循环流化床锅炉磨损分析及对策

循环流化床锅炉磨损分析及对策

李旭

(中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司内蒙古鄂尔多斯市017209)

摘要：对于流化床锅炉来说磨损的主要是其受热面，当其不断受到高浓度固体物料的冲刷，就会产生磨损，而对于影响流化床锅炉的受热面的磨损主要受到烟气的速度与其本身的特性影响。因此对于流化床锅炉来说，其防磨损就显得十分重要。本文基于此，首先介绍了循环流化床锅炉中比较容易磨损的部件，然后具体分析了流化床锅炉的受热面出现磨损的原因，最后结合以上的分析提出在流化床设计和运行的过程中应该采取怎样的措施来预防磨损，以作参考。

关键词：循环流化床锅炉；磨损机理；磨损位置；磨损原因；解决对策

循环流化床锅炉作为一种新兴的燃烧技术，具有发电效率高、环境污染小、清洁性强等优点，被广泛应用于火力发电、工业生产、废弃物处理等领域中。但是，就当前的循环流化床锅炉实际使用情况来看，其中还存在较多问题有待解决，其中锅炉磨损现象尤为突出，导致承压的金属管管壁厚度不断减小，严重时会直接破裂，造成锅炉无法正常运行，对企业带来了较大的损失，所以必须改善循环流化床锅炉磨损问题。

一、循环流化床锅炉磨损机理

循环流化床锅炉在运行过程中，烟气中的灰尘杂质是处于不断运动的状态，所以灰尘颗粒物很容易以一定的速度和较大的角度撞击到锅炉壁面，锅炉壁在灰尘颗粒撞击作用下，会出现微小形变或者微小裂纹，短时间内不会对锅炉的工作性能造成影响，但是当撞击灰尘颗粒不断增对、撞击时间不断累积后，受撞击的锅炉壁表面便会整片脱落，进而造成撞击磨损。一般情况下，循环流化床锅炉内的温度大于为900℃左右，烟气中的灰尘无法软化沉积在锅炉底部，会在布风装置所形成的气流作用下，不断在锅炉内进行流动，不断以较小角度或者平行角度冲刷锅炉壁表面，锅炉壁长时间处于灰尘颗粒物的切削作用下，便会出现冲刷磨损现象。

二、磨损的概念及评价方法

按照机理不同,磨损分为粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损和微动磨损等。在循环流化床锅炉中,受热面和耐火材料的磨损主要表现为冲蚀磨损。常用磨损量、磨损率、耐磨性等作为评价材料磨损性能的指标。

（1）磨损量。根据部件表面尺寸的改变来确定总耗损量,常用长度变化、体积变化和质量变化来表示,在其他条件相同的情况下,磨损量越大,部件材料抵抗磨损的性能越差。

（2）磨损率。任何情况下磨损都是时间的函数,工程上常用磨损量与发生磨损所经历时间的比值表示磨损率。

（3）耐磨性。耐磨性指在一定工作条件下材料抵抗磨损的性能。材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种,工程上一般采用后者。

三、循环流化床锅炉磨损主要位置

3.1炉膛水冷壁管

除水冷壁过渡区及炉膛角落外，尚未发现水冷壁直接受严重磨损的情况，一般只是发现水冷壁管被磨亮。因此现阶段炉膛水冷壁管的磨损还没有成为一个严重问题。但炉膛角落区域的水冷壁磨损比较严重，其原因可能是角落区域内沿壁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。不规则的管壁包括穿墙管、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。实际的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。

3.2旋风分离器的磨损

旋风分离器的大部分构件（除中心筒外）一般都敷设耐火材料，因此旋风分离器金属件的磨损不是很严重。旋风分离器入口处由于烟气流速较高，易造成耐火材料的磨损，旋风分离器筒体和锥体一般都经受900oC左右的高温，偶然也会达到1100oC，过度的热冲击可能引起过多的裂纹。

3.3对流受热面的磨损

国产循环流化床锅炉对流受热面的磨损是一个比较严重的问题，磨损发生的主要部位在过热器的第一、二排管子、省煤器两端和空气预热器入口处。

3.4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,由于运行风速略高于临界流化速度,同时床内很少有燃烧发生,因此磨损问题与鼓泡流化床锅炉及炉内受热面相比要轻得多。外置式流化床换热器的主要问题是由于微振造成传热管壁的磨损。

四、循环流化床锅炉耐火材料的磨损

耐火材料的作用主要是防止高温烟气和物料对金属构件的高温氧化腐蚀和磨损,兼有隔热作用,由于其组成骨料较粗(粒度大约为0.5mm),其表面不可能相当光滑,所以仍具有一定的磨损速度。使用耐火材料的主要区域有:燃烧室、旋风分离器、外置式换热器、烟道及物料回送管路等。

4.1燃烧室的磨损

炉膛部分一般采用厚炉衬,该炉衬是由75～150mm的致密抗磨损浇注料或可塑料覆盖并以相似厚度的保温材料构成,通常毁坏都是由过度的裂缝和挤压剥落而引起的。

4.2旋风分离器的磨损

一般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可能磨损的主要部位。由于烟气发生旋转,物料方向改变,速度高且粒度粗、密度大,因此很容易发生磨损。同时,该部位耐火材料较厚,一般情况下又不均匀,温度梯度也不均匀,加之经受900℃左右甚至还高的高温,因此过度的热冲击会引起衬里材料的裂缝,造成耐磨材料的破坏。

4.3立管及返料器

热冲击及颗粒循环变化常会导致立管和返料器的磨损。另外,因为施工质量问题也往往导致立管和返料器磨损。

4.4膨胀节的磨损

在循环流化床锅炉中,当膨胀节超过设计间隙或其间隙内进入高温物料时,会造成膨胀节处耐火材料摩擦或受力挤压而损坏,如果大量的高温物料进入膨胀节内,将加剧磨损,甚至直接烧坏金属物件,造成锅炉无法运行。

五、受热面产生磨损的原因分析

循环流化床锅炉内的受热面包括炉膛水冷壁管、炉内受热面（凝渣管等）、尾部对流受热面、密相区埋管受热面。上述受热面中除尾部对流受热面的磨损与常规煤粉燃烧锅炉相似外，其他受热面的磨损过程是十分复杂的，造成循环流化床锅炉受热面产生磨损的原因有：

（1）随气泡快速运动的颗粒对受热面产生的磨损；

（2）沿受热面运动的固体物料受其他颗粒的作用，利用贴壁的固体颗粒作为磨损介质，使受热面产生磨损，这也就是所谓的三体磨损；

（3）气泡破裂后颗粒被喷溅到受热面表面从而对受热面产生磨损；

（4）由于几何不规则造成的受热面的磨损，例如床内布置带有焊缝的垂直布置的传热管，由于在焊缝附近产生局部涡流从而使焊缝以上的受热面产生磨损。

（5）伴随着炉内和炉外固体物料整体流动形式所造成的受热面的磨损；

（6）炉内局部射流造成受热面的磨损，循环流化床锅炉中的各种射流包括给料（燃料和脱硫剂）口射流、固体物料再循环口射流、布风板风帽的空气射流、二次风空气射流以及因管道泄漏而造成的射流等，射流卷吸的床料对相邻的受热面形成直接的冲刷而造成磨损；

（7）烟气中颗粒对受热面撞击产生的磨损，这一点与煤粉锅炉尾部受热面的冲刷磨损相类似；

（8）受热面表面受运动速度相对较慢的颗粒冲刷所造成的磨损；

六、影响受热面产生磨损的各种因素分析

影响循环流化床锅炉受热面产生磨损的因素很多，在锅炉设计和实际运行中主要考虑烟气速度与受热面特性的影响。

6.1烟气速度的影响

浙江大学和三菱重工业公司的研究表明，冲蚀量E和烟气速度ν之间存在下述关系：

Eανn式中n的取值有下列二种情况：a.当与灰粒的性质、浓度和粒度有关时n>3，b.在烟速为9~40m/s,n=3.3~4.0

6.2受热面特性的影响

（1）受热面材料硬度的影响。被磨材料的磨损不仅与颗粒的硬度HP有关，而且更主要的是与被磨材料的硬度Hd和颗粒的硬度HP之间的比值有关。当Hd/HP比值超过一定值后，磨损量会迅速降低，即当Hd/HP≤0.5~0.8时为软磨材料。如属这种情况，增加材料的硬度Hd会迅速提高耐磨性。

（2）受热面结构的影响。受热面的排列有顺列和错列两种形式，按顺列布置的管束，流动截面积宽，磨损低于错列的管束，受热面应尽量顺列布置。

七、受热面的防磨损措施

根据以上分析，在设计和实际运行时可以采取以下措施防止受热面磨损：

（1）提高气固分离装置的分离效率，可降低烟气中的飞灰浓度，从而减轻对流受热面的磨损；

（2）降低速度场和飞灰浓度的不均匀性，如在烟道转弯处加装导向板、旋风分离器烟道布置凝渣管等，防止局部严重磨损；

（3）受热面管束尽量采用顺列布置；

（4）防止烟气走廊的形成；

（5）采用膜式省煤器或鳍片式受热面；

（6）改变水冷壁的几何形状，耐火材料结合简易弯管使卫燃带区域与上部水冷壁管保持平直下流，消除了局部产生易磨区；

（7）管束前加防磨护板；

（8）局部易磨处采用厚壁管；

（9）采用管壁表面处理技术，如喷涂、渗氮等；

（10）防止磨损和腐蚀同时发生；

（11）对旋风分离器易磨损区域的防磨损方法采用砖砌结构而不是采用常规的耐火材料浇注。

（12）设计时选择合理的烟速；

八、循环流化床锅炉磨损对策

8.1炉膛水冷壁磨损对策

首先，为了解决炉膛水冷壁与密相区的交界处的磨损，可以采用让管技术对水冷壁管进行改造。在安装水冷壁管时，使其偏离锅炉进行弯曲，浇筑耐磨材料的时候，选在靠近锅炉的水冷壁管一侧，这样便不会有凸起存在，也不会造成水冷壁磨损。其次，为避免炉膛角落区域的水冷壁出现磨损现象，需可以在该区域打上浇筑一层耐磨材料或者防磨材料，进行圆滑过渡处理。针对炉膛不规则区域管壁磨损现象，可以浇筑一层耐磨材料，并对角落位置的凸起进行打磨处理，提高不规则区域的光滑度和平整度，确保气流运动的稳定性。

8.2尾部受热面磨损对策

为了解决循环流化床锅炉尾部受热面磨损现象，需要从锅炉气流速度、灰尘颗粒物含量、灰尘颗粒物与管子之间的角度等多种因素进行综合考虑。首先，应该控制好气流速度，可以加大尾部烟道截面积，或者降低进风量和吹风速度，来减小气流流动速度。其次，应该对气固分离器进行优化改造，提升其工作性能，实现更加理想的分离效果，尽可能的降低锅炉烟气中的灰尘颗粒物含量。也可以通过加强对原燃料的质量控制，避免混入较多杂质来降低灰尘浓度。同时，应该控制好受热面在横向方向上应等间距分布，并且尽量靠近炉墙。

8.3布风装置磨损对策

针对布风装置出风帽磨损现象，在安装风帽时，应该尽可能的缩减与布风板之间的间距，防止出现气流漩涡。同时，还需要采用定向法使风帽间隔分布，防止风帽之间气流相互直吹，引发的气流漩涡现象，确保经过风帽出的气流呈匀速流动状态，避免出现磨损现象。最后，还可以控制好锅炉进风量和进风速度，保证气流的稳定性，降低对布风装置的冲刷程度。

结束语

以循环流化床锅炉磨损机理为理论依据，针对不同原因造成的不同部位磨损现象，需要采取针对性的解决措施，对锅炉进行优化改造，尽量避免磨损现象的发生，保证循环流化床锅炉的安全、稳定运行，延长去使用寿命，降低企业生产经营成本，确保循环流化床锅炉应用优势的充分发挥。

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