循環(huán)流化床鍋爐磨損分析

楊 瑯

近幾年來，循環(huán)流化床(CFB)機(jī)組發(fā)展十分迅速，CFB機(jī)組特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定，具備深度調(diào)峰穩(wěn)燃能力，可在35%～110%負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行。本文以西山熱電3#機(jī)組為例，針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐如何減小爐內(nèi)受熱面的磨損、避免發(fā)生爆管事故進(jìn)行探討分析。

循環(huán)流化床鍋爐(CFBB)與傳統(tǒng)的煤粉爐不同，爐內(nèi)床料在煙氣攜帶下沿爐膛上升，經(jīng)爐膛上部出口進(jìn)入分離器，在分離器中進(jìn)行氣、固兩相分離，被分離出來的固體粒子經(jīng)回料閥再返回爐膛下部。在CFBB的運(yùn)行中，含有燃料、石灰石及反應(yīng)物的固體床料在爐膛—分離器—返料器—爐膛這一封閉循環(huán)回路里處于不停的高溫循環(huán)流動(dòng)中，并在爐內(nèi)850℃ ～950℃進(jìn)行高效率燃燒及脫硫反應(yīng)。除床料在這一回路作外循環(huán)流動(dòng)外，床料在重力作用下在爐內(nèi)不斷地進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。因此，在循環(huán)回路的相應(yīng)部位必然產(chǎn)生磨損。磨損不僅影響鍋爐的安全運(yùn)行，還限制了這類鍋爐一些優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。磨損給鍋爐造成直接危害是使承受內(nèi)壓的受熱面金屬管子壁厚減薄直至爆管停爐。

1 鍋爐情況簡(jiǎn)介

西山熱電有限責(zé)任公司3#鍋爐是無錫華光鍋爐公司生產(chǎn)的240 t/h循環(huán)流化床高溫、高壓鍋爐(型號(hào)UG－240/9.8－M4)，與50 MW等級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)匹配，可配合汽輪機(jī)定壓、滑壓?jiǎn)?dòng)和運(yùn)行。于2006年10月一次性通過72+24試運(yùn)行后，投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

2 事故經(jīng)過

2010年11月10日3#爐冷態(tài)啟動(dòng)成功，啟動(dòng)后，負(fù)荷長(zhǎng)期處于接近滿負(fù)荷運(yùn)行工況，在二次風(fēng)量調(diào)整至最大，控制一次風(fēng)量的運(yùn)行工況下，運(yùn)行中床溫經(jīng)常保持在970℃ ～980℃左右。11月26日20∶00，發(fā)現(xiàn)3#爐前二次風(fēng)箱上左側(cè)墻與前墻夾角處水冷壁鰭片處漏灰，通過檢修臨時(shí)處理消除漏灰。

2010年12月16日3∶50，3#爐運(yùn)行中突然發(fā)生左側(cè)床溫突降、水位降低，經(jīng)過運(yùn)行人員判斷為3#爐水冷壁管爆破，緊急停爐。停爐后檢查發(fā)現(xiàn)泄漏位置為爐膛左側(cè)墻與前墻夾角處、耐磨澆注料上方2～3 m未采用金屬噴涂處理區(qū)域的水冷壁管發(fā)生爆管。同步檢查發(fā)現(xiàn)該部位周圍共計(jì)11根管子壁厚減薄至3.5 mm以下，需進(jìn)行更換，另前墻、左、右側(cè)墻澆注料上方磨損區(qū)水冷壁管壁厚減至4.5 mm以下共80多根，且管壁左側(cè)磨損量較大，存在偏磨損的現(xiàn)象。

3 循環(huán)流化床鍋爐磨損的原因

循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的受熱面包括爐膛水冷壁管、爐內(nèi)受熱面(包括屏式異形管、屏式過熱器、水平過熱器管屏)、尾部對(duì)流煙道受熱面等，上述受熱面中除尾部對(duì)流煙道受熱面的磨損與常規(guī)煤粉燃燒鍋爐相似外，其他受熱面的磨損過程十分復(fù)雜，造成循環(huán)流化床鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損的主要原因有：

1)爐內(nèi)和爐外固體物料循環(huán)流動(dòng)所造成的受熱面磨損，主要是由于循環(huán)物料中的顆粒對(duì)受熱面撞擊、沖刷產(chǎn)生造成的磨損。

2)流化床鍋爐中的各種射流包括給料(燃料和脫硫劑)口射流、返料器返料射流、布風(fēng)板風(fēng)帽的空氣射流、二次風(fēng)空氣射流以及因管道泄漏而造成的射流等，射流卷吸的床料對(duì)相鄰的受熱面形成直接的沖刷而造成的磨損。

3)由于幾何不規(guī)則造成的受熱面磨損。

4 循環(huán)流化床鍋爐的磨損

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的磨損是循環(huán)流化床鍋爐中與材料有關(guān)的最嚴(yán)重的問題，爐內(nèi)水冷壁的磨損可分為四種情形：爐膛下部澆注料帶與水冷壁管過渡區(qū)域的磨損，爐膛四個(gè)角落區(qū)域的管壁磨損，一般水冷壁管的磨損，不規(guī)則區(qū)域管壁的磨損。循環(huán)流化床鍋爐磨損易發(fā)生區(qū)域分布圖見圖1。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐磨損易發(fā)生區(qū)域分布圖

根據(jù)該公司這次爆管部位發(fā)生的位置，可將其劃入爐膛下部澆注料帶與水冷壁管過渡(交界)區(qū)域的管壁磨損，這類磨損的機(jī)理有以下兩個(gè)方面：一是在過渡區(qū)域由于沿壁面下流的固體物料與爐內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的固體物料運(yùn)動(dòng)方向相反而在局部產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生沖刷。二是沿爐膛壁面下流的固體物料在交界區(qū)域產(chǎn)生流動(dòng)方向的改變，因而對(duì)水冷壁管產(chǎn)生沖刷。澆注料帶與水冷壁過渡區(qū)域內(nèi)水冷壁管的磨損并不是在爐膛四周均勻發(fā)生的，而是與爐內(nèi)物料總體流動(dòng)形式有關(guān)。

5 運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)磨損的影響

1)煤種變化的影響。煤中灰分影響飛灰濃度，從而影響分離器分離效率和受熱面的磨損。

2)流化風(fēng)速的影響。隨著流化風(fēng)速的增加，物料循環(huán)量和床內(nèi)顆粒濃度增加，風(fēng)速越大，床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)更加激烈，除了加強(qiáng)顆粒間的磨損外，爐內(nèi)受熱面的磨損也加快。另外風(fēng)速增加使床面進(jìn)一步膨脹，稀相區(qū)顆粒濃度、大顆粒物料量的增加，也會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)受熱面的磨損加劇。

3)循環(huán)倍率變化的影響。隨著循環(huán)倍率的提高，爐膛內(nèi)的傳熱將大大改善。循環(huán)倍率對(duì)爐膛內(nèi)，尤其是懸浮空間段的顆粒濃度有重大影響。隨著顆粒濃度的增加，水冷壁的對(duì)流和輻射換熱系數(shù)都將增加，受熱面的磨損也將加劇，因?yàn)槟p量基本與灰濃度成正比關(guān)系。

6 水冷壁爆管原因分析

該公司3#爐發(fā)生水冷壁爆管事故停爐后檢查發(fā)現(xiàn)，前墻水冷壁管磨損嚴(yán)重，但并不均勻，前墻左側(cè)比右側(cè)水冷壁管嚴(yán)重，單根水冷壁管左側(cè)磨損又比較嚴(yán)重，左右側(cè)墻水冷壁管也有一定程度磨損，澆筑料帶與水冷壁管交界區(qū)域、爐膛四角以及一些不規(guī)則管壁區(qū)域也存在嚴(yán)重磨損。這雖然與循環(huán)流化床鍋爐易磨損部位基本一致。然而此次爆管部位發(fā)生在澆筑料帶與水冷壁管交界處上方2～3 m處、前墻與左側(cè)墻夾角處，并不是發(fā)生在澆筑料帶與水冷壁管交界區(qū)域，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)前墻水冷壁管的磨損在該水平線上也較為嚴(yán)重且有偏磨現(xiàn)象，而該部位并不是循環(huán)流化床鍋爐防磨的重點(diǎn)部位。正常運(yùn)行中，如果由于負(fù)荷及風(fēng)量大造成的磨損，應(yīng)該是管子正面出現(xiàn)均勻的磨損，比較上個(gè)供熱期內(nèi)負(fù)荷及風(fēng)量并沒有明顯增大。就該部為存在偏磨損的情況看，應(yīng)該與發(fā)生在11月26日的左側(cè)墻與前墻夾角處水冷壁鰭片處泄漏應(yīng)有很大關(guān)系。該部位鰭片漏灰后，雖經(jīng)過了臨時(shí)處理，但相應(yīng)地改變了爐內(nèi)原有的物料流動(dòng)方式，加之爐膛四角灰的濃度本身就相對(duì)較大，造成該部位水冷壁管磨損加劇。該部位的磨損加劇后，最終使該部位水冷壁管達(dá)不到使用要求，發(fā)生泄漏。之后泄漏出的水蒸氣攜帶大量的物料對(duì)水冷壁管進(jìn)行沖刷，造成周圍水冷壁管統(tǒng)一水平面范圍的急劇磨損，這是正常運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生的管壁產(chǎn)生偏磨損現(xiàn)象原因。

另外爐內(nèi)發(fā)生的大面積磨損還與以下幾方面有關(guān)：

1)流化風(fēng)速大。在運(yùn)行過程中，無論是分離器改造與否，3臺(tái)鍋爐均由于二次風(fēng)出力不足，擾動(dòng)不夠，對(duì)床層沒有足夠的穿透力，造成尾部煙道氧量偏高，床溫長(zhǎng)期偏高。因此，在運(yùn)行中不得不加大一次風(fēng)的比例，而一次風(fēng)的提升，會(huì)造成流化風(fēng)速的增加，床面上移，稀相區(qū)顆粒濃度增加，磨損速度加快。這一點(diǎn)在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，影響更為嚴(yán)重。

2)循環(huán)倍率的變化。由于3#爐在以往運(yùn)行中存在飛灰含炭量偏高、調(diào)節(jié)負(fù)荷遲緩的現(xiàn)象，故在2010年6月大修過程中對(duì)3#爐旋風(fēng)分離器進(jìn)行了施工改造，將原方型水冷分離器通過增加澆注料的方式改為圓形水冷分離器，在分離器進(jìn)行改造前，3#爐負(fù)荷調(diào)節(jié)能力較1#、2#爐明顯要差，負(fù)荷調(diào)整時(shí)存在較大延遲。分析判斷其為分離器達(dá)不到設(shè)計(jì)分離效率，經(jīng)過廠家設(shè)計(jì)，對(duì)其分離器進(jìn)行了改造，改造完成后，3#爐變負(fù)荷運(yùn)行能力明顯加強(qiáng)，已接近于1#、2#爐的水平，同時(shí)飛灰含炭量也有一定程度的下降，達(dá)到了改造效果。但隨著循環(huán)倍率的增加，稀相區(qū)顆粒濃度增加，也造成了磨損速度的加劇。

3)煤質(zhì)變化的影響。3臺(tái)爐運(yùn)行中的煤質(zhì)相同，對(duì)比與同期2#爐停爐后的檢查，可以認(rèn)為煤質(zhì)對(duì)其的影響并不是主要原因。

7 循環(huán)流化床鍋爐的防磨措施

對(duì)于投產(chǎn)后的循環(huán)流化床鍋爐，由于其設(shè)計(jì)、制造工作已經(jīng)完成，在這兩方面采取措施的空間已經(jīng)很小。因此，為減小磨損給循環(huán)流化床鍋爐造成的磨損，可以采取以下幾方面措施：

1)采用金屬表面噴涂技術(shù)和其它表面處理技術(shù)防磨。金屬表面噴涂能防止磨損和腐蝕，有兩個(gè)方面的原因：a)涂層的硬度可能較基體的硬度更大。b)涂層在高溫下會(huì)產(chǎn)生致密的堅(jiān)硬和化學(xué)穩(wěn)定性更好的氧化層，且氧化層與其基體的結(jié)合更牢。

2)爐膛四角的防磨。在衛(wèi)燃帶上部爐膛四角采用敷設(shè)防磨藍(lán)泥，加強(qiáng)對(duì)局部易磨區(qū)的保護(hù)。

3)運(yùn)行防磨。運(yùn)行中盡量采用二次風(fēng)調(diào)整負(fù)荷，風(fēng)量不足的部分用一次風(fēng)進(jìn)行調(diào)整，盡量控制一次風(fēng)速，維持床溫在950℃左右。控制床層壓力在一定范圍以內(nèi)(對(duì)于中小型流化床鍋爐來講盡量控制在10 kPa以內(nèi)為佳)。盡量降低返料風(fēng)壓，以維持正常的返料為主，減小運(yùn)行中可能加劇磨損的條件。

8 結(jié)論

通過以上分析，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)受熱面的磨損是由于爐內(nèi)特有的燃燒方式?jīng)Q定的，因此，應(yīng)采用多種方式減輕磨損，提高鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 岑可法，倪明江.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京：中國電力出版社，1998：436－443.

［2］ 黨黎軍.循環(huán)流化床鍋爐的啟動(dòng)調(diào)試與安全運(yùn)行［M］.北京：中國電力出版社，2002：121.