循环流化床锅炉选型中的水冷壁磨损与煤的燃烧效率问题

1、循环流化床锅炉选型中的水冷壁磨损与煤的燃烧效率问题曾荣鹏【摘要】循环流化床锅炉的水冷壁磨损对锅炉的可靠性和经济运行起着决定性的作用，煤的燃烧效率则直接决定锅炉性能的优劣。在设备选型阶段对该问题的正确处理可有助于提高锅炉机组投产后的可用率与经济性。 【Abstract 】The abrasion of water wall of the circulating fluidized bed boiler has decisive function to the reliability and economic operation, the combustion efficiency of coal

2、 directly determine boiler performance. On equipment selection phase, the correct treatment can help to improve the availability and economy of boiler after operation.【关键词】循环流化床锅炉 水冷壁磨损 燃烧效率 锅炉选型【key words 】Circulating fluidized bed boiler Abrasion of water wall Efficiency of combustion Selection of

3、 the boiler model一、前言能源与环境是影响当今社会发展的两个重要问题。目前煤炭的消耗已占到我国一次能源消耗的76%，在今后的若干年内还会呈现上升的趋势。我国煤炭大部分是直接用于燃烧的，由燃料所产生的大气污染物还没有得到有效的控制，因此, 发展高效、低污染清洁燃烧技术是当前急待解决的问题。循环流化床是近年来发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，它兼有链条炉的床上分布燃烧、颗粒排渣和煤粉炉的飞灰燃烬技术与悬浮燃烧的特点，炉内湍流运动强烈。燃料和石灰石在炉内多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应。它因具有NO X 排放量低、脱硫效率高、与煤粉炉相近的燃烧效率、燃料适应性广等优点而得

4、到了迅速的发展。二、研究的背景由于循环流化床锅炉的炉内流动与燃烧的复杂性，目前有关循环流化床锅炉水冷壁磨损与煤的燃烧效率研究文章很多，主要是关于设备运行调试和检修，而关于该问题在设备选型阶段中的讨论并不多见。本文旨在通过我公司在广东省江门市的粤新热电联供有限热电厂工程中对济南锅炉集团有限公司（原济南锅炉厂）130t/h循环流化床的设备选型，来研究水冷壁磨损与煤的燃烧效率对提高锅炉机组的可用率的影响，希望能给其他循环流化床锅炉用户在设备选型时提供些有价值的参考。我公司的锅炉设备采用的是济南锅炉集团有限公司和中科院热物理所共同开发的130T/H流化床锅炉:锅炉型号 YG-130/9.8-M；额定蒸

5、发量 130t/h；额定主汽压力9.81MPa ；额定主汽温度540；给水温度 215；排烟温度140；锅炉热效率.90.9%；碳未燃烬热损失 1.3%；一次风温度150；二次风温度150。三、磨损机理对于水冷壁的磨损按磨损机理不同，一般可分为冲刷磨损和撞击磨损。冲刷磨损是颗粒相对固体表面冲击角较小，甚至接近平行。颗粒垂直于固体表面的分速度使得它楔入被冲击物体，而颗粒与固体表面相切的分速使得它沿物体表面滑动，两个分速合成的效果即起一种刨削作用，如此经过大量、反复的作用，固体表面将产生磨损。撞击磨损是指颗粒相对于固体表面冲击角度较大，或接近于垂直时，以一定的运动速度撞击固体表面使其产生微小的塑性

6、变形或显微裂纹，在长期、大量的颗粒反复撞击之下，逐渐使塑性变形层整片脱落而形成的磨损。1四、水冷壁磨损问题注意的几个方面在炉膛中磨损相对严重的部位主要有炉膛出口、卫燃带与水冷壁管过渡区域、不规则的水冷壁管和布风板上风帽的磨损。其防治措施主要采用敷设浇注料、喷涂耐磨金属层、采用水冷壁让弯结构和提高材质等来防止和减轻磨损。另外，研究表明 ,磨损与物料流速的 3次方、浓度成正比。物料浓度范围的变化直接影响颗粒的运动规律既颗粒与颗粒、颗粒与管壁、颗粒与气流之间的碰撞和摩擦等的剧烈程度。同时由于燃料粒径的增大 ,将不可避免的加大一次风的使用 , 因此在满足燃烧的同时 , 要严格控制燃料的粒径 ,努力减少

7、风量与风速 ,从运行调整上降低水冷壁管束磨损。1、炉膛出口管壁对于炉膛出口管壁的磨损主要是以撞击磨损为主，当物料与管束成切向或一定角度相碰时 ,其磨损程度与其物料流动方向和速度关系较大 ,因其位置较高 ,不易检查 ,往往会造成意外爆管事故。该处的防磨措施必须实施得当，一般采用焊接立式耐热钢护板 ,防止物料从切向或角向撞击炉膛出口对流管束 。另外 可采用将炉膛出口对流管束整体浇筑 (出口左右两侧各两根管 ,沿出口上约 600 两种方案进行预防。22、炉膛直管段的水冷壁管磨损目前发现除卫燃带和水冷壁过渡区和局部的开孔区域，水冷壁的直管部分磨损并不是很严重 ,只发现直管段的水冷壁被磨得发亮 ,其磨损

8、还没有成为一个严重问题。这主要是由于物料的运动方向与水冷壁管中心线互相平行时 ,产生的磨损量最小且均匀，对炉子的安全运行影响不大。3、卫燃带与水冷壁管过渡区域的管壁的磨损炉膛下部敷设卫燃带与水冷壁管过渡区域的管壁的磨损的机理有以下两个方面 ,一是由于局部结构的变化和物料流内循环产生的涡流；二是沿炉膛壁下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变对水冷壁管产生的冲刷。如图1所示： 图1卫燃带与水冷壁管过渡区域的管壁的磨损及其原理图为减轻卫燃带与水冷壁过渡区域的管壁磨损 ,可采用让管设计 ,把位于水冷壁与卫燃带交接处易受磨损的管段向外弯曲 ；在水冷壁局部喷涂金属耐磨料；保持卫燃带过渡非常平缓；采用垂

9、直角变截面的浇注方式, 采取以“灰治灰”的措施，利用积灰缓冲灰粒的磨损。炉膛下部卫燃带的锥角大小也是关系管壁磨损的因素之一 ,锥角越小其磨损越小。但过小的锥角使卫燃带变薄，容易脱落 。为此，在水冷壁下部焊有销钉用以固定高强度耐高温防磨耐火材料。保障该区域水冷壁安全可靠地工作。 图2采用水冷壁让弯结合浇注料的结构处理模式 图3 直接敷设耐磨浇注材料的结构处理模式我们在选型时采用了水冷壁让弯结合浇注料的结构处理模式，利用以“灰治灰”的方法；为了进一步提高膜式水冷壁耐磨性能，在浇注料顶端以上水冷壁150喷涂耐磨合金涂层。该方法可使水冷壁管本体在三年之内不磨损，可将水冷壁寿命提高3倍。而且该种喷涂也可

10、在大修期间进行，从而最大限度地延长水冷壁的使用寿命。4、不规则管壁的磨损不规则管壁包括穿墙管 ,炉墙开孔处的弯管 ,管壁上的焊缝等 ,此外 ,还有一些炉内的测试元件 ,如热电偶等。运行经验表明 ,即使 很小的几何尺寸的不规则也会造成局部的严重磨损 ,图 4给出了炉墙开孔处的弯管区域发生了程度不同的磨损 ,其中开孔上部的弯管磨损较轻 ,而开孔下部的弯管则磨损比较严重。3图4 弯管区域发生磨损的情况示意图5、 布风板及风帽的磨损在布风板上的风帽出口处一次风速很高 ,可达30-35/，由于磨损与风速的3次方成正比，所以设计时采用成熟的炉膛布风装置-水冷布风板，选取适当的布风板阻力，使布风更均匀。采用

11、合理的风帽布置及结构是减少布风的偏流现象的重要措施，本循环流化床炉采用的是水冷布风板，在其上分布有1006个材质为ZG8Cr33Ni9N 菌状风帽。材质是影响耐磨性的重要因素之一，材质为ZG4Cr26NiMn3Nre 的钟罩风帽的耐磨性是材质为ZG8Cr33Ni9N 菌状风帽的1.2倍以上，且裂纹率仅为菌状风帽的12%。另外，风帽间距的大小也会影响到风帽，间距为161mm ×45 mm的错列风帽的耐磨性是间距为161mm ×80 mm风帽耐磨性的87%，但风帽间距不能无限的增大，流化风速和炉膛结构制约了该值的扩大，还有煤种的不同对风帽间距的布置节距要求也不同。再有，一次风速

12、加大会使得风帽小眼风速高出设计值较多，致使相邻风帽小孔气流方向改变和加大相邻风帽的顶部风速，使得帽顶磨损加剧。可以通过二次风口下移并以一定角度下倾以实现二次风补氧作用，相应减少一次风量从而减轻风帽磨损程度。对于风帽顶部为平顶且较薄，建议采用钟罩式风帽，以减轻风帽顶部磨损；也可以对一般磨损风帽的帽顶进行堆焊处理。五 、煤的燃烬与燃烧效率的提高飞灰中含碳量主要与循环倍率和飞灰中所含碳的活性有关，但主要还是取决于飞灰中所含碳的活性。理论上循环倍率越大，飞灰中所含碳的活性越大，飞灰含碳量就越低。但若飞灰中所含碳的活性低于给煤活性，采用高循环倍率，飞灰中含碳量不降反增。这是因为在循环流化床燃烧（900）

13、条件下，使焦碳明显失活的时间为1030S 。对于炉膛中的较细的煤颗粒来讲，由于停留时间较短，不会明显失活，所以非活性组分来源于在炉膛中停留时间较长的大焦碳颗粒。并且由于大颗粒的温度比炉膛温度还要高50200，这就使反应性下降更大。4因此，即使对这部分飞灰碳增加其在炉内停留时间，燃烬仍有难度。因此，一次燃烬度决定了机械不完全燃烧损失，这也是提高分离器效率在减少飞灰含碳量方面作用不是很明显的症结所在。1、 煤的种类比较循环流化床锅炉带负荷不是靠多送风强化燃烧来实现 ,而是主要靠调整循环物料浓度 ,保持合适的炉膛温度来实现的。循环物料浓度越高炉膛的压差越大，炉内传热系数越高，炉膛温度也就越高。循环物

14、料浓度主要取决于煤的粒度范围，煤的粒度范围主要由原煤的挥发份含量和循环流化床锅炉的循环倍率决定的，表1 关于煤值分析报告的数据比较 YG-130/9.8-M型循环流化床锅炉飞灰含碳量7%-10%、炉渣含碳量0.5%-1.2%，其热效率为90.52%。广东江门市粤新热电联供有限公司热电厂YG-130/9.8-M设计数值为碳未燃烬热损失为1.3% ，锅炉热效率为91.04%，灰与渣的比率为5.5:4.5 。通过数据对比分析可以看到广东江门市粤新热电联供有限公司热电厂的煤质与山东临河热电有限责任公司的煤质差别不是很大，其实际运行的数据对广东江门市粤新热电联供有限公司热电厂的数据分析有借鉴价值。通过山

15、东临河热电有限责任公司的数据可以看到YG-130/9.8-M型循环流化床锅炉飞灰含碳量7%-10%、炉渣含碳量0.5%-1.2%，说明未燃烧损失主要存在于飞灰当中，这就说明高温旋风分离器分离效率比较低，这是因为山东临河热电有限责任公司的循环流化床锅炉采用的是“H ”型返料阀，因其立管料腿高度不足，密封差，造成炉内烟气反窜进入分离器，使循环灰不能有效送入炉内循环燃烧。因此我们提出了采用 U 型返料器代替结构设计不合理简易的“H”型返料阀，该结构的严格密封，合理的料 腿差压、 送风压力使长期安全可靠运行。 运行中靠料腿压差信号通过调节返料风量来调整返 灰量。 2、 煤的粒度影响 燃料的粒径对锅炉的

16、经济性有着极其重要的关系， 燃料的粒径越小 ,越有利于燃烬和提 高锅炉热效率 ,但同时也意味着碎煤设备和能耗的增加。 高循环倍率的循环流化床锅炉燃用 高挥发份煤时，煤的粒径可以大些，反之则要小些。 六、结论 1、循环流化床锅炉的磨损是不可避免的 ,但对于锅炉使用单位来说 ,完全可以使用一些必 要的预防手段（采用敷设浇注料、喷涂耐磨金属层、采用水冷壁让弯结构和提高材质等）来 减少甚至控制一些部位的磨损的发生 ,从而减少锅炉的停炉次数 ,提高电厂的安全经济效 益。 2、煤质的成分决定了灰中含碳量的多少，同时分离器的效率和返料器的性能好坏也对提高 燃烧效率至关重要，在设备选型时应加强这方面的关注。 3、煤的颗粒度和循环倍率也会对水冷壁的磨损与煤的燃烬产生巨大影响，在设备选型时应 予以充分重视。 参考文献 1 岑可法.循环流化床锅炉理论设计与运行(第三版 （）.北京:中国电力出版社 , 2002 2 吴吉华等.循环流化床锅炉水冷壁管束的磨损及预防.节能技术.第 23 卷,总第 133 期, 2005 年 9 月 3 赵 斌 .130T/h 循环流化床锅炉的磨损治理.甘肃科技.第 20 卷,第 6 期 ,2004