无锅75Th煤泥锅炉水冷壁磨损机理与防治.doc

附件1：山东华聚能源股份有限公司科技成果验收申请书 山东华聚能源股份有限公司科技成果验收申请书 成果名称： 无锡75T/h煤泥锅炉炉膛水冷壁磨损机理及防治完成单位：协作单位： 年 月 日 任务来源（ 4 ）1上级计划，2集团计划，3专业化公司计划，4自选计划名称与编号无锡75T/h煤泥锅炉炉膛水冷壁磨损机理及防治研究起止时间08年3月08年5月项目负责人周锐内 容 简 介 对无锡75T/h煤泥锅炉炉膛水冷壁磨损的现象，分析了其产生的机理，并制定了防治措施。大大主 要 研 制 人 员 名 单序号姓 名性别出生年月技术职称工 作 单 位对成果创造性贡献签 字基 层 单 位 审 查 意 见申请 验收 单位 意见 单位负责人： （盖章） 年 月 日课题负责人意见 负责人： 年 月 日华聚 能源 公司审查意见 年 月 日附件2：验收报告编写要求如下：1、工作报告我厂三台UG-75/3.82-M23煤泥锅炉，分别1997年12月、1998年7月、1999年3月投入使用，每台锅炉每年运行7200小时左右。三台锅炉先后于2005年6月份左右，出现炉膛前后水冷壁出现泄露现象，07年三台锅炉共出现应水冷壁泄露现象共6次，08年1月到4月，出现泄露次数4次，出现泄露的频率上升。严重制约了锅炉的安全经济运行，缩短了锅炉运行周期。从2008年3月，我们通过对该炉水冷壁磨损机理的研究，制定了相应的防治措施，达到了良好效果，至08年5月份采取措施后，三台锅炉没有出现因炉膛水冷壁泄露导致的停炉现象。2、技术及应用报告由于循环流化床锅炉水冷壁管受到炉膛中气固两相流的冲刷，磨损严重，是引起水冷壁管爆管的主要原因，因此如何从防磨损机理出发，采取进一步的防磨损措施，对循环流化床锅炉的推广应用和稳定运行是一个十分现实又重要的问题。2.1对水冷壁磨损机理的研究1耐火材料过渡区； 2角落区域；3不规则区域； 4一般水冷壁管图1CFB中水冷壁主要磨损区水冷壁管磨损是CFB锅炉中磨损较严重的问题。炉内水冷壁管磨损主要可分为四种情形，如图1所示：水冷壁管耐火材料过渡区域的磨损、炉膛角落区域水冷壁磨损、不规则区域管壁的磨损和一般水冷壁管的均匀磨损。在循环流化床锅炉中,炉膛的上部稀相区是快速床，在一定条件下，稀相区的颗粒发生团聚，细颗粒聚集成大颗粒团后，颗粒团重量增加，自由沉降速度提高，一旦大于流化速度，颗粒团不是被吹上去而是逆着气流向下运动。下降过程中，被上升的气流打散成细颗粒，再被气流带动向上运动，又再聚集成颗粒团，再沉降下来。这种颗粒团不断聚集、下沉、吹散、上升又聚集形成的物理过程，使循环流化床内气固两相间发生强烈的热量和质量交换。由于颗粒团的沉降和边壁效应，循环流化床内气固流动形成靠近炉壁处很浓的颗粒团以旋转状向下运动，炉膛中心则是相对较稀的气固两相向上运动，产生一个强烈的炉内循环运动，大大强化了炉内传热和传质过程，有效地延长了包括焦炭颗粒在内的固体物料的停留时间，并保证了整个炉膛内纵向及横向都具有十分均匀的温度场。这一炉内物料颗粒在水冷壁附近下降流动的形态，导致了在垂直水冷壁的表面存在着潜在的磨损的可能，尤其是垂直面的凸起或凹进，必然导致磨损的发生。典型的是收缩的密相区的耐火材料与上部垂直水冷壁的交界处。耐火材料过渡区的气固两相流流场如图2所示。图2水冷壁管耐火材料过渡区域的磨损耐火材料过渡区磨损原因有两个，一是在过渡区域内由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，因而在局部产生涡流。涡流方向主要决定于气流的方向，磨损坑的形状表明气流是从下向上磨损的。二是沿炉膛壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，产生对水冷壁管的冲刷。该磨损区域从耐火材料延伸至水冷壁管500mm处。图3燃烧室近壁区物料浓度分布示意图图4不规则区域管壁的磨损情况循环流化床锅炉炉膛内部存在着大量的床料内循环，延长了煤粒的炉膛内停留时间。内循环粒子流多为贴壁粒子流，其循环量要比外循环量大得多。炉膛近壁区物料浓度较高，在水平方向上，物料浓度的分布是中间低、近壁区高，见图3。在两面墙组成的角部，流动发生叠加，出现了角部浓度更高的现象，这是角部磨损严重的物理基础。不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上焊缝、管壁间的鳍片、焊缝不平整以及有关安装剩余的铁件等。即使很小的几何尺寸不规则也会造成局部的严重磨损。炉膛部分设有人孔门、观火孔等圆孔处也是易磨损的部件之一。测炉温时，炉内插入足够深的热电偶也会对局部颗粒和流动特性造成较大影响，造成附近水冷壁管的磨损。在各种孔的周围，由于贴壁处的颗粒向下流动，与上升气流作用，导致受热面下部的磨损严重，如图4所示。从目前运行的循环流化床锅炉看，一般水冷壁管的磨损虽然普遍存在，停炉检查时也发现管壁被磨损得光亮，但磨损速度较小，为均匀磨损，基本上不会危及受热面的安全。在上述四类磨损中，前两类是主要的。我厂UG-75/3.82-M23煤泥锅炉炉膛水冷壁磨损主要是水冷壁管耐火材料过渡区域的磨损，但磨损严重部位发生在前墙水冷壁的一侧，而另一侧磨损不严重。循环流化床锅炉内的炉膛水冷壁管的磨损过程是十分复杂的。在循环流化床锅炉中，烟气中颗粒对受热面撞击产生的磨损，与煤粉锅炉尾部受热面的冲刷磨损相类似。这种磨损的形式大致可以分为两类：一类是在碰撞过程中由于材料的反复变形引起的疲劳磨损，另一类是材料在自由运动的颗粒的切削作用下引起的破坏，称为凿削式磨损。磨损的程度与颗粒的冲击角度有很大的关系。冲击角为90o没有凿削式磨损，仅是疲劳磨损，磨损很轻微；当冲击角度为20o 50o时，磨损最严重。一般而言，循环流化床锅炉中的疲劳磨损非常小，主要是凿削式磨损。我厂锅炉发生的水冷壁管耐火材料过渡区域以上到200mm局部区域管子的磨损，必然出现了凿削式磨损。在进行了上述对耐火材料过渡区磨损的原因分析后，我们可以断定是磨损区域的气流方向发生了改变。也就是下降颗粒流还未到水冷壁管耐火材料过渡区域之前就发生了流动方向的改变或者与炉内向上运动的固体物料运动方向由于相反在水冷壁管耐火材料过渡区域之上产生了局部涡流，导致了凿削式磨损。我们分析了各炉的磨损部位和相关联系。1#炉水冷壁泄露发生在前墙水冷壁左侧，2#炉发生在前墙水冷壁右侧。1#炉导槽分离器中间及左侧损坏断裂严重，2#炉导槽分离器中间及右侧损坏断裂严重。炉内一次风由左右两侧一次风门进入风室，通过布风板，炉内主气流在炉内左右两侧靠近前墙分布较集中，由于导槽分离器的断裂损坏，形成阻力较小的烟气走廊，气流从断裂侧阻力较小的地方分布较多。也就是由于导槽分离器的断裂形成的烟气走廊，改变了炉内气流的分布，也就导致了水冷壁左右两侧耐火浇筑料过渡区域磨损程度出现了不一致。循环流化床锅炉本身的特性决定了气固两相流动于受热面的作用是必然存在的。较大的物料浓度是锅炉性能的基本要求，是燃烧、传热和脱硫的必要条件。在两相流动中，绝大部分颗粒与受热面表面的相对速度比较慢，与受热面接触的颗粒，无论是上升流还是下降流，通常速度在2m/s以下，这些颗粒的磨损非常小，主要是产生均匀磨损。但是当与受热面接触的颗粒受到其他来自于主流区的颗粒或者气流的作用，可能会迅速改变方向，成为磨损介质，这就是所谓的三体磨损。循环流化床实际上还是依赖于气泡的生成与碎裂，才能形成扬析夹带，而气泡的碎裂会以高达数十米的速度将颗粒抛向上部空间，而这些颗粒的方向是不规则的，这是产生改变与受热面直接接触的颗粒的方向的重要动力之一。当然，炉内局部射流，包括给料射流（燃料和脱硫剂）、固体物料回送口射流、布风板风帽的空气射流、二次风射流等，射流卷吸的床料对射流口附近的受热面形成直接的冲刷而造成磨损。制造、安装、维护等，在受热面表面造成的几何不规则形状，也能造成磨损。因此，水冷壁管子的磨损，与受热面及炉膛形状有关，还取决于灰颗粒的物理性质。这些磨损的动力，归根到底来源于流化速度。因此影响循环流化床锅炉受热面磨损的因素较多。水冷壁管的磨损与床内颗粒的硬度有关，且与被磨材料的硬度和颗粒的硬度比值也有关。当颗粒硬度接近或高于被磨材料时，磨损率会迅速增加。相对比较年轻的煤的灰分，其硬度比较小，比较软，磨损就比较低。国外大量的烧褐煤的循环流化床锅炉，甚至没有采取防磨措施，磨损也比较轻微。同样的设计，在燃烧我国的硬煤时，出现的磨损就比较严重，就是这个原因。在运行中，床料不断循环，较软的物料会逐渐被磨损掉，只有那些性质稳定也就是硬度比较大不易损耗的颗粒累积下来，其硬度大大高于新鲜床料。除燃料外，床料粒径、浓度与其磨损能力也有密切关系，也直接关系到受热面磨损状况。当床料直径很小时，受热面所受的冲蚀磨损较小；