E9-130th循环流化床锅炉磨损机理分析与防磨措施.doc

130t/h循环流化床锅炉磨损机理分析与防磨措施李燕1，饶金土21:清华大学, 2: 浙江江山化工股份有限公司【摘要】炉膛水冷壁管的磨损问题是造成循环流化床锅炉事故停炉的主要问题之一。本文针对130t/h循环流化床锅炉的水冷壁过渡区的磨损问题进行了理论分析，并对防磨措施进行了总结。【关键词】循环流化床锅炉；磨损；理论分析；防磨措施Theoretic analysis and countermeasures of wearing on 130t/h CFB BoilerLi YanTsinghua UniversityAbstract: The abrasion of water-wall tube on CFB is one of the key factors that arouse the operational accident. This paper concerns itself with a theoretic analysis of the wearing of the 130 t/h CFB furnace. And some way of countermeasures are also included in this paper.Key words: circulating fluidized bed boiler, wearing, theoretic analysis, countermeasures 0 引言循环流化床锅炉具有燃料适应性好、污染物排放低、燃烧效率高、负荷调节范围宽等优点，是经济有效的低污染燃烧技术之一。由于循环流化床锅炉中物料的流动特点，炉膛内物料强烈返混，在造成炉膛热负荷比煤粉炉更为均匀的同时，也造成了大量物料冲刷受热面，使得受热面严重磨损。循环流化床锅炉受热面磨损问题一直是困扰其安全经济运行的关键问题之一。而其炉膛受热面、过热器及省煤器等部位的磨损最为严重。因此在锅炉的设计阶段，这些部位的防磨措施就必须得到重视。本文针对江山化工公司130t/h循环流化床锅炉，从受热面磨损的机理出发，分析造成水冷壁过渡区磨损的主要影响因素，并提出了可行的防磨措施，取得了较好的效果。1 锅炉简介江山化工公司2003年安装了一台130t/h次高温次高压循环流化床锅炉，如图1所示。设计煤种为烟煤。该循环流化床锅炉为自然循环汽包炉，主蒸汽压力5.29MPa，主蒸汽温度485。炉膛采用水冷布风板，全封闭式膜式水冷壁，并布置有翼片式水冷壁作为附加受热面。水冷壁下部焊有密集销钉用以固定高强度耐高温防磨耐火材料。在水冷壁管过渡区将水冷壁弯管，并在其上敷设耐火材料，使材料表面与上部水冷壁保持平直。从炉膛出来的高温烟气进入绝热分离器，分离下来的物料经过U型阀送入炉膛继续循环，烟气进入尾部烟道相继冲刷高温过热器、低温过热器和省煤器。该循环流化床锅炉结构紧凑，燃料适应性好，运行稳定。由于该公司造气炉渣中残碳含量较高，为有效利用这部分资源，循环流化床在烟煤中掺烧部分无烟煤以及化工厂造气炉渣，其燃烧效率高于89，有效提高了化工企业的经济效益。图1 130t/h次高温次高压循环流化床锅炉示意图为有效减轻受热面的磨损情况，分别在燃烧室与水冷壁的过渡区，旋风分离器的入口、U型返料器舌形挡板、尾部烟道受热面等易磨损区域都采取了防磨措施。然而在运行过程中，炉膛水冷壁磨损问题仍然造成了十五个月内爆管停炉事故两次，严重影响到了公司其他化工厂的正常工业生产。通过对其磨损部位与磨损机理进行深入研究而进行了技术改进，大大提高了循环流化床锅炉的可靠性与经济性。2 炉膛过渡区域磨损情况本公司130t/h循环流化床锅炉在炉膛及尾部烟道等易磨区域都采取了相应的防磨措施，尤其对卫燃带与水冷壁管过渡区域进行了技术改造，并在被动防磨的基础上对锅炉的运行进行控制降低磨损。在炉膛过渡区采用让管技术，效果良好，并在上部喷涂了1m高防磨涂层。其喷涂方法采用超音速火焰（HVOF）喷涂金属陶瓷粉末材料（NiCr-Cr3C2粉），是目前的最佳方案。运行三个多月之后，炉膛前墙左侧拐角喷涂区域水冷壁被磨穿，汽水混合物喷入炉膛瞬间汽化，高温高压蒸汽喷向相邻的水冷壁管，造成相邻水冷壁管也发生爆管而被迫停炉。通过实际观察与分析得出，由于卫燃带与水冷壁交界的过渡区内固体物料沿壁面下流，而与炉内向上运动的物料运动方向相反，因此在这个区域会产生涡流，而下行物料在此区域流动方向改变，对水冷壁产生冲刷。由于此处水冷壁施工工艺不完善，喷涂工艺不合格，存在喷涂死角，不能有效起到提高水冷壁表面耐磨特性的作用；并且在喷涂区域存在不平结构，因此加剧了局部管壁磨损。在运行过程中，风量过大，使得过渡区上部物料浓度偏高，物料在下行过程中冲击水冷壁管，造成此处薄弱环节的水冷壁爆管。因此，可以分别从改变近壁流体流动形式（降低颗粒下滑高度、使交界区域表面平滑）提高受热面硬度角度进行防磨，而为了更有效节约成本，应提高运行水平来进行防磨。3 磨损机理与影响因素物体或者固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行的冲击所造成的磨损称为冲蚀。若颗粒以平行于固体表面或者与固体表面冲击角较小时形成的冲蚀称为冲刷磨损；若接近垂直或冲击角较小时称为撞击磨损1，撞击磨损会使固体表面产生变形和脱落。而这两种磨损在循环流化床锅炉中都是存在的。由于130t/h循环流化床锅炉内物料流动存在环核结构，炉膛中心物料向上流动，近壁面处物料向下回流，并且回流物料突然改变方向也会加重部分区域的磨损。因此循环流化床锅炉的磨损受到整体物料循环方式、床料特性、流道几何形状等的影响，并且与锅炉运行参数、受热面布置形式等都密切相关。床料磨损能力受炉膛内床料粒径、浓度、硬度等影响。物料浓度越高，床料磨损能力越强，受热面磨损越严重；在一定范围内，床料粒径越大，磨损越快1；冲蚀磨损量与飞灰冲刷速度呈23次方正比关系，金属壁面的磨损速率与颗粒速度大致呈立方关系,与颗粒直径呈平方关系；一般认为，随着颗粒球形度的增加，磨损速率会减小；若掺有矸石、炉渣之类硬度较高的燃料（含Si和Al等成分较高）就会造成受冲刷严重受热面的磨损加快，在运行过程中，床料表面会形成膜层，其硬度大大高于新鲜床料，当颗粒硬度接近或高于被磨材料的硬度时，磨损率会迅速增加，因此床料表面膜层的硬度对磨损能力有重要作用。床温、烟气流速等运行参数也是影响受热面磨损程度的重要因素。床温的升高直接影响烟气温度和受热面管壁的温度。管壁温度升高会影响金属材料的机械强度2。而烟气流速增大，其冲蚀磨损会迅速增加，若近似认为烟气速度和颗粒速度相等,则磨损量就和烟气速度的3次方成正比3。因此烟气速度是影响磨损最主要的因素。而在运行中，若炉膛负压过大，或一次、二次风量偏大，炉膛内烟气流速加快，携带的物料量及其动能增大，造成磨损加剧。运行时负荷过高，煤质差，燃烧料量大，使烟气中物料浓度增大而导致磨损加剧，同时高负荷时，金属管壁与烟气热交换过剧，使金属管子外壁结构发生变化也会导致磨损加剧。设计安装时若受热面布置不当、安装时出现误差或选材不良等也会造成磨损加剧。同时,不规则管壁对局部的流动特性会造成较大的扰动。一些受热面上敷设的耐磨材料不良,或砌筑方法不当也会造成对受热面的磨损。4防磨措施4.1被动防磨措施（a） （b）图2 改变水冷壁管几何形状1水冷壁管；2让管结构；3卫燃带为减轻防磨，通常可以分别从降低颗粒下滑高度、降低灰浓度角度、保持受热面表面平滑、提高水冷壁表面硬度等方面来采取防磨措施，通过加焊挡板4-6、增加耐火平台4、加焊直向和横向防磨片7、加焊防磨槽可以降低颗粒下滑高度，使下行物料在下行过程中减慢速度，破坏稳定的边壁层，并能在挡板、平台上自然堆积，形成软着陆区，减缓烟气与物料对水冷壁管的冲刷；通过采用改变水冷壁管几何形状的方式可以保持受热面表面平滑，如图2所示，让管防磨可以使固体物料沿壁面平直下流，消除了易磨区；通过对易磨区水冷壁管进行防磨喷涂可以提高水冷壁表面硬度，在金属表面形成坚硬致密的氧化层，有效减少水冷壁管的磨损和爆管。通过对以上被动防磨措施的分析与选择，并结合考虑成本以及厂内设备的维修周期问题，从被动防磨角度来考虑，在更换了磨损的水冷壁管后，在炉膛前墙左侧拐角进行磨损后补焊措施。在耐火防磨层以上1.5m范围内采用超音速电弧防磨喷涂技术进行耐磨喷涂，尤其对水冷壁焊口等局部不规则表面集中喷涂耐磨材料。通过技术论证，其喷涂材料采用目前国内比较先进的LX88A超硬耐磨电弧喷涂材料。该喷涂材料是有陶瓷硬质相与塑性相组成的粉芯丝材，涂层硬度很高。由于电弧喷涂的喷涂速度高、涂层化学成分和硬质相含量易调整、沉积效率高等优点以及其热膨胀系数与普通低碳钢和低合金钢的热膨胀系数接近，可避免在热循环过程中由于热应力作用而造成涂层剥落。并且电弧喷涂与火焰喷涂相比较为灵活，操作成本较低。与此同时加强了水冷壁的检修质量，彻底消除水冷壁表面存在的缺陷。4.2主动防磨措施从主动防磨角度来讲，需要调整灰浓度、风量、灰粒粒度等运行参数以降低受热面的磨损。此130t/h循环流化床锅炉在满负荷下的一、二次风比例为5.5:4.5，炉膛出口含氧量偏高，达到了4.8%，且炉膛负压偏大。可以看到，由于风量过大，使得炉膛过剩空气过多，含氧量偏高，并且相应增大了炉内烟气流量，使得炉膛内烟气流速过高，造成烟气携带物料量过高，颗粒动能增加，使得循环流化床炉膛稀相区颗粒浓度偏高，造成了炉膛过渡区上部稀相区磨损较为严重。而由于此循环流化床锅炉中掺烧了部分硬度非常高的造气炉渣，这部分燃料更加剧了受热面的磨损。因此调整了部分运行参数，在保证锅炉出力的情况下，降低了一、二次风总量，并将一、二次风比例调整为5:5左右，而控制炉膛出口含氧量在34之间。降低了炉膛内烟气流速，会使得磨损量大大降低。4.3防磨效果通过从被动防磨和主动防磨两个角度来进行改进，基本上消除了水冷壁磨损严重的情况，运行一年后，水冷壁管仅有磨光现象，通过对过渡区上部水冷壁管测其壁厚，炉膛拐角管子的壁厚仍有足够余量，防磨效果良好。4 结论江山化工公司130t/h循环流化床锅炉在水冷壁过渡区磨损较为严重并由此引发爆管事故，通过对磨损机理的分析与讨论，采取了有效的防磨措施。在水冷壁过渡区域通过采用超音速电弧防磨喷涂技术进行耐磨喷涂，喷涂材料采用超硬耐磨电弧喷涂材料，并消除水冷壁表面缺陷。并从运行角度调整了风量，将烟速控制在合理范围内。通过进行技术改造，基本上消除了水冷壁磨损严重的情况，运行一年多效果良好。从考虑节约维修成本以及延长材料寿命等方面，完善锅炉的运行水平是非常重要的。由于烟气速度对磨损起决定作用，因此要合理配风，保证最佳的风煤比，合理控制烟速，并及时调节入炉煤和返料，可防止加重局部磨损，并保证锅炉的经济运行。1.岑可法，倪明江，骆仲泱，严建华，池涌，方梦祥，李绚天，程乐鸣, 循环流化床锅炉理论，设计与运行. 1998, 北京: 中国电力出版社.2.李福友, 循环流化床锅炉的磨损分析与对策. 现代电力, 2005. Vol.22(No.1): p. 5661.3.P.巴苏, S.A.弗雷泽, and 岑可法，倪明江，骆仲泱，严建华，池涌，方梦祥，李绚天，程乐鸣（译）, 循环流化床锅炉的设计与运行. 1994, 背景: 科学出版社.4.刘晓东，胡志宏，徐钦田，董凤亮，于孝宏, 大型CFB 锅炉运行中磨损和排渣问题的解决. 中国电力, 2005