循环流化床锅炉防磨技术的探讨

1、循环流化床锅炉防磨技术的探讨赫向辉 神华国华（北京）电力研究院有限公司 北京市开阳路1号 1000695摘 要：本文介绍了循环流化床锅炉的磨损机理，结合目前的防磨技术，对如何提高循环流化床锅炉的耐磨性能进行了探讨。关键词：循环流化床锅炉 让管 防磨梁 防磨槽1 引言作为清洁燃烧方式之一，循环流化床锅炉以其燃料适应性广、环保特性好、负荷调节范围广、灰渣综合利用等优越性而得到电力行业认可。但循环流化床锅炉的防磨防漏一直是运行和检修的重中之重，特别是炉膛内受热面的防磨措施尤为重要。据统计，磨损造成循环流化床锅炉停炉的事故率是4550%，因此如何有效解决其磨损问题是循环流化床锅炉发展的重要研究课题。2

2、 磨损机理在工程实际应用中，由于机械作用、间或伴有化学或电的作用，物体工作表面材料在相对运动中不断发生损耗、转移或产生残余变形的现象称为磨损。按磨损机理不同，可把磨损分为粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损和微震磨损等。在循环流化床锅炉中，炉内受热面的磨损主要表现为冲蚀磨损。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造成的磨损。冲蚀磨损有两种基本类型：一种为冲刷磨损，另一种为撞击磨损，这两种磨损的冲蚀表面流失过程的微观形貌是不完全相同的。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它楔入被冲击物体，而颗粒与固体表面相切的分速度

3、使它沿物体表面滑动，两个分速度合成的效果起刨削作用。如果被冲击的物体经不起这种作用，即被切削掉一小块，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较大，或接近垂直时，以一定的运动速度撞击固体表面使其产生微小的塑性变形或显微裂纹，在长期、大量的颗粒反复撞击下，逐渐使塑性变形层整片脱落而形成的磨损。一般在循环流化床锅炉炉内受热面的磨损中，床料颗粒与金属件和耐火材料的冲击角度在090之间，因此循环流化床锅炉炉内水冷壁的磨损是上述两类磨损基本类型的综合结果。影响循环流化床锅炉磨损的因素很多，主要有燃料灰特性（灰粒特性、灰成分特性）、床料特性、部件或局部的结构特点、

4、物料循环方式、运行参数、受热面的特性等。降低炉内受热面磨损速率的根本方法是降低贴壁流的颗粒浓度及速度。从目前电厂的运行情况看，循环流化床锅炉主要磨损区域包括： 炉膛四周水冷壁（包括密相区耐磨耐火层、密相区与水冷壁管交界处、炉膛四角区域、炉膛出口烟窗区域、炉膛中部管壁、屏穿墙区域及不规则区域）； 炉膛内水冷屏、过热屏、再热屏下端； 水冷布风板及风帽； 炉顶受热面； 旋风分离器及其进出口烟道内表面，立管及返料装置内表面； 尾部对流烟道。 外置床换热管3 主要防磨技术通过磨损机理可以看出，除炉膛四周水冷壁外，其它磨损均可通过设计优化加以避免，例如适当控制入炉煤粒度，控制风量降低受热面磨损，合理砌筑耐

5、磨材料，优化受热面布置等。而炉膛四周水冷壁表面磨损是CFB锅炉最难以克服的障碍。炉内水冷壁的磨损可以根据磨损的部位不同分为两种形式，一种叫做局部磨损，或称“点”磨损，另一种叫做区域性磨损，或称“面”磨损。对于局部磨损，主要与结构有关。容易产生局部磨损的部位有耐磨浇注料的结尾处（或防磨片的结尾处）的磨损；弯曲变形后的管屏；受热面穿墙管；受热面弯管；受热面开孔的地方；不规则的水冷壁鳍片焊缝、焊瘤等施工遗留下的痕迹；管卡受热膨胀松动造成管间或管子与管卡磨损。其中前五项在设计阶段就已考虑了防磨措施，对于浇注料上部的水冷壁早期采取的防磨措施为加装防磨护瓦和设置软着陆平台，由于防磨护瓦及软着陆平台上部的水

6、冷壁管磨损仍然很严重，现该技术已很少采用，目前普遍采用的技术为让管技术。其中，弯曲变形后的管屏磨损主要是由于管屏膨胀受阻造成变形，在变形的弓形部位磨损加剧，锅炉厂在设计时需考虑管屏膨胀变形问题，如果发生了管屏变形严重的现象，则应从管屏膨胀、支吊以及集箱连接管道等设计方面考察分析，进而找出合理的解决方案，另外，已严重变形的部位采用少量更换的方式解决。第六项属于施工阶段造成的磨损隐患，需要在施工完毕后仔细检查并消除。第七项，应做到重点部位定期进行监督检查。采用先进的结构设计解决了局部磨损以后，循环流化床锅炉炉内水冷壁还存在由于其自身的流体动力场特性造成的区域性磨损，即“面”磨损，像炉膛出口转向处水

7、冷壁的迎风面、给煤这一侧的侧墙等。解决区域性磨损的方法主要有两种方式，一种是采用受热面表面处理技术，即采用电、热或等离子喷涂技术在受热面表面喷涂一层高硬度的材料，该方法为被动防磨技术；另一种是采用主动多阶式防磨梁防磨技术，该技术从主动降低贴壁流的灰浓度与速度着手，从根本上控制导致磨损产生的因素，该方法为主动防磨技术。目前主要的防磨技术如以下所述。3.1 金属护瓦技术早期的循环流化床锅炉的水冷壁经常采用金属护瓦技术，并得到了广泛的应用，但随着机组容量的增大，该技术的防磨效果显得略有不足，其结构型式见图1。炉膛内存在大量的灰颗粒沿水冷壁向下流动,通常称之为边界层，这些灰颗粒与光滑的水冷壁平行运动时

8、磨损较轻，一旦水冷壁上有凸台，这些灰颗粒碰到突台时流向发生将变化，使部分颗粒直接对水冷壁管冲刷，造成管壁磨损很快，浇注料交界处、防磨盖板结束处或喷涂结束处都存在这样的磨损。图1：金属护瓦技术结构型式简图3.2 让管技术目前新设计的循环流化床锅炉的水冷壁通常采用让管技术增加其防磨性能，具体方法是将膜式壁折弯让管（见图2），使该处浇注料与膜式壁鳍片形成上下一致的垂直面，使耐磨材料与光管交界处的磨损大大减轻。该措施一般适用于新设计的锅炉，对早期投运的锅炉进行让管改造的投资大、改造困难。采用这种结构需要注意的是一定要检查确认浇注料与折弯上部膜式壁鳍片过渡要平滑，不能出现任何台阶或渗浆造成的棱角，对耐火

9、材料的施工质量要求比较高。有些新电厂因施工问题，改造后实际的防磨效果不是很理想。图2：让管技术结构型式简图3.2 防磨梁技术西安热工研究院有限公司经过研究和实炉试验，发明了循环流化床锅炉水冷壁新型防磨技术，称为主动多阶式防磨技术（防磨梁，见图3）。该防磨装置由销钉和耐火耐磨浇注料形成凸台，并通过销钉将凸台固定在水冷壁上；凸台沿水冷壁高度方向以一定间距水平或倾斜多阶布置。但增加防磨梁后可能会对锅炉的换热有一定影响，最好是在锅炉设计阶段进行，如需后期改造，则需和锅炉厂进行配合，在技术经济比较后再实施。某电厂加装此防磨梁后，改造效果如下：(1)水冷壁不爆管检修周期提高到三年以上，大大延长锅炉水冷壁使

10、用寿命；(2)运行可靠，检修简单方便。省去了每次停炉喷涂检修的费用，继而节省了检修时间，提高了锅炉可用率；(3)安装完成后锅炉累计运行6个月内，在炉膛水冷壁管上随机（自下而上基本均布）抽查3050个点，作加装防磨装置前后管壁变化对比检测，100%抽查点管壁对比防磨实施前的减薄厚度小于1.0mm，80%抽查点管壁减薄厚度小于0.8mm；(4)安装完成后锅炉累计运行一年内，在炉膛水冷壁管上随机（自下而上基本均布）抽查3050个点，作加装防磨装置前后管壁变化对比检测，100%抽查点管壁对比防磨实施前的减薄厚度小于2.0mm，80%抽查点管壁减薄厚度小于1.6mm。图3 防磨梁结构型式简图3.3 多阶

11、布置的防磨槽结构技术东方锅炉厂设计了一种多阶布置的防磨槽结构（见图4），通过改变炉内流场,减少磨损颗粒与水冷壁接触机会,降低颗粒流动速度的主动防磨措施。隔槽采用耐磨耐热钢板制作成波形板和小撑架焊接固定在水冷壁鳍片管上，其作用与其它资料中介绍的防磨突台（防磨梁）类似，但又有明显的不同。防磨水平凸台上积灰量很少，很难起到软阻挡贴壁灰流的作用，做不到使贴壁灰流逐渐减速。水平突台很宽（一般都有几百毫米）对整个边壁层流动形成比较大的扰动，在水平突台上方将形成一个漩涡，因此水平突台上方仍有磨损。另外在四面垂直水冷壁面上设置水平凸台多是用耐火材料加钩钉成型，施工复杂、工期长、成本高。图4 防磨槽结构型式简图

12、防磨槽的特点：(1)用波形耐热钢板与鳍片相焊，在水冷壁表面形成波形槽，波形槽在垂直水冷壁表面多层布置；(2)防磨槽很窄，只阻挡边壁层中对磨损起作用的部分灰颗粒；对炉膛流场影响相当小，不会在炉内产生漩涡；(3)防磨槽能有效积灰，软阻挡作用明显，灰逐渐减速到零后溢出；使与水冷壁接触的灰速度、浓度大幅度降低；(4)没有被阻挡的边壁层灰和从防磨槽溢出灰依然沿水冷壁管表面流下，但不会紧贴水冷壁表面，也不会象突台那样被炉膛中的向上的气流携带上；(5)防磨槽溢灰口水冷壁最外端处最低，有效减少了最易对水冷壁产生磨损的水冷壁之间的凹槽中的灰流量。防磨槽的优点：(1)安装简单方便，成本低，不需对炉膛水冷壁进行大量

13、改造；(2)波形板能有效吸收金属受热后的膨胀，不易变形，运行可靠，检修简单方便；(3)与喷涂等方法相比具有成本低、解决水冷壁磨损更彻底；(4)可方便的用于早期投运的循环流化床锅炉的改造，不受耐磨材料处是否让管和平滑的限制；(5)还可用于炉膛中不可避免的局部突起位置的防磨。某电厂在实施改造后运行两年多来测量管壁厚度无减薄，防磨效果良好。3.4 其它结构技术除以上介绍的防磨技术外，应用较多的还有喷涂技术、堆焊耐磨合金防磨技术和高铝高耐磨瓦防磨技术。喷涂技术包括超音速电弧喷涂防磨技术和超音速火焰(HVOF)喷涂防磨技术，电弧喷涂技术具有喷涂速度高、涂层化学成分和硬质相含量易调整、沉积效率高，尤其适宜

14、于现场的大面积耐磨部件施工，但实践证明涂层可在循环流化床锅炉内仅可经受11.5年的运行磨损，涂层耐磨持续时间难以达到3年以上；超音速火焰(HVOF)喷涂高耐磨的涂层，防磨效果较好，但该法成本较高、现场作业不便，沉积效率低、对粉末要求苛刻。堆焊耐磨合金防磨在沸腾炉的埋管耐磨上使用效果良好且容易施工，施工速度快，在循环流化床锅炉上堆焊耐磨合金防磨可用于抢修，大面积应用则存在着成本高、热应力大、表面不平滑、与受热面管子母材过渡处存在着台阶（尽管较小）等问题。高铝高耐磨砖系列材料均以高硬度磨料超细粉为基质料，外加分散剂、促凝剂及微量水泥强化结合，以获得材料的永固性强度，提高在高温下的抗磨抗剥落性能。高铝高耐磨瓦是为锅炉水冷壁管防磨而设计的特殊形状耐磨砖，安装在相临两水冷壁管上（每根水冷壁管覆盖约半圆弧），与鳍片接触的直段上均布有小孔以便用销钉固定高铝高耐磨瓦，安装施工方便，但此瓦在循环流化床锅炉水冷壁上应用时存在着终结处与受热面管子母材过渡存在着明显台阶、导热系数变小等不足。4 结论及建议综上所述，各种防磨技术均具有各自的优缺点，具体采用哪种防磨技术应根据工程的具体