循环流化床锅炉水冷壁防磨技术

第 2 O卷第 4期 2 0 0 6年 l 2月 柬 鼋泰坪 D o n g f a n g E l e c t r i c R e v i e w Vo 1 20 No 4 ， De c 2 0 06 Ol 循环流化床锅 炉水冷壁防磨技术 李红兵 周棋 ( 东方锅 炉( 集团) 股份有限公司 ，四川自贡 ，6 4 3 0 0 1 ) 摘要 ：介 绍 了循环 流化床锅 炉炉膛 水冷壁 的防磨措 施 ，重点介绍 了一种 防止水冷壁均 匀磨损 的方 法，并对其磨损 和防磨机理 进行 了分析 。 关键词：循环流化床；磨损；防磨 中图分 类号 ：T K 2 2 9 文献标识码 ：B 文章 编号 ：1 0 0 1 9 0 0 6 ( 2 0 0 6 ) 0 4 0 0 6 1 0 3 Ant i - a br a s i o n Te c hn o l o g y o f W a t e r - c o o l i ng W a l l o f CFB Bo i l e r U H o n g - b i n g Z HO U Q i ( D o n g f a n g B o i l e r ( Gr o u p ) C o L i d 。S i c h nan Z ig o n g 6 4 3 0 0 1 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： I t i n t r o d u c e s t h e a n t i a br a s i o n me a s u r e s o f wa t e r - e o o l d e d wa l l o f CFB b o i l e r ,e s p e c i a l l y t h e me a s ur e s o f p r e v e n t i n g u n i f o r m a b r as i o n o f wa t e r - c o o l e d wa l l ， a l s o a n a l y s e s t h e ab r a s i o n a n d t h e a n t i -ab r as i o n p r i n e i - p l e Ke y wo r d s： CF B b o i l e r ； a b r a s i o n； an t i - a b r a s i o n 循 环流化床 ( C F B ) 锅 炉技术是七十年代发展起 来 的新技术 ，作为一种清洁燃烧技术 ，其相对经济 的脱硫方式 和特殊的燃烧方式大大地减 少了作为世 界主要大气污染源燃煤电站 的二氧化硫和氮氧 化物排放 ，即从根本上解决酸雨 问题 。同时 。循环 流化床锅炉还具有燃料适应性广 、燃烧效率高 、负 荷调节好、投资和运行成本相对较低等优点 ，因此 作为 电站锅炉技术发展的三大方 向之一 ，在全世界 得到迅猛 发展 。但 随着循 环流化床 锅炉 的大量投 产 ，其磨损 问题 已经成为各电力生产单位十分棘手 的问题 。不少循环流化床锅炉运行较短 时间就发生 因水冷壁磨损爆管而停炉 ，有的电厂花费 巨大的代 价对水冷壁进行喷涂 ，但这种被动的防磨措施所能 延长的磨损寿命 也相 当有限 ，而且投资较大。磨损 问题是现今循环流化床锅炉可用率不理想 的主要原 因，随着循环流化床锅炉发展初期出现 的其它问题 的逐步解决 ，磨损问题已成为主要矛盾 。因此研究 更加可靠 的防磨措施已经刻不容缓 。 1 循环流化床锅炉水冷壁磨损情况、 已采取 的措施和效果 1 1 炉膛 下部敷设有耐磨浇注料的结尾处 ( 或防磨 片的结尾处) 的磨损 如 果浇 注料 与膜式壁 是如 图 1 一a形式 ( 有 突 台) ，沿膜式壁面下降的物料流 ( 即壁面流) 在到达突 台时流 向发生变化 ，并且可能还因突台的原因在此 收稿 日期 ：2 0 0 6 0 8 0 7 作者简介 ：李红兵( 1 9 7 3 一 ) ，男，工程 师，1 9 9 5年 7月毕业于西安交通大学 ，主要从事电站锅炉调试及试验研究工作 ； 周 ( 1 9 6 4 - ) ，男 ，高级工程 师，1 9 8 6年 7月毕业 于重 庆大学 ，现任东方锅炉股份有限公 司锅炉研究所副所长 ，主要从事 电站锅 炉调试及试验研究工作。 维普资讯 第 年 柬 审摹 I 坪奢 Do ng f a n g El e c t r i c Re v i e w Vo 1 2 0 NO 4 De c 2 oo 6 处形成涡流 ，更容易造成磨损 ，因此原 以为通过突 台积灰解决磨损的措施实际上效果并不十分理想 ， 磨损依然存在，磨损部位形如八字胡 ，时间长了， 管壁会逐渐减薄而泄漏 。有的锅 炉在水冷壁与浇注 料交界处的上部水冷壁管上加装 防磨盖板 ，但防磨 盖板与水冷壁管 的上部交接处也存在 同样 的磨损 ， 并且更严重。 目前新设计的 C F B锅炉 ，普遍采用 了将膜式壁 折弯 ( 让管) ，使该处浇注料与膜式壁肋 片形成上下 一 致的垂直平面( 如图 1 - b ) ，在浇注料施工完毕后 拆模板时，一定要检查确认浇注料与折弯上部膜式 壁肋片过渡要平滑 ，不能出现 台阶或渗浆造成 的棱 角。 前 ( a ) 图 1 后 ( b ) 这样物料流沿壁面平直下滑 ，消除了局部涡流 区，使耐磨材料与光管交界处的磨 损大大减轻。但 该措施一般适用 于新设计 的锅炉 ，由于对早期投运 的锅炉进行让管改造的投资太大 ，因此很难推广到 老锅炉的改造中。 1 2 炉膛 四个角部区域的磨损 炉膛四个角部也是循环 流化床锅炉磨损较严重 的区域 ，炉膛 四个角落区域 的管壁磨损原 因是角落 区域内壁面向下流动的固体物料浓度比较高，同时 流动状态也受到一定破坏。 目前一般可对 炉膛角部 的几根水冷壁管进行沿高度方 向全部敷设耐磨浇注 料( 保持直角形状 ) ，解决了角部的严重磨损问题 。 1 3 炉膛不规则区域管壁的磨损 不规则 区域管壁 ( 如穿墙管、炉墙开孔处的弯管 或制造过程中存在的焊缝不光滑的地方等) 的磨损原 因主要是不规则管壁对局部的流动特性造成较大 的 扰动。边壁区向下流动的高速 和高浓度的灰 粒子碰 到不规则的突起改变方向冲刷水冷壁所致。膜式壁 的垂直度对磨损程度至关重要 ，任何倾斜和壁面 凸 起 物都将带来严重的磨损 。随着对循环流化床锅炉 的认识 的深入 ，对 制造 和安装 质量 的要 求大 大提 高 ，这类磨损也大幅度的减少 。 2 水冷壁均匀磨损解决方法分析 随着制造 、安装 、检修和运行经验的积累和设 计 上采取的改进措施 ( 如上述方法 的采用 ) ，上述部 位 的局部磨 损基本 得到 解决 ，锅炉可用 率显 著提 高 ，但是浇注料交界处 以上约 3 m 以下 的区域 ，因 下降灰粒子流量很大 ，水冷壁存在非局部 的广泛的 相对轻微磨损 ，虽然磨损速度较慢 ，但经过 23年 或者更长时间的运行 ，水冷壁管磨损减薄到一定程 度后将不得不大面积更换。 目前为了延长膜式壁使用寿命 ，部分 电厂采用 对水冷壁进行定期喷涂 的方法 ，在管壁上形成一层 致密耐磨的合金涂层 ，可大大减轻膜式壁 的磨损程 度 。但此方法 只治标不 能 治本 ，属被 动 的防磨 措 施 ，每次喷涂 的成本都很高 ，喷涂一次一般也只能 管 1 2 年 。 下面主要针对循环流化床锅炉水冷壁的均匀磨 损问题 ，分析其磨损的主要根源 ，力求从磨损 的原 因出发寻找出一种主动的解决磨损的方法。 磨损在工程上常被理 解为 由于机械原因产生 的 颗 粒剥离脱 落引起 的材料 表面所不 希望 的逐 渐变 化 ，如减薄 ，开裂。炉膛水冷壁常见 的磨损即高速 的灰粒子冲刷碰撞炉墙而引起 的管子减薄。有关研 究资料 介绍 ，磨 损量 与颗粒 速度 的 3 6次 方成正 比，并随灰粒子的浓度增大而增大 。从理论上讲 ， 降低磨损应从降低颗粒流速 、减小灰粒子浓度和减 小粒子的颗粒直径人手。 我们知道循环流化床炉膛中存在一个高灰浓 度 、沿水冷壁向下流动的边壁区。水冷壁的均匀磨 损主要是 由向下流动的灰粒磨损所致。研究发现炉 膛 中心区的灰浓度从下到上有很大的降低 ，但稳定 的边壁区向下流动 的灰浓度接近于最大浓度 ( 临界流 化空隙率) 往下流动 ( 只是炉膛由高到低边壁区的厚 度越来越厚) ，而水冷壁的磨损主要是 由边壁区的颗 粒引起的。因此要 降低灰浓 度必须破坏其稳定的边 壁 区 。 从生产 实践 中我们发 现炉膛 越往下磨 损越厉 害 ，这主要是 由于炉膛下部边壁区向下流动的颗粒 速度更高所致。假设边壁 区里的灰做 自由落体运动 ( 忽略水冷壁等的摩擦等作用) ；那么 维普资讯 第 2 O卷第 4期 2 0 0 6年 l 2月 束 鼋奈坪奔 D o n g f a n g El e c t r i c R e v i e w Vo 1 2 O N o 4 f ， ， D e c 2 0 0 6 O lj ： 其 中：n 广一 颗粒下落的速度 m s g 一重力加速度 ，9 8 m s l 颗粒下落的高度 ，m 由磨损速度与颗粒速度 的 3 6次方成正 比可 得到磨 损速度与 颗粒下 落高度 h的 1 8次 方成正 比。因此避免颗粒长距离的下滑可大大减轻磨 损。 颗粒下滑 的高度与炉膛 高度和流化 速度有关 ，当流 化速度很大时可将颗粒的下滑高度看作是炉顶到某 点 的高度。 炉膛 中上部边壁 区里 的颗粒直径 的大小 主要受 炉膛流化风速 的影响 ，炉膛流化风速高 ，颗粒直径 大，反之则颗粒直径小。 如仅从减小磨损区域 的颗粒速度和颗粒直径 的 目的出发 以减小水冷壁的磨损考虑 ，设计循环流化 床锅炉时应使 炉膛高度和炉膛横截面积之 比取得小 些。但锅炉设计时炉膛高度和横截 面积 的选取主要 根据燃烧 、传热 、受热面布置 、分离器布置的需要 确定 ，因此只能兼顾考虑磨损。 3 解 决水冷壁均 匀磨损 的防磨措施 3 1 防磨措施介绍 下面从减小磨损颗粒的下滑高度和降低炉膛 边 壁 区灰浓度 的思路出发 ，提出一种解决炉膛 的均匀 磨损的方法。 在炉膛 内耐磨 材料 以上区域 的膜式水冷壁上 ， 每隔一定高度沿炉膛 四周施工一 圈防磨隔槽 ，如图 2所示。 图 2 水冷壁防磨槽示意简图 3 2 防磨原理 1 ) 可破坏稳定 的边壁 区，使其与水冷壁接触的 颗粒浓度降低 。理论上讲 降低 灰颗粒浓度会使传热 系数降低 ，可能会 影响 到锅炉 的出力 ，但 实践表 明，由于破坏稳定的边壁区另一方面加强 了边壁区 与中心区的颗粒 的混合 ，使边壁区与中心区的温度 梯度降低 ，提高 了边壁区与水冷壁表面的温度差 ， 加强 了传热。所 以几个 电厂 的改造表明只要隔槽尺 寸和数 目设计合理 ，炉膛 的传热将不会有任何改变 。 2 ) 向下流动的颗粒下滑到隔槽处时下滑速度降 低为 0 ，才 又重新开始下降 ，每个隔槽段 间的距离 与原炉膛高度相 比大大缩短 ，即颗粒的下滑高度大 大缩短 ，前 面 已提 到磨损速 度 与颗粒下 滑高 度的 1 8次方成正 比 ，因此 ，磨损速度大大降低 。可将 磨损减低到几乎与煤粉炉接近的程度。 那么在隔断处是否会产生类似原来耐磨材料交 界处的磨损 呢?解决这个问题是通过合理地设计隔 槽 ，一方面使隔槽内积一定量松软 的灰 ，使下 降的 颗粒到隔槽处时落在松软的灰上不会发生反弹而 只 会有多于的灰从隔槽中溢出 ；另一方面从结构上避 免或减小涡流的产生。 3 3 防磨效果 此防磨措施与喷涂等方法相 比具有成本低 、解 决水冷壁磨损更彻底的特点 ，已实施的电厂运行两 年来测量管壁厚度无减薄 ，相信如果在锅炉设计中 选取管壁厚度时考虑一定的磨损余度，可在锅炉使 用 寿命 内不因磨损而换管 。此方法也可方便 的