循环流化床锅炉省煤器磨损原因分析及解决措施

第 6期 2 0 1 0年 1 1月 锅炉制造 BOI LER MANUFACTURI NG NO 6 NO V 2 01 0 文章编号 ： C N 2 31 2 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 0 7 0 4 循环流化床锅炉省煤器磨损原 因 分析及解决措施 林 伟， 龚 斌， 王宗勇， 冯 颖 ( 沈阳化工学院机械学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 ) 摘要： 分析一台2 2 0 t h 循环流化床锅炉省煤器磨损原因， 主要是省煤器区烟气流速偏高、 烟气中颗粒浓度 偏高、 烟气流道流通截面的不均匀性对省煤器管的影响， 并提出了相应的解决措施： 减少省煤器管列数， 增大 换热管直径 ， 扩大管间距 ， 增加烟道深度 ； 在碎煤机 前加筛选装置 ； 改用灰份含量 3 8 的煤 ； 增 大旋 风分离 器 排气管插入深度 ； 更换新省煤器、 外墙板； 在省煤器的全部列管弯头上安装防磨护瓦 经改造后省煤器未发 生因磨 损问题引起 的爆管情况 。 关键词： 循环流化床锅炉； 省煤器； 磨损 ； 解决措施 中图分类号： T K 2 2 3 3 3 文献标识码 ： A The Re a s o n An a l y s i s a n d o n Ab r a s i o n o f CFB M o d i fic a t i o n M e a s u r e s Bo i l e r Ec o n o mi z e r Li n We i ， Go Bi n， Wa n g Zo n g yo n g， Y i n g ( S h e n y a n g I n s t i t u t e o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W e a na l y z e d t h e r e a s o n o n a b r a s i o n o f a 2 2 0t h CFB bo i l e r e c o n o mi z e rI t wa s ma i n l y c a u s e d b y t h e s e f o l l o wi n g f a c t s ： t h e h i g h e r flo w s p e e d o f flu e g a s i n e c o n o mi z e r， hi g h e r pa r t i c l e c o n c e n t r a t i o n i n fl ue g a s ， t h e flo w a c r o s s wi t h d i f f e r e n t s i z e i n flu e g a s p a s s Th e n t h e r e l a t e d me a s u r e s we r e ma d e ： we r e d u c e d t h e t ub e a r r a y s a n d e n l a r g e d t he t u be d i a me t e r a n d t h e s p a c i n g o f t h e e c o n o mi z e r ， d e e p e n e d t h e fl u e g a s p a s s ， mo u n t e d a s c r e e n u n i t a t t h e i n l e t o f c o a l c r us he r ， a d o p t e d c o a l o f a s h c o n t e n t l e s s t h a n 3 8 ， i n c r e a s e d t h e i n s e r t i n g d e p t h o f c y c l o ne v e n t t u b e， r e p l a c e d t h e n e w e - c o n o mi z e r a n d wa l l p l a t e， a d d e d a n t iwe a r i n g t i l e s a t e l b o ws o f a l l t h e t u b e s Af t e r mo d i fic a t i o n， t h e e c o n o mi z e r h a s b e e n i n c o n t i n u o u s o p e r a t i o n w i t h o u t t u b e rup t u r e b e c a u s e o f a b r a t i o n p r o b l e m Ke y wor d s： CFB b o i l e r ； e c o n o mi z e r ； a b r a s i o n； mo d i fic a t i o n me a s u r e s 0 引 言 循环流化床锅炉 ( 简称 C F B锅 炉) 作为高效 环保的燃煤技术近些年来发展很快 ， 它有对煤种 的适应性好 、 燃烧效率高、 负荷调整幅度大、 环保 效益好等优点。但与常规锅炉相 比， 因其炉内物 料浓度要高出几十倍到上百倍 ， 尾部烟道的烟气 流速快 ， 流化床锅炉的磨损要 比其它类型锅炉严 重得多 ， 因此 ， 循环流化床锅炉的磨损问题 ， 一直 是困扰流化床锅炉经济运行和进一步发展的关键 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 91 4 作者简介 ： 林伟( 1 9 7 1一) ， 女， 辽宁大连人 ， 高工 ， 主要从事设备 管理 与维护。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 锅炉制造 总第 2 2 4期 问题 。 某公司一台 2 2 0 t h循 环流化 床锅 炉， 主要 热力参数为： 额定蒸发量 2 2 0 t h ， 饱和蒸汽压力 1 4 2 M P a ， 饱 和蒸汽温度 3 3 8， 过热蒸汽压力 1 2 5 M P a ， 过 热 蒸 汽 温 度 5 4 0 ， 给 水 温 度 2 2 0 o C， 排烟温度 1 4 5， 燃煤消耗量 1 0 2 k g s 。 该 台锅炉 自投入运行后 的五年时间 内， 仅仅 因为 省煤器磨损泄露就停炉 2 0多次 ， 严重影响了装置 的安全稳定运行 ， 大大降低了公司的经济效益 。 1 磨损原 因分析 对于循环流化床锅炉受热面的磨损主要是冲 蚀磨损 ， 冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定 的 速度和角度对材料表面进行 冲击所造成 的磨损。 冲蚀磨损又分为冲刷磨损和撞击磨损。冲刷磨损 是颗粒相对固体表面 的冲击角较小 ， 甚至接近平 行 ， 颗粒与固体表面相切的分速度使它沿物体表 面滑动 ， 而与固体表面相垂直的分速度使它楔入 被冲击的物体 内， 两个分速度合成 的效果 即起到 刨削作用 。撞击磨损是颗粒相对固体表面冲击角 较大或接近垂直， 以一定 的运动速度撞击 固体表 面使其产生微小的塑性变形或显微裂纹 ， 在长期 的大量的颗粒反复撞击下， 逐渐使塑性变形层整 体脱落而形成 的磨损 。磨损与固体物料的浓度 、 速度、 颗粒 的特性和流道的几何形状有关 ， 本台循 环流化床锅炉受热面的磨损原因主要有以下三个 方面。 1 1 省煤器区烟气流速偏高对省煤器磨损的影 响 循环流化床锅炉受热面烟气流速的选择受很 多因素的限制 ， 从对流受热面积和加强传热 以节 省设备投资方面考虑 ， 烟气流速不能太低 ， 一般都 要超过 5 6 m s ， 但烟气 流速过高， 又会 造成受 热面的磨损。 在影响受热面磨损 的多个 因素 中， 烟气流速 对磨损量的影响最大 ， 冲蚀量 E与烟气流速 u 之 间的关系 ： E o c U ： ， 在烟气速度 l 0 2 0 m s 的范围 内， n= 3 0 3 5 ， 浙江大学 的实验结果是当烟气 中灰的平均直径 d = 2 0 0 m时 n=3 1 5 。该公 司空气预热器后沉降飞灰的灰样分析结果是平均 粒度为 2 0 4 tx m， 则冲蚀量 E。 c u 3 。本台省煤器 处烟气流通 面积为 1 4 7 3 m 。 ， 省煤器的烟气平均 流速 u =1 5 2 1 m s ， 和正常的烟气流速相 比， 省 煤器区域的烟气流速 明显偏高 ， 是引起省煤器管 磨损的一个原因。 1 2 省煤器区颗粒浓度偏高对省煤器磨 损的影 响 1 2 1 给煤煤质对尾部烟道颗粒浓度的影响 锅炉设计煤种为烟煤， 热值为 1 6 4 5 1 k J k g ， 灰份为 3 7 3 ， 可燃基 挥发份为 3 5 7 ， 硫份为 0 5 2 。而该公 司之前使用的入炉煤质比设计煤 种差 ， 最差的煤质热值 只有 6 3 8 8 k J k g ， 灰份含 量通常在 3 74 5 之 间， 灰分含量 明显偏高， 必 然导致锅炉尾部烟道处颗粒浓度偏高 ， 从而使尾 部受热面的磨损加剧。 给煤系统设计不合理， 碎煤机前无筛分装置 ， 使已经符合 08 m m入炉条件的燃煤又经过了 一 次破碎 ， 造成小煤粒更细、 大煤粒难破碎 ， 致使 床温偏高( 该锅炉床温长期在 9 3 0 9 7 0 ， 比设 计值 8 7 0 o C高很多 ) 。燃煤颗粒大小不均 ， 燃煤 粒径小于 2 m m的 占煤总量 5 2 3 8 ， 大于 8 m m 的占煤 总量 1 6 3 9 ， 二者合计 6 8 7 7 ， 粒径符 合要求的燃煤 比例太少 ， 小颗粒燃煤 比重过大， 由 于旋风分离器的分离效率不足 ， 造成尾部烟道的 飞灰浓度大大超过设计值 ， 一些未燃尽 的煤颗粒 随飞灰大量进入尾部烟道继续燃烧 ， 其产生的辐 射热被尾部受热面过量 吸收， 导致尾部受热面经 常超温运行 ， 一般超温 1 5 2 0， 超温情况 比较 明显 。 1 2 2旋风 分 离器分 离效 率偏 低 对烟 气颗 粒 浓 度 的影响 在燃料和受热面布置结构一定的条件下 ， 烟 气中飞灰浓度的高低对省煤器磨损影响很大。本 台分离器下降管的回料粒径小于 1 0 0 m的粒子 偏少 ， 空气预热器后沉降灰的粒子直径中 1 0 0 2 8 0 Ix m的份额 占 8 0 ， 这说明分离器分离效果 明显偏低， 很多小颗粒没有分离下来 ， 部分大颗粒 被气流携带出分离器而进入尾部烟道 ， 导致实际 进入尾部的飞灰量 占总灰量的 6 0 以上 ， 烟气 中 的飞灰浓度可达 1 9 2 g m ， 使 省煤器 的磨损程 度要大一倍以上 。 1 2 3影响旋风分 离器效率的因素 1 ) 旋风分离器入 口切向烟气速度对分离效 率的影响。本 台锅炉采 用高温绝热旋风分离器 ( 9 1 0 ) ， 从分离器分离理论可知 ， 分离器的分离 效率受烟气流速 的影响很大 ， 烟速越高其 中的粒 子的离心力就越大 ， 其分离效率就越高 ， 但过高则 气流湍流流度增加使粒子反 弹加剧 ， 易产生二次 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6期 林伟 ， 等： 循环流化床锅炉省煤器磨损原因分析及解决措施 9 夹带 ； 而且由于碰撞 、 摩擦的加剧 ， 使 已形成 的粒 子团破碎或使大颗粒变成细颗粒 ， 也会使扬析成 分增多， 从而降低了分离器的分离效率。因此， 对 旋风分离器而言 ， 对于某一特定的颗粒 ， 通常存在 一 个最佳的切向人 口流速 ， 对高温旋风分离器 ， 最 佳的人 口流速一般为 1 52 5 m s ， 本台分离器的 人 口实 际烟气流速 为 3 1 3 7 m s ， 与理论值相 比 明显偏高， 使分离器的分离效率有所降低。 2 ) 旋风分离器人 口宽度及高宽 比对分离效率 的影响。研究证明， 旋风分离器人 口宽度等于分离 器直径与排气管直径之差的一半 ， 且入 口高宽比为 2 3时旋风分离器的效率最高。而本台分离器直 径为 5 1 8 2 mm， 排气管直径为 2 3 3 2 m m， 人 口高 度为 2 9 0 2 m m， 人 口宽度为 1 8 2 2 m m， 按理论要 求计算 ， 人 口宽度应为 1 4 2 5 mm， 实 际值 比最佳 值大 3 9 7 m m， 而高宽 比为 1 6 ， 低 于最佳值 范围 的下 限。 3 ) 排气 管插 入深度 和直径 对分离效率和 阻 力有显著影响。排气管插入深度越浅 ， 阻力越小 ， 但太小易造成气流短路 ， 使分离效率降低 ， 通常认 为排气管的下端要稍低于进气 口的底部 ， 以防气 流短路影响分离效率 。实验证明 ， 排气管插入深 度约为入 口高度的 0 4 0 5倍时 ， 分离效率最高 且压力损失最小 ， 而分离效率 随着排气管插入深 度的增加而降低， 这是因为插人深度过大将缩短 排气管入 口与锥体底部的距离而造成气流的有效 旋转圈数减小， 增加 了二次夹带 的机会。在循 环 流化床锅炉中， 通常旋风分离器尺寸很大 ， 由于机 械支撑的困难和防止磨损 ， 排气管 的插入深度 常 受到限制。本 台旋风分离器排气 管插入深度为 1 4 0 0 mm， 而排气管插入深度最佳值 为 1 1 6 1 1 4 5 1 m m， 在最佳允许值范围内。 排气管直径与简体直径之 比越小 ， 分离器 的 分离效率就越高 ， 但压力损失也越大 ， 一般取排气 管与分离器 的直径 比为 0 30 5 。如果再 进一 步缩小排气管直径 ， 分离效率增加不大但压力损 失却急剧上升。本 台旋 风分离器排气管直径 为 2 3 3 2 l l l n ， 而排气管直径最佳值为 1 5 5 5 2 5 9 1 l n lT l ， 在最佳允许值范围内。 1 3 省煤器外墙板与弯管之间的烟气走廊对省 煤器磨损的影响 由于省煤器管制造和安装的误差 ( 省煤器管 束与外墙板 间间隙过大) ， 在省煤器管两侧形成 烟气走廊 ， 导致省煤器两侧 弯头局部磨损 严重。 再加上本台锅炉 因泄露多次停车， 为了检查和处 理省煤器泄露 ， 每次都需将尾部烟道的外墙板用 气焊割开， 反复多次的割开和焊接使尾部烟道的 外墙板严重变形， 不仅外墙板大面积的凹凸不平 ， 而且其内侧 密密麻 麻 的焊缝排列 高达 8 0 0 m m。 左右两侧外墙板割开后 ， 可明显看到前后两侧 的 外墙板与省煤器弯头之间距离大小不等 ， 距离小 的几乎接触上 了， 距离大的甚至达到 7 0 mm， 而且 省煤器本身弯管也不在同一平面上 ， 形成严重的 烟气走廊 ， 局部的烟气流速大大加快， 致使局部磨 损速度成倍提高。 2 解决措施 2 1 降低烟气流速 降低省煤器区的平均烟气流速到合理的范围 内， 减轻省煤器的磨损程度 ， 考虑到由于省煤器区 烟气流速降低 ， 对流换热系数减小 ， 需适当增加一 些受热面， 即减少管列数 ( 列管 由 1 1 0列 减到 9 5 列 ) ， 增 大 换 热 管 直 径 ( 外 径 由 3 2 I T IT 增 到 3 4 mm) ， 扩 大 管 间 距 (间 距 由 6 0 m m 增 到 7 0 mm) ， 烟道深度由4 5 1 8 mm增到 5 3 8 4 m m， 增 大了烟气流通面积， 达到降低烟气流速的目的。 2 2 给煤 系统的改进 1 ) 锅炉运行煤种应尽 量使用与设计相近 的 煤种 ， 原来燃煤的热值相对偏低 ， 需更换热值高的 煤种 ， 降低锅 炉尾部烟道灰份含量 ( 灰份含量 3 8 ) ， 减少尾部受热面的磨损 。 2 ) 原来的燃煤破碎后 的平均粒径较为合适， 但粗颗粒和细颗粒较多， 呈现两头多、 中间少的粒 径分布 ， 为了保持燃煤合适的粒径分布 ， 需在碎煤 机前加 筛 选装 置 ， 达 到粗 细分 流 ， 来料 中小 于 8 m m的物料直接进入系统 ， 大于 8 m m的物料进 入碎煤机进行破碎后再进入系统 ， 解决其经过二 次粉碎造成小颗粒煤含量过高的问题 ， 使燃煤在 炉膛 内充分燃烧 ， 降低烟气 中飞灰浓度 。 2 3 提高旋风分离器的分离效率 为了进一步提高旋风分离器的分离效率 ， 虽 然本台旋风分离器人 口切向烟速、 人 口高宽 比不 满足最佳值范围要求 ， 但受到工期和成本的限制， 改变旋风分离器人 口切向烟速、 人 口高宽比是不 现实的， 尽管排气管插入深度符合最佳值要求 ， 但 只有改变排气管插入深度是可操作 的， 将排气管 插入深度由原来 1 4 0 0 mm增加到 1 8 0 0 m m。 下转第 l 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 锅炉制造 总第 2 2 4期 5 控制料层高度 6 结束语 通过分析 D G 7 5 3 8 21 1型 C F B锅炉的运 行实践， 可知密相 区料层厚度对燃烧 的稳定性和 燃烧效率有很大关系 ， 见 图 4 。维持恰 当的料层 高度 ， 炉床蓄热量较大 ， 床温相对稳定 ， 无烟煤粒 和回料灰中的碳粒能迅速加热和燃烧。锅炉床料 太高， 增大一次风量 ， 为保 持床温而减小二次风 量 ， 造成局部燃烧区域的氧量不足， 影响炭颗粒的 燃尽 ， 同时会增大风机电耗， 甚至影响床料流化效 果和燃烧效率 ； 料层过薄 ， 会 导致燃烧工况不稳 定 ， 缩短了燃料在床内的停 留时间， 飞灰含碳量增 大。因此 ， 在实际运行中应做到少量勤排渣 ， 保证 合理的料床厚度 ， 以保证床温稳定和炭粒与氧量 混合均匀。多年的运行实践证 明， D G 7 5 3 8 2 1 1型 C F B锅炉一次风室压力控制在 1 01 1 k P a 时燃烧效果最为理想 ， 炉床蓄热量较大 ， 床温相对 稳定 ， 煤粒和回料灰能迅速加热和燃烧。 零 百 唧 疆 抽 2 0 。 。一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 1 8 8 9 l O l 1 料层厚度 KP a 1 2 1 3 图4 料层厚度与飞灰含碳 量的关 系 根据 2台燃用福建无烟煤的 D G 7 5 3 8 21 1 型 C F B锅炉的运行实际， 分析影响福建无烟煤在 C F B锅炉中燃尽 的主要因素 ， 并针对性采取一系 列有利于福建无烟煤在 C F B锅炉 中燃尽的技术 改造措施和运行优化调整 ， 运行实践证 明这些措 施取得了良好的效果 ， 锅炉飞灰含碳量大幅下降 ， 正常运行时飞灰含碳量一般都维持在 1 5 左右 ， 在煤质变化很大的情况下也都小于 2 3 ， 保证了 锅炉运行的经济性