷壁的磨損
    循環(huán)流化床鍋爐典型的“環(huán)核”流動為：床料在爐膛中心區(qū)域以上升流為主，四周水冷壁區(qū)以下降貼壁流為主。爐膛內(nèi)部有大量的固體床料在進(jìn)行循環(huán)，固體床料沿水冷壁下降時(shí)，沿鰭片溝流下的固體床料遠(yuǎn)多于沿水冷壁外弧面流下的固體床料。若鰭片內(nèi)被耐磨澆注料、焊瘤等障礙物堵塞，固體床料就會急速向障礙物兩側(cè)分開，形成對水冷壁的沖刷磨損?；蛘叻磸椀剿浔诠苌?，形成對水冷壁的沖刷磨損或沖擊磨損。最終導(dǎo)致了水冷壁管的爆管泄漏。下面探討爐膛水冷壁常見磨損部位及解決方案。
    ① 部位1
    爐膛內(nèi)密相區(qū)耐磨澆注料與水冷壁交界處水冷壁磨損。這個(gè)部位是循環(huán)流化床鍋爐中最主要的磨損部位之一。由于密相區(qū)耐磨澆注料終結(jié)部位與稀相區(qū)管壁間過渡部位有凸起，下降固體床料的貼壁流產(chǎn)生渦流，對該部位形成快速磨損。
    早期運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐在該部位磨損相當(dāng)嚴(yán)重。目前，“讓管”技術(shù)已被多家循環(huán)流化床鍋爐生產(chǎn)廠家采用，并取得了顯著效果。讓管，即把水冷壁管向爐外彎曲，在進(jìn)行耐磨澆注料搗打施工時(shí)，將耐磨澆注料打到水冷壁管彎曲的最內(nèi)側(cè)，從而防止了水冷壁磨損。改造前后水冷壁管子結(jié)構(gòu)見圖1。
 

   ② 部位2
   爐膛角落區(qū)域的水冷壁磨損。在一些已經(jīng)運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐中發(fā)現(xiàn)，爐膛角落區(qū)域水冷壁磨損比較嚴(yán)重，其原因是角落區(qū)域沿內(nèi)壁面向下流動的固體床料濃度比較高，流動狀態(tài)也易受到破壞。改進(jìn)辦法是將爐膛角落區(qū)域進(jìn)行圓滑過渡處理。
    ③ 部位3
    不規(guī)則管壁的磨損，包括穿墻管、爐墻開孔處的彎管、管壁上的焊縫等，此外還有一些爐內(nèi)的測量元件，如熱電偶等。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，即使很小尺寸的不規(guī)則幾何形狀也會造成局部的嚴(yán)重磨損。因此，提出以下改進(jìn)措施：對需要搗打耐磨澆注料的部位，應(yīng)嚴(yán)格保證施工質(zhì)量，耐磨澆注料要求打?qū)崳⒁笃交暾?，特別是角落部位不應(yīng)出現(xiàn)高低不平及凸臺。水冷壁管間、鰭片間的對接焊縫向火面應(yīng)磨平。
3 尾部受熱面磨損
    在循環(huán)流化床鍋爐中盡管采用高效分離器對煙氣進(jìn)行氣固兩相分離，但由于爐內(nèi)固體床料濃度很高，分離器未能捕集而隨煙氣進(jìn)入對流煙道的飛灰濃度仍很高。煙氣在尾部煙道中向下流動，較高的飛灰濃度加上較高的煙氣流速，常導(dǎo)致省煤器等尾部受熱面及煙道嚴(yán)重磨損。
    影響尾部受熱面磨損的因素有煙氣流速、飛灰的濃度及平均粒徑、飛灰的物理化學(xué)性質(zhì)、管子材料的性能、管壁的溫度、煙氣沖刷管束的角度、管束的排列方式等。
    磨損發(fā)生的主要部位出現(xiàn)在：對流式過熱器靠兩側(cè)墻的煙氣走廊附近1～5排的管子，處于水平煙道底部的彎頭以及個(gè)別突出在順列管束之外的管子和彎頭；省煤器蛇形管沿?zé)煔饬飨虻牡?、3兩排管子及靠兩側(cè)墻的彎頭和穿墻管；空氣預(yù)熱器煙氣進(jìn)口處。預(yù)防和減少尾部受熱面磨損的主要措施為：
    ① 降低煙氣中飛灰的濃度。飛灰濃度越大，引起的尾部受熱面磨損就越嚴(yán)重[2]。飛灰濃度取決于燃料中的灰分，我國動力鍋爐燃煤煤質(zhì)比較差，燃料的灰分較多，使得飛灰濃度很難降低，因此更應(yīng)要求采煤及運(yùn)輸過程中不再混入其他雜質(zhì)。
    提高分離器的分離效率。分離器是保證循環(huán)流化床鍋爐固體床料可靠循環(huán)的關(guān)鍵裝置之一，它將爐膛出口煙氣流攜帶的95%以上的固體床料分離出來，再通過返料閥送回爐膛進(jìn)行循環(huán)燃燒。因此，優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)，提高分離器的分離效率，可以降低煙氣中的飛灰濃度。
    ② 采用適當(dāng)?shù)臒煔饬魉佟煔饬魉賹δp影響很大，因此煙氣流速不宜過高。可在循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)增大尾部煙道截面積，使煙氣流速下降。在運(yùn)行中，降低一次風(fēng)量和風(fēng)速，可降低煙氣流速。
    ③ 盡量使煙氣的速度場均勻，避免形成煙氣走廊。應(yīng)使受熱面的橫向節(jié)距布置均勻，受熱面與爐墻之間的空隙不宜過大。
    ④ 在對流式過熱器、省煤器易發(fā)生磨損處加防磨護(hù)瓦，對管式空氣預(yù)熱器加防磨套管。
4 宏觀解決方案
    針對循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損問題，以上防磨措施較側(cè)重于鍋爐結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)。宏觀上由于影響循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損的因素較多，主要有燃料特性、床料特性、循環(huán)方式、運(yùn)行參數(shù)、受熱面結(jié)構(gòu)與布置方式等。因此提出以下幾點(diǎn)降低磨損的宏觀解決方案。
   ① 適當(dāng)降低一次風(fēng)量和風(fēng)速。在保證床壓、床溫穩(wěn)定的前提下，盡可能降低一次風(fēng)量和風(fēng)速。一次風(fēng)量和風(fēng)速降低，則煙氣流速降低。雖然煙氣流速與固體床料速度是不等的，但固體床料速度依賴煙氣流速，可以用煙氣流速作為固體床料速度的表征量。因此煙氣流速越低，固體床料速度越低，并采取措施降低流化床鍋爐尾部煙氣飛灰濃度，可改善爐膛和尾部受熱面的磨損。
   ② 爐膛設(shè)計(jì)截面積不宜偏小。在運(yùn)行總風(fēng)量一定的情況下，爐膛截面積越小，流化風(fēng)速和爐膛風(fēng)速就越大，磨損就越快。
   ③ 使用低磨損燃料、床料。從磨損角度出發(fā)，選用軟煤(褐煤)比選用硬煤(無煙煤)會減輕受熱面的磨損。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，一定爐型對應(yīng)一定的煤種，因此鍋爐運(yùn)行時(shí)應(yīng)保證人爐煤的煤質(zhì)和粒徑在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并且投用石灰石時(shí)要嚴(yán)格控制品質(zhì)和粒徑。還要特別注意去除原煤中的石塊、鐵塊等，消除磨損隱患。
    ④ 采用先進(jìn)的燃燒工藝。清華大學(xué)等提出了低床壓降循環(huán)流化床鍋爐燃燒工藝。在定態(tài)設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下，適當(dāng)降低構(gòu)成快速床的有效床存量。以大顆粒燃盡為限制條件，適當(dāng)降低構(gòu)成循環(huán)床下部鼓泡床的無效床存量。避免多余床存量引起的不必要的風(fēng)機(jī)能耗和受熱面磨損。
    ⑤ 超聲速電弧噴涂克服了傳統(tǒng)火焰噴涂對管道母材的損傷和涂層易剝落的缺點(diǎn)，對降低鍋爐管子的磨損能起到很好的作用，可帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益[3]。
5 結(jié)語
    循環(huán)流化床鍋爐受熱面防磨問題從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行各方面都應(yīng)引起高度重視，這樣才能使循環(huán)流化床鍋爐安全有效運(yùn)行，充分發(fā)揮循環(huán)流化床技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，并降低鍋爐的維修費(fèi)用，提高利用率，促進(jìn)企業(yè)更快、更好發(fā)展。
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(本文作者：王曉霞 陳志偉 高少娟 鄭州鍋爐股份有限公司 河南鄭州 450001)