循環(huán)流化床鍋爐耐火耐磨材料損壞原因淺析

張振保,王建峰,李明明

(1.河南金大地化工有限責(zé)任公司,河南漯河 462400;2.鄭州華能耐材有限公司,河南鄭州 450003)

0 前 言

河南金大地化工有限責(zé)任公司目前生產(chǎn)能力為合成氨 300 kt/a,甲醇 30 kt/a,氯化銨1 060 kt/a,純堿1000 kt/a,三聚氰胺100 kt/a,工業(yè)鹽1 600 kt/a。公司循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)的高壓蒸汽供汽輪機(jī)發(fā)電后,全部進(jìn)入0.4 MPa和3.5 MPa蒸汽管網(wǎng),供化工大系統(tǒng)生產(chǎn)用。運(yùn)行5年來,兩臺(tái)鍋爐共發(fā)生非計(jì)劃停爐事故22次,其中由于鍋爐耐火耐磨材料損壞導(dǎo)致停爐事故6次,占非計(jì)劃停爐事故的27.3%。耐火防磨材料損壞的具體情況是,旋風(fēng)分離器頂部澆注料大面積脫落1次;鍋爐落煤口澆注料脫落后造成水冷壁泄漏2次;屏式過熱器澆注料脫落造成管子泄漏3次。

1 耐火耐磨材料的使用部位

循環(huán)流化床鍋爐的磨損通常發(fā)生在固體物料濃度較高、流場(chǎng)復(fù)雜的湍流區(qū)、渦流區(qū),以及與煙氣運(yùn)動(dòng)方向垂直的受熱面等部位,因此,通常在以下部位采用耐火耐磨材料:點(diǎn)火風(fēng)道;風(fēng)室;布風(fēng)板表面;燃燒室下部錐形段;爐內(nèi)屏式受熱面底部;爐膛煙氣出口;分離器;回料裝置;混合室等。

2 耐火耐磨材料損壞機(jī)理分析

循環(huán)流化床鍋爐大多采用熱值低、含硫量較高的劣質(zhì)煤種,飛灰濃度大、流速高,溫度變化頻繁,造成循環(huán)熱沖擊;此外,爐內(nèi)有大量高速運(yùn)動(dòng)的高溫固體物料,需要用大量的耐火材料保護(hù)鍋爐受熱面,防止受熱面磨損泄漏,因此,耐火防磨材料都處于鍋爐運(yùn)行最惡劣的環(huán)境中。通常耐火材料的失效有以下三個(gè)方面的原因:耐火材料的剝落、耐火材料的沖刷磨損、耐火材料的化學(xué)侵蝕。

2.1 耐火耐磨材料的剝落

耐火耐磨材料的剝落一般分為兩種:熱剝落(熱震剝落)、結(jié)構(gòu)剝落。熱剝落是指由于熱沖擊或機(jī)械應(yīng)力引起的材料損失。熱沖擊是指骨料與結(jié)合料由于膨脹系數(shù)不同在溫度循環(huán)波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力從而破壞耐火材料層,熱沖擊會(huì)導(dǎo)致耐火材料襯里形成大裂縫及剝落,而溫度快速變化造成的熱沖擊(如啟停爐操作不當(dāng))可使耐火材料內(nèi)的應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度而剝落。結(jié)構(gòu)剝落是指材料經(jīng)過長(zhǎng)期的使用,組成和內(nèi)部晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,即使在小的溫差應(yīng)力下就能使其表面的變質(zhì)層剝落。

2.2 耐火耐磨材料的磨損

耐火耐磨材料的磨損是爐內(nèi)的流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。

2.3 耐火耐磨材料的化學(xué)侵蝕

包括原煤中有害雜質(zhì),如硫、氮等在燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化合物等酸性氣體對(duì)耐火防磨材料產(chǎn)生化學(xué)侵蝕,以及因堿金屬的滲透造成的耐火材料漸衰失效、滲碳造成的耐火材料變質(zhì)破壞、抓固釘失效造成的耐火材料層脫落等。

3 耐火耐磨材料運(yùn)行中暴露的主要問題

(1)新爐使用不長(zhǎng)就出現(xiàn)嚴(yán)重磨損現(xiàn)象,壁面上出現(xiàn)凹坑,埋下事故隱患。由于結(jié)構(gòu)不同,循環(huán)流化床鍋爐選用的耐火材料品種繁多。針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐不同部位工作環(huán)境不一致,需要選用不同的耐火耐磨材料。

(2)旋風(fēng)分離器頂部澆注料裂紋竄火,燒毀抓釘,造成澆注料大面積脫落,進(jìn)入到返料器中,造成返料中止,鍋爐負(fù)荷降低而停爐。

(3)施工不良,收縮縫處理不好,造成護(hù)板燒紅損壞,被迫停爐。見圖1。

圖1 收縮縫處理不良而產(chǎn)生的裂紋

(4)燃燒室下部處于鍋爐密相區(qū),爐膛中心氣流上升而四周因壁面摩擦和粘滯,使粉塵或顆粒失速下滑而對(duì)上澆注料造成磨損,甚至大面積脫落,造成鍋爐流化不好,容易引起結(jié)焦而停爐。脫落的澆注料卡到放渣管口,造成鍋爐無法排渣,料位增高,影響鍋爐負(fù)荷。

(5)循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)過快或檢修時(shí)強(qiáng)制降溫,造成耐火層內(nèi)溫度急劇變化,產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,使耐火耐磨材料開裂脫落。

(6)鍋爐進(jìn)煤口處于鍋爐的密相區(qū),工作條件極為惡劣,除受到原煤重力的作用外,還要受到風(fēng)、煙、渣、灰的沖刷,該處的澆注料最容易失效。見圖2。

圖2 落煤管澆注料脫落后水冷壁泄漏示意

(7)鍋爐出口水平煙道受到煙氣流的長(zhǎng)期沖刷,造成磨損或脫落,脫落物進(jìn)入到返料器造成返料故障,影響鍋爐運(yùn)行。見圖3。

圖3 鍋爐出口受煙氣的沖刷而造成的脫落

(8)屏式過熱器與爐膛結(jié)合面或屏式過熱器底部澆注料脫落,過熱器管磨損泄漏。見圖4。

圖4 屏式過熱器底部澆注料脫落

4 耐火耐磨材料損壞的原因分析

(1)耐磨材料的成分配比不符合要求。配比不合適會(huì)使耐磨材料的穩(wěn)定性較差,表面硬度減弱,粘結(jié)力降低,導(dǎo)致耐磨材料極易磨損和脫落。

(2)澆注料施工工藝不良。施工時(shí)預(yù)留的膨脹縫不符合要求或膨脹縫設(shè)計(jì)存在問題等,導(dǎo)致運(yùn)行中極易出現(xiàn)耐磨材料大片脫落。

(3)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理。如抓釘、拉磚鉤數(shù)量較少,施工澆注前沒有按要求對(duì)抓釘涂以瀝青,往往會(huì)造成耐磨料大面積脫落。

(4)沒有嚴(yán)格執(zhí)行烘爐曲線,對(duì)烘爐過程缺乏有效監(jiān)督,使?jié)沧⒘蠌?qiáng)度達(dá)不到要求或者產(chǎn)生裂紋,造成運(yùn)行中竄火而發(fā)生脫落。

(5)耐火層鋼制外殼上沒有割排氣口。烘爐、煮爐或啟動(dòng)時(shí),蒸汽從內(nèi)層排出受阻,造成耐火材料脫落或裂縫。

(6)運(yùn)行操作不當(dāng)。在鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)或停爐搶修時(shí)強(qiáng)制降溫,升溫/冷卻時(shí)如果溫差較大,就會(huì)造成耐磨材料的受熱不均而產(chǎn)生裂紋甚至脫落。

(7)原煤中有害雜質(zhì),如硫、氮等在燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化合物等酸性氣體對(duì)耐火防磨材料產(chǎn)生化學(xué)侵蝕,以及因堿金屬的滲透等,造成耐火耐磨材料的損壞。

(8)爐膛飛灰濃度越高,對(duì)鍋爐的磨損就越強(qiáng)烈,飛灰中多硬性物質(zhì)(殘?zhí)?、粗大顆粒的棱角會(huì)加速對(duì)耐火耐磨材料的磨損。

5 耐火耐磨材料損壞的防范措施

(1)科學(xué)、合理選用耐火耐磨材料,是保證鍋爐長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。根據(jù)使用情況選擇耐火材料,在循環(huán)流化床鍋爐中,因燃燒室、旋風(fēng)分離器、物料回送管路等部位所處的環(huán)境不同,受熱沖擊、溫度循環(huán)變化或沖刷的程度也不一樣,不同的區(qū)域可選用不同性能的耐火材料。如風(fēng)室選用保溫混凝土,主要成分為蛭石或輕質(zhì)骨料等;燃燒室下部選用高鋁質(zhì)或剛玉質(zhì)澆注料;燃燒室出口選用高鋁質(zhì)材料即可;旋風(fēng)分離器宜選用高鋁質(zhì)磚或剛玉磚,也可選用高鋁—?jiǎng)傆駨?fù)合材料磚;料腿、返料器選用高鋁質(zhì)材料即可。

(2)嚴(yán)格澆注料施工工藝。必須注意以下事項(xiàng):①所有金屬與澆注料接觸面均應(yīng)涂以瀝青或纏上陶瓷纖維紙;②拉鉤磚的拉鉤槽間隙全部用灰漿填滿;③砌磚過程中,應(yīng)保證所有磚相錯(cuò)布置;④靠近止推板的從下至上的所有耐火耐磨磚均應(yīng)具有拉鉤,所有支撐托板上下一層磚均為長(zhǎng)條形耐火耐磨磚并配合出膨脹縫,以形成一個(gè)磚砌爐墻的穩(wěn)定體系;⑤不同位置采用不同性能的耐火耐磨澆注料,施工時(shí)每個(gè)區(qū)域所用澆注料的性能不能低于該區(qū)規(guī)定的要求;⑥澆注料施工時(shí)一定要搗實(shí);⑦膨脹縫預(yù)留符合要求。

(3)加強(qiáng)烘爐的全程監(jiān)督,嚴(yán)格執(zhí)行耐火材料廠家制定的烘爐曲線。最好讓澆注料自然風(fēng)干15天后,再開始烘爐。烘爐前必須在鋼制外殼上割排氣口。

(4)在澆注料中適量加入鋼纖維,改善耐火防磨層的整體性能。注重落煤口澆注料的施工。在屏式過熱器底部澆注前最好加長(zhǎng)銷釘,編成金屬網(wǎng),涂抹瀝青,從底部一次成型搗實(shí),可延長(zhǎng)該處澆注料的使用壽命。

(5)加強(qiáng)運(yùn)行管理,嚴(yán)格執(zhí)行烘爐曲線;在鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí),嚴(yán)禁快速升溫。杜絕野蠻檢修進(jìn)行強(qiáng)制降溫。防止?jié)沧⒘仙禍厮俾蔬^快,發(fā)生大面積脫落。

(6)鍋爐選用燃料盡量接近設(shè)計(jì)煤種。使用燃料灰分過大、粒度不符合要求時(shí),會(huì)對(duì)鍋爐受熱面和耐火耐磨材料造成嚴(yán)重磨損。盡量不選用高硫煤,避免生成的二氧化硫和三氧化硫?qū)κ軣崦婧湍突鹉湍チ显斐筛g而發(fā)生故障。

6 結(jié) 語

鍋爐的安全可靠運(yùn)行在很大程度上取決于耐火耐磨材料的穩(wěn)定性,因此必須高度重視。科學(xué)合理地根據(jù)各部位的特性選用耐火耐磨材料,嚴(yán)格施工工藝,保證安裝質(zhì)量,全程監(jiān)督烘爐,嚴(yán)格執(zhí)行鍋爐運(yùn)行規(guī)程及加強(qiáng)運(yùn)行管理工作,才能保證循環(huán)流化床鍋爐的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。