循环流化床锅炉的磨损及防磨措施

1、8 循环流化床锅炉的磨损及防磨措施 8.1 概述 磨损是由于机械作用，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损耗、转移或发生残余变形的现象。 按磨损机理不同，可分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、气蚀或冲蚀磨损等。在循环流化床锅炉中，部件的磨损主要表现为冲蚀磨损。 冲蚀磨损冲蚀磨损：是指当流体或固体颗粒以一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。有两种基本类型：冲刷磨损和撞击磨损。 冲刷磨损，颗粒与固体表面的冲击角较小，甚至接近平行，颗粒滑过固体表面时起到一种刨削作用，固体表面的磨损速率较均匀。 撞击磨损，颗粒相当于固体表面的冲击角较大，或接近于垂直，

2、使固体表面出现塑性变形或显微裂纹，经过颗粒反复撞击，变形层脱落导致磨损量突升，且磨损速率有随时间增长而增长的趋势。 通常认为，磨损问题与床内固体物料浓度、速度、颗粒特性及炉膛的几何形状有关。 如循环流化床的水冷壁与耐火材料分界处形成的凸台，受到的冲击力最大，该处的磨损是十分严重的。 常用磨损量、磨损率、耐磨性等特征量来表征磨损的大小及耐磨性能。 循环流化床锅炉的主要磨损部位有承压部件、内衬、旋风分离器和回料器等。见图8-1所示。8.2 循环流化床锅炉承压部件的磨损及磨损机理 8.2.1 承压部件的磨损 循环流化床锅炉承压部件主要包括水冷壁、过热器、外置式换热器、省煤器等。 运行实践表明，当物料

3、流动与承压部件管束表面方向一致，且管束表面光滑时，磨损速度较慢且均匀；当管束表面较粗糙时，磨损速度加快；当物料密度大、粒度大、硬度大时，磨损速率就大；当烟气及物料流速高时，磨损加快；管束表面处于较高温状态时硬度大，耐磨性就好；管束表面与物料流动方向有夹角时，磨损速度明显加快，而方向垂直时，磨损速度最快。8.2.1.1 炉膛水冷壁的磨损 水冷壁的磨损是循环流化床锅炉中常见的磨损问题，也是磨损最严重的部位之一。（1）水冷壁与耐火材料交界处的磨损： 由于交界处气固两相流动发生变化，导致此区域的水冷壁磨损。 见图8-2 采用图8-3右图的结构形式，使灰料的着力点不在膜式壁上，防磨损效果十分明显。 图8

4、-5为循环流化床锅炉耐火材料与水冷壁过渡区域的磨损机理图。 不规则管主要包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上的焊缝等，以及一些炉内测试元件，如热电偶等。运行经验表明，即使很小几何尺寸的不规则也会造成局部的严重磨损。 图8-6给出了炉墙开孔处弯管的磨损区域。8.2.1.2 不规则管壁的磨损 图8-7给出了对接水冷壁焊缝的局部磨损。这类磨损现象在炉膛的浓相区相对较为严重。 对于测试用的热电偶，为测得炉内真实的温度而必须插入足够的深度，也对局部的流动特性造成较大的影响，产生扰流造成邻近水冷壁管的磨损。 另外，在一些已运行的循环流化床锅炉中，已发现炉膛角落水冷壁磨损比较严重，这可能是由于角落区域内沿壁

5、面向下流动的固体物料浓度比较高，同时流动状况也受到破坏所致。8.2.1.2 炉内受热面的磨损 炉膛内屏式冀形管、屏式过热器、水平过热器管屏的磨损与水冷壁的磨损相似，主要处决于受热面的具体结构和固体物料的流动物性等。 炉膛浓相区布置的埋管受热面，与流化速度、床料特性、埋管特性、埋管温度、埋管距布风板的高度等有关。 炉顶受热面受高浓度、高速度飞灰颗粒的撞击及流体流动转弯的影响，使磨损加剧，可通过将炉顶与去旋风分离器的水平烟道拉开足够的距离来解决。8.2.1.3 省煤器与空气预热器的磨损 省煤器与空气预热器的磨损主要发生在省煤器的两端和预热器的进口处。产生磨损的主要原因有： 1）分离器效率达不到设计

6、值； 2）设计上考虑不周； 3) 安装上出现误差； 4）受热面材质不好。8.2.1.4 外置式换热器的磨损 循环流化床锅炉的外置式换热器运行在鼓泡床工况，但磨损问题较鼓泡流化床锅炉及炉内受热面相比要轻得多，主要是由微振磨损造成的。 8.2.1 承压部件的磨损机理 8.2.1.1 冲刷磨损 1）烟气、物料流动方向与管束布置方向总体一致，但在某部位发生跳跃，对该部位造成快速磨损。这是由于物料流动在凹或凸部位时改变方向所致。 2）物料下落过程中某一部位因有凸台和物料堆积而突然发生转向时，物料在该部位将发生涡流而造成严重的冲刷磨损。8.2.1.2 冲击磨损 1）物料与管束呈切向或一定角度相碰时，磨损程

7、度与物料流动方向和速度关系较大。如炉膛出口侧水冷壁。 2）物料与管束垂直相碰，磨损速度是所有磨损中速度最快的。8.2.1.3 微振磨损 微振磨损主要发生在外置式换热器中。8.3 循环流化床锅炉内衬磨损及磨损机理 耐火材料设置的主要目的是为了防止锅炉高温烟气和物料对金属构件的高温氧化腐蚀和磨损，并具有隔热作用。 循环流化床锅炉使用耐火材料的主要区域有：燃烧室、高温分离器、外置式换热器、烟道及物料回送器等。如图8-8所示，图中粗黑细线表示关键耐火材料衬里区域。8.3.1 内衬磨损的主要部位 8.3.1.1 燃烧室 磨损原因：由于负荷调节而经常发生的热和温度的循环变化，或由于调峰需求而进行启动或停炉

8、，燃烧室内温度的变化对耐火材料造成热冲击和热应力，使耐火材料受到破坏。 炉膛部分采用75150mm的厚炉衬，通常由于过度的裂缝和挤压剥落而引起破坏。不锈钢纤维有助于减少裂缝。 燃烧室常用衬里材料：磷酸盐粘合的莫来石基耐火可塑料由于具有体积稳定及良好的耐磨性能而经久耐用，常用于修补有缺陷的区域。 炉膛上部的稀相区，常用碳化硅瓦来减少水冷壁管的磨损。在瓦的后面使用金刚砂灰浆改善管子传热。 在焊有销钉的管子上使用碳化硅基浇注料。如床料或循环灰含碱比较高，推荐使用磷酸盐粘合料。 8.3.1.2 旋风分离器入口及筒体 磨损原因：炉膛顶部及分离器入口段，旋风筒弧面与烟道平面相交部位是主要部位，由于烟气发生

9、旋转，物料方向改变，速度高且粒度粗、密度大，磨损就快。加之温度梯度不均，过度的热冲击引起衬里材料的裂缝。造成耐磨材料的破坏。 旋风分离器下部锥体，由于面积缩小，物料汇集密度增大且粒度最大，加上物料下落速度快，必然造成快速磨损。 常用的耐火材料： 旋风筒采用分层分块浇注，各层均用销钉固定于金属结构上。炉膛顶部及分离器入口，使用含密实且含有不锈钢纤维的抗磨材料。 旋风分离器筒体与锥体，采用超强浇注料。或可能使用热膨胀系数低的薄衬里。 图8-9为旋风分离器的易磨损区域。 8.3.1.3 立管及返料器 采用密细保温浇注料，衬里浇注料保温层采用振动浇注法施工。 8.3.1.4 膨胀节的磨损 包括回料腿膨

10、胀节和旋风分离器进口膨胀节。当膨胀超过设计间隙或间隙内进入高温物料时，造成膨胀节耐火材料摩擦或受力挤压而损坏，甚至烧坏金属物件。8.3.2 内衬磨损的机理 8.3.2.1 热应力和热冲击造成的破坏 这是耐火材料破坏的第一原因。温度循环波动时，由于耐火材料骨料和粘合料间热膨胀系数不同而形成内应力从而破坏耐火材料层。温度快速变化造成的热冲击可使耐火材料内的应力超过抗拉强度而剥落。机械应力造成的耐火材料的破坏则主要是由于耐火材料与穿过耐火材料内衬金属件间热膨胀系数不同造成的。 8.3.2.2 固体物料的冲刷造成的破坏 固体物料对耐火材料的冲刷造成耐火材料的磨损，是耐火材料破坏的第二个原因。一般地，耐

11、火材料磨损随冲击角的增大而增加。 8.3.2.3 耐火材料性质的变化造成的破坏 如因碱金属的渗透而造成耐火材料渐衰失败和渗碳而造成的耐火材料的变质破坏等，均属耐火材料性质变化而引起的破坏。8.3.3 对内衬材料的性能要求 （1）内循环涡流型湍流床内衬，要求高耐磨、耐高温、抗冲刷； （2）高温外循环分离器入口段内衬，要求高耐磨、高耐温； （3）中、高温外循环分离器入口，要求高耐磨、高耐温； （4）中、高温外循环分离器筒体，要求高耐热、保温、热惰性小； （5）点火燃烧室烟道，要求耐热； （6）悬浮室要求耐热、耐磨、热惰性小； 影响内衬材料耐磨性能最直接的因素是抗压强度。抗压强度高于80MPa时，磨

12、损量较低；高于120 MPa时，磨损量可确保低于12cm3 ；高于140 MPa时，磨损量低于4 cm3； 一般磨损部位，其材料的冷态抗压强度达到80 MPa就足够了；严重磨损部位，其抗压强度最好能达到140 MPa左右，磨损量可低于4 cm3；对于耐磨浇注料，强度应选得更高些。 湍流床部位，内衬材料应有高耐磨、耐温及抗折耐压性，导热系数低、容重小；如SiC、黑体硅酸锆。 外循环流化床锅炉分离器入口处为易磨损区，应选耐磨材料；分离器筒体部分内衬要耐高温。8.3.4 内衬材料的实际应用 8.3.4.1 内衬材料的选择 要从材料的物化性质着手，兼顾经济性。一般采用几种不同材料进行分层敷设。 内衬材

13、料有定型制品与不定型制品。定型制品以预制品和砖为主。不定型制品有喷涂料、耐磨耐火可塑料、耐磨耐火捣打料、耐磨耐火浇注料等。 8.3.4.2 内衬材料的结构设计 循环流化床锅炉中主要采用的三种型式的衬里设计：水冷壁衬里、薄的或厚的非水冷壁衬里。水冷壁衬里主要敷设在炉膛和高温旋风分离器区域。 薄衬里较厚衬里更经得起快速热冲击。薄衬里的厚度一般为150mm，通常分两层，即致密的工作层和保温层。 厚衬里分二或三层，总厚度为300400mm。最里面是一层致密的耐热工作表面，打底的保温材料可减少热损失，提高整台机组效率。 8.3.4.3 常用耐火材料的特性 常用的耐磨耐火材料品种有：磷酸盐砖和浇注料、硅线

14、石砖和浇注料、碳化硅砖和浇注料、刚玉砖和浇注料等8.4 影响循环流化床锅炉受热面磨损的主要因素8.4.1 物料总体循环形式的影响 在循环流化床锅炉中，受热面的磨损与流经其表面的固体物料运行形式密切相关。炉内物料总体循环形式由锅炉系统的几何形状和各种射流方式所决定，这些射流包括布风板送入的一次风、炉膛中部送入的二次风和三次风、燃料给入方式、石灰石给入方式以及循环物料流等。图8-12 常见循环流化床锅 炉炉内总体气固流动形式图8-13 单侧回料循环流化床 循环物料的总体流动形式 图8-14给出了受热面温度对磨损的影响。由图可知，循环流化床锅炉受热面的壁温与磨损在管壁温度接近400 一个很窄的范围内

15、发生突变。8.4.2 运行参数的影响 8.4.2.1 床温的影响 循环流化床锅炉床温的虽不影响飞灰本身的磨损性能，温度的变化会影响到管壁金属材料的机械强度。金属壁面的耐磨性与壁面形成氧化膜的厚度及其硬度有密切关系。温度磨损速率图8-14 受热面温度对磨损的影响8.4.2.2 气流湍流强度的影响 有人用数值模拟方法得出，随着湍流强度的增加，壁面的磨损量减少。而在工程实际计算中未加考虑。 8.4.2.3 烟气速度的影响 磨损量随烟气速度的n次方增长（n3.34.0）8.4.3 燃料特性的影响 奥斯龙公司总结其运行经验，将循环流化床燃用的不同燃料情况分为五类：1）无磨损燃料：运行中不产生可视和可测的

16、磨损2）低磨损燃料：受热面防磨保护元件的局部维护不少于2年3）中等磨损燃料：受热面防磨保护元件的局部维护不少于1年4）高磨损燃料：受热面防磨保护元件必须每年进行维护和更换5）严重磨损燃料：受热面防磨保护元件甚至受热面本身的维护 周期少于12个月8.4.4 床料特性的影响8.4.4.1 床料粒径的影响 床料粒径小时，受热面所受冲蚀磨损小。随粒径的增大，磨损量随之增加。达到一临界值后，变化便十分缓慢。 图8-15 给出了冲蚀磨损时磨损量和颗粒直径的数值试验结果。8.4.4.2 颗粒形状的影响 一般认为，带有棱角的颗粒比近似球形的颗粒更具有磨损性。8.4.4.3 床料硬度的影响 颗粒硬度对磨损的影响

17、一般趋势如图8-16所示。8.4.4.4 颗粒成分的影响 实验研究表明，含Si和Al成分比较高的床料比含Ca和S成分较高的床料对受热面的磨损性更强一些。8.4.5 受热面特性的影响 8.4.5.1 受热面材质的影响 材料硬度：被磨材料的磨损不仅与颗粒的硬度Hp有关，更主要的还与被磨材料的硬度Hd和颗粒的硬度Hp之间的比值有关。 热物理性能：试验表明，材料抗冲蚀能力与熔点有关。 8.4.5.2 受热面结构布置的影响 管束结构：顺排与错排。根据运行经验，横埋管宜用顺列结构。管束的横向节距和纵向节距对管束磨损影响也较大。横向节距增大有利于减轻管束底部一、二排管的磨损，但带来顶排管磨损速率变大。纵向节

18、距对底排管磨损影响很小。 管束布置： 底排管距风帽小孔的距离L和管子的安装倾角是两个关键参数。随着L的增加，磨损显著加快。 对管束而言，距离L的变化对底排管磨损的影响最大。在距离L较低和横向节距不太小时，往往导致第二排或第三排管件的磨损最为严重。 管束的安装倾角在3060度的范围内，倾角越大，磨损越明显。 8.5 循环流化床锅炉的防磨技术和措施 8.5.1 材料防磨 材料防磨主要指选择合适于流化床锅炉使用的防磨金属和非金属材料、喷涂料，或采用金属表面渗氮处理的材料进行防磨。 1) 选择适合于循环流化床锅炉使用的金属材料防磨 2) 选择适合于循环流化床锅炉的耐火材料防磨 3) 采用金属表面热喷涂技术防磨 4) 其它表面防磨处理技术防磨 8.5.2 结构防磨 1) 防磨鳍片 鳍片的作用：一是阻碍气泡与埋管表面直接接触，减轻气泡尾涡粒子对表面的冲击；二是隔断了颗粒沿表面的滑动，减弱埋管表面颗粒流化强度。 循环流化床采用的鳍片形式见图8-17、图8-18 由于埋管弯头部分磨损很明显，可采用图8-19所示的