循环流化床锅炉受热面磨损成因及对策

摘 要

摘要：探讨了循环流化床锅炉受热面磨损机理。对循环流化床锅炉炉膛水冷壁、尾部受热面的磨损成因进行了分析，提出了解决方案。关键词：循环流化床锅炉；受热面；炉膛水冷壁；尾部受热面
摘要：探讨了循环流化床锅炉受热面磨损机理。对循环流化床锅炉炉膛水冷壁、尾部受热面的磨损成因进行了分析，提出了解决方案。
关键词：循环流化床锅炉；受热面；炉膛水冷壁；尾部受热面；磨损
Genesis and Countermeasures for Abrasion of Heating Surface in CFB Boiler
WANG Xiaoxia，CHEN Zhiwei，GAO Shaojuan
Abstract：The mechanism of abrasion of heating surface in circulating fluidized bed(CFB)boiler is discussed.The genesis for abrasion of furnace water wall and rear heating surface of CFB boiler is analyzed，and the solution seheme is put forward.
Key words：circulating tluidized bed(CFB)boiler；heating surface；furnace water wall；rear heating surface；abrasion
   循环流化床锅炉受热面的磨损严重影响了锅炉的安全运行，造成的直接危害是使承压的金属管子壁厚减薄直至爆管停炉。磨损造成锅炉的维修费用增加，机组利用率降低，给企业带来经济损失。因此，解决循环流化床锅炉的磨损问题具有重要的现实意义。本文对循环流化床受热面磨损成因及对策进行探讨。
1 磨损机理
   循环流化床炉内床料在烟气携带下沿炉膛上升，经炉膛上部出口进入分离器，在分离器中进行气固两相分离，被分离后的烟气经过分离器上部出口进入锅炉尾部烟道，被分离出来的固体床料经返料阀返回炉膛下部。在循环流化床锅炉的运行中，含有燃料、飞灰、石灰石及其反应物的固体床料，在炉膛-分离器-返料阀-炉膛这一封闭循环回路中不停循环流动，并在炉内进行高效燃烧及脱硫反应。固体床料除在这个封闭循环回路中循环流动外，还不断地进行内循环。因此，在封闭循环回路中必然对接触面产生严重磨损[1]。
    循环流化床锅炉受热面主要包括炉膛水冷壁、炉内受热面、尾部受热面(省煤器、对流式过热器、空气预热器)、外置式换热器等。受热面的磨损是由冲刷、冲击和微振磨损造成的。冲刷磨损是指烟气、固体物料的流动方向与受热面(或管束)平行时，烟气、固体物料冲刷受热面而造成的磨损。冲击磨损是指烟气、固体物料的流动方向与受热面(或管束)成一定角度时，烟气、固体物料冲击、碰撞受热面而造成的磨损。微振磨损是指在传热条件下，传热管与支撑件之间产生垂直运动而导致的传热管壁损耗现象。
2 炉膛水冷壁的磨损
    循环流化床锅炉典型的“环核”流动为：床料在炉膛中心区域以上升流为主，四周水冷壁区以下降贴壁流为主。炉膛内部有大量的固体床料在进行循环，固体床料沿水冷壁下降时，沿鳍片沟流下的固体床料远多于沿水冷壁外弧面流下的固体床料。若鳍片内被耐磨浇注料、焊瘤等障碍物堵塞，固体床料就会急速向障碍物两侧分开，形成对水冷壁的冲刷磨损。或者反弹到水冷壁管上，形成对水冷壁的冲刷磨损或冲击磨损。最终导致了水冷壁管的爆管泄漏。下面探讨炉膛水冷壁常见磨损部位及解决方案。
    ① 部位1
    炉膛内密相区耐磨浇注料与水冷壁交界处水冷壁磨损。这个部位是循环流化床锅炉中最主要的磨损部位之一。由于密相区耐磨浇注料终结部位与稀相区管壁间过渡部位有凸起，下降固体床料的贴壁流产生涡流，对该部位形成快速磨损。
    早期运行的循环流化床锅炉在该部位磨损相当严重。目前，“让管”技术已被多家循环流化床锅炉生产厂家采用，并取得了显著效果。让管，即把水冷壁管向炉外弯曲，在进行耐磨浇注料捣打施工时，将耐磨浇注料打到水冷壁管弯曲的最内侧，从而防止了水冷壁磨损。改造前后水冷壁管子结构见图1。
 

   ② 部位2
   炉膛角落区域的水冷壁磨损。在一些已经运行的循环流化床锅炉中发现，炉膛角落区域水冷壁磨损比较严重，其原因是角落区域沿内壁面向下流动的固体床料浓度比较高，流动状态也易受到破坏。改进办法是将炉膛角落区域进行圆滑过渡处理。
    ③ 部位3
    不规则管壁的磨损，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量元件，如热电偶等。运行经验表明，即使很小尺寸的不规则几何形状也会造成局部的严重磨损。因此，提出以下改进措施：对需要捣打耐磨浇注料的部位，应严格保证施工质量，耐磨浇注料要求打实，并要求平滑完整，特别是角落部位不应出现高低不平及凸台。水冷壁管间、鳍片间的对接焊缝向火面应磨平。
3 尾部受热面磨损
    在循环流化床锅炉中尽管采用高效分离器对烟气进行气固两相分离，但由于炉内固体床料浓度很高，分离器未能捕集而随烟气进入对流烟道的飞灰浓度仍很高。烟气在尾部烟道中向下流动，较高的飞灰浓度加上较高的烟气流速，常导致省煤器等尾部受热面及烟道严重磨损。
    影响尾部受热面磨损的因素有烟气流速、飞灰的浓度及平均粒径、飞灰的物理化学性质、管子材料的性能、管壁的温度、烟气冲刷管束的角度、管束的排列方式等。
    磨损发生的主要部位出现在：对流式过热器靠两侧墙的烟气走廊附近1～5排的管子，处于水平烟道底部的弯头以及个别突出在顺列管束之外的管子和弯头；省煤器蛇形管沿烟气流向的第2、3两排管子及靠两侧墙的弯头和穿墙管；空气预热器烟气进口处。预防和减少尾部受热面磨损的主要措施为：
    ① 降低烟气中飞灰的浓度。飞灰浓度越大，引起的尾部受热面磨损就越严重[2]。飞灰浓度取决于燃料中的灰分，我国动力锅炉燃煤煤质比较差，燃料的灰分较多，使得飞灰浓度很难降低，因此更应要求采煤及运输过程中不再混入其他杂质。
    提高分离器的分离效率。分离器是保证循环流化床锅炉固体床料可靠循环的关键装置之一，它将炉膛出口烟气流携带的95%以上的固体床料分离出来，再通过返料阀送回炉膛进行循环燃烧。因此，优化分离器结构，提高分离器的分离效率，可以降低烟气中的飞灰浓度。
    ② 采用适当的烟气流速。烟气流速对磨损影响很大，因此烟气流速不宜过高。可在循环流化床结构设计时，适当增大尾部烟道截面积，使烟气流速下降。在运行中，降低一次风量和风速，可降低烟气流速。
    ③ 尽量使烟气的速度场均匀，避免形成烟气走廊。应使受热面的横向节距布置均匀，受热面与炉墙之间的空隙不宜过大。
    ④ 在对流式过热器、省煤器易发生磨损处加防磨护瓦，对管式空气预热器加防磨套管。
4 宏观解决方案
    针对循环流化床锅炉受热面磨损问题，以上防磨措施较侧重于锅炉结构方面的改进。宏观上由于影响循环流化床锅炉受热面磨损的因素较多，主要有燃料特性、床料特性、循环方式、运行参数、受热面结构与布置方式等。因此提出以下几点降低磨损的宏观解决方案。
   ① 适当降低一次风量和风速。在保证床压、床温稳定的前提下，尽可能降低一次风量和风速。一次风量和风速降低，则烟气流速降低。虽然烟气流速与固体床料速度是不等的，但固体床料速度依赖烟气流速，可以用烟气流速作为固体床料速度的表征量。因此烟气流速越低，固体床料速度越低，并采取措施降低流化床锅炉尾部烟气飞灰浓度，可改善炉膛和尾部受热面的磨损。
   ② 炉膛设计截面积不宜偏小。在运行总风量一定的情况下，炉膛截面积越小，流化风速和炉膛风速就越大，磨损就越快。
   ③ 使用低磨损燃料、床料。从磨损角度出发，选用软煤(褐煤)比选用硬煤(无烟煤)会减轻受热面的磨损。从设计角度出发，一定炉型对应一定的煤种，因此锅炉运行时应保证人炉煤的煤质和粒径在设计范围内，并且投用石灰石时要严格控制品质和粒径。还要特别注意去除原煤中的石块、铁块等，消除磨损隐患。
    ④ 采用先进的燃烧工艺。清华大学等提出了低床压降循环流化床锅炉燃烧工艺。在定态设计理论指导下，适当降低构成快速床的有效床存量。以大颗粒燃尽为限制条件，适当降低构成循环床下部鼓泡床的无效床存量。避免多余床存量引起的不必要的风机能耗和受热面磨损。
    ⑤ 超声速电弧喷涂克服了传统火焰喷涂对管道母材的损伤和涂层易剥落的缺点，对降低锅炉管子的磨损能起到很好的作用，可带来明显的经济效益[3]。
5 结语
    循环流化床锅炉受热面防磨问题从设计、施工到运行各方面都应引起高度重视，这样才能使循环流化床锅炉安全有效运行，充分发挥循环流化床技术优点，并降低锅炉的维修费用，提高利用率，促进企业更快、更好发展。
参考文献：
[1] 李烁.循环流化床锅炉设计调试运行与检修技术实用手册[M].长春：吉林科技出版社，2004：1070-1100.
[2] 车得福，庄正宁，李军，等.锅炉[M].西安：西安交通大学出版社，2004：384-385.
[3] 张扬，周辉仁，陈士峰，等.循环流化床锅炉管子的防磨喷涂[J].煤气与热力，2004，24(11)：641-643.
 
(本文作者：王晓霞 陈志伟 高少娟 郑州锅炉股份有限公司 河南郑州 450001)