CFB 鍋爐水冷壁的磨損與預防措施

王富興，忻 煒

(中石化天津分公司 動力部，天津300270)

0 引言

循環流化床(CFB)燃燒技術以其優良的性能、低污染燃燒特性成為當今世界先進可靠的潔凈燃煤技術之一，但CFB 鍋爐也存在一些帶有普遍性的問題，如:水冷壁管泄漏、耐火澆注料塌落、冷渣裝置故障等，其中水冷壁管因磨損泄漏已成為制約CFB 鍋爐運行周期的重要因素［1］。

某公司2009 年投用了FW 公司的三臺FW －465T/H－12.5 緊湊型CFB 鍋爐，其鍋爐采用水冷旋風分離器，前墻進料，床下點火，選擇性風冷冷渣器;設計燃料為高硫石油焦燃料(校核燃料為焦煤重量比5∶5 混燒)。該鍋爐投用以來一直燃用石油焦，運行工況良好。由于石油焦的價格約為煤的兩倍，焦煤低位熱值比約為3∶2，增加煤炭摻燒量將產生巨大的經濟效益。但由于煤的硬度比石油焦硬度高很多，勢必加劇鍋爐水冷壁的磨損。因此，減輕CFB 鍋爐內床料對水冷壁磨損，保證CFB 鍋爐“安、穩、長、滿、優”運行是目前急需解決的問題。

1 CFB 鍋爐水冷壁磨損機理

循環流化床鍋爐磨損可分為沖刷磨損和撞擊磨損，爐膛中心物料向上流動，近壁面處物料向下回流，當物料回流的速度方向與水冷壁管壁當地表面平行時，為沖刷磨損，此時磨損速度一般是可以接受的［2］。如果物料回流的速度方向與水冷壁管壁當地表面不平行，即存在撞擊磨損。一般循環流化床鍋爐床料顆粒與受熱面的沖擊角度為0° ～90°之間，因此循環流化床鍋爐的磨損是以上兩類磨損基本類型的綜合結果。而水冷壁磨損主要有集中在內沿壁面回流的固體物料與爐內向上運動的固體物料運動方向相反在局部產生旋流，加劇磨損。爐膛水冷壁角落區域的磨損，則是因物料沿水冷壁表面回流在角落區域發生碰撞，使流動狀態遭到破壞，同時壁面夾角形成的流動空間物料濃度較大，使顆粒碰撞增加產生的磨損。

2 CFB 鍋爐水冷壁磨損情況

2.1 2011 年3 月停爐檢查

該公司自2010 年1 月份開始對逐步增加各臺鍋爐的燃煤量，達到校核燃料5∶5 后，自2010 年11 月開始對9 號鍋爐進行大比例煤焦該公司自2010 年1 月份開始對逐步增加各臺鍋爐的燃煤量，達到校核燃料5∶5 后，自2010 年11 月開始對9 號鍋爐進行大比例煤焦摻燒(3∶7;0∶10)試驗，至2011 年3 月12 日9 號鍋爐停爐，停爐后檢查水冷壁，發現澆注料與水冷壁交界至往上0.6 m 處，前墻水冷壁噴涂部分已完全脫落(如圖1)，部分水冷壁管已經磨損到管子實體，磨損較為嚴重(如圖2)，主要集中在水冷壁管密相區與稀相區交界處、水冷壁讓管突起部分的磨損，尤其是前墻磨損嚴重。

對水冷壁管壁測量結果如表1，發現前墻水冷壁管左數第82，85，86，87，88 管路根部磨損較為嚴重(局部磨損率為26%)，第110，112，114，117 水冷壁管路根部以上20 ～30 mm 處磨損嚴重(局部磨損率為30%);距根部約1.2 m 處磨損較輕(基本在4.4 ～4.9 mm，局部磨損率僅為12%)。

表1 水冷壁管壁測量表Tab．1 Measuring table of tube of water-cooled wall(基準管厚5.0 mm，前墻左數)

續表

2.2 2011 年5 月停爐檢查

自4 月2 日啟爐后，專門對9 號鍋爐(為全煤燃燒工況)進行了水冷壁噴涂、鍋爐四角水冷壁加裝澆注料、前墻澆注料抬高等措施，2011 年5 月7 日停爐后檢查爐內水冷壁發現，上次停爐(3 月15 日)鍋爐水冷壁做的前墻噴涂基本都已經磨掉(根部至根部往上0.6 m 處)，水冷壁根部及讓管突起部分仍然是磨損突出部位，如圖3，4所示。

對水冷壁管壁測厚，測量結果如表2，發現前墻根部左數第81 ～92 根磨損都很嚴重，平均在2.7 mm 左右，與上一次3.5 mm 相比相差0.9 mm (局部磨損率為20%)，并發現布風板風帽脫落4 個，由此可見運行這35 天鍋爐水冷壁局部磨損嚴重。

表2 根部水冷壁測厚結果Tab．2 Measuring results of root of water-cooled wall(根數:前墻左數 壁厚:根部壁厚)

3 水冷壁磨損分析

針對2011 年5 月停爐檢查水冷壁磨損情況，進行了如下分析。

3.1 燃料顆粒大

鍋爐給料時，忽視了對燃料粒徑的控制(對燃料粒度檢查中發現有大量顆粒超過10 mm)，直接造成了爐內爐料流化困難、床溫高的現象，為了緩解流化不暢的問題，增加了一次風量。一方面擴大了爐膛密相區的高度，造成對水冷壁的磨損加劇［3］(尤其是CFB 鍋爐澆注料與水冷壁連接與讓管之間)。磨損量與顆粒直徑的平方成正比。當顆粒的速度和與水冷壁的沖擊角一定時，顆粒度越大磨損量越大。另一方面，增加了一次風量煙速就會增大。對于飛灰濃度一定的煙氣，煙速增大飛灰顆粒對水冷壁管壁的撞擊力、沖刷力加大，加劇水冷壁管束的磨損。

3.2 燃料灰分、硬度高

9 號爐自4 月2 日啟爐后，石油焦與貧煤5∶5摻燒，4 月15 日后開始燒全神華煤，根據技術質量部提供數據，4 月份共進煤7 列，其中有兩列灰分超過30%，同時由于燃燒方式改為全煤燃燒，煤的S 含量為0.5% ～0.7%，石灰石投入量很少，床料中CaSO4占的比例下降(爐膛內床料的90%左右均是非可燃物料、燃料煤或石油焦燃燒后的灰渣、脫硫反應后的CaSO4以及未參與反應的石灰石)，由于含Ca，S 等成分較高的床料硬度較小［2］，撞擊后易破碎，對水冷壁的磨損較輕，然而全燒神華煤后，床料中的CaSO4，CaO 等急劇減小(即含Ca，S 等成分低)，鍋爐床料主要成分變為煤渣，硬度增加，是加劇水冷壁磨損的原因之一。

3.3 二次防磨噴涂附著力差

二次防磨噴涂普遍存在效果較差的現象，主要是因為在進行新噴涂之前，未對原噴涂層區域進行處理，造成新老結合面處不能形成一個整體，易出現脫落，進而未達到對水冷壁防護的作用。

3.4 水冷壁安裝垂直度不合格

按照《電力建設施工及驗收技術規范(鍋爐機組篇)》要求［5］，水冷壁安裝時必須保證上下水冷壁聯箱中心線垂直距離不超過3 mm，而實際在測量水冷壁垂直度時發現，爐膛整體呈現上寬下窄，四面墻均不同程度的向內傾斜，前墻最明顯。這也解釋了前墻讓管處磨損嚴重的原因。

4 水冷壁防護措施

4.1 預防措施

在保證施工質量的前提下，采取了如下措施，以減小水冷壁的磨損［4～6］。

(1)抬高前墻澆注料高度

循環流化床鍋爐磨損問題最突出的部位是在耐火澆注料與水冷壁管束之間交界面附近。將前墻澆注料高度增加300 mm，以減輕此處水冷壁管束的磨損。這是因為高度增加后，在耐火澆注料凸臺附近沿壁面向下流動的固體物料量相對減小，同時物料中的大顆粒也比較少，因而減輕管壁磨損。

(2)重做水冷壁表面噴涂

表面噴涂耐磨合金材料是一項有效的局部水冷壁防磨措施，涂層的硬度比母材的硬度大，而且涂層在高溫下生成致密、堅硬而且化學穩定性較好的氧化層，提高水冷壁重點磨損區域的耐磨性。而5 月7 日停9 號爐，對水冷壁與澆注料連接處往上5 m 及屏翼過熱器附近2 m 發現部分區域噴涂已完全磨掉，故對表面重新處理后對這兩部分水冷壁進行了噴涂，以減小床料對水冷壁實體管壁的磨損。

(3)改變水冷壁管束與澆注料連接方式

針對耐火澆注料凸臺上方產生嚴重磨損的原因，采取改變水冷壁管的幾何形狀，填滿讓管區域，使澆注料域與上部水冷壁管保持基本平直，圖5 所示，對減輕局部磨損效果明顯。國外的一些主要循環流化床鍋爐制造公司目前已經采用了這種設計，國內也采用了類似的設計。澆注料采用高密度銷釘固定的方式，水冷壁與耐火材料交接處的讓管結構使貼壁物料流進入密相區不受阻擋。

圖5 改造后的水冷壁與澆注料連接方式Fig．5 Joint method after the reform of the water-cooled wall and fireproof-wearproof material

(4)增設防磨梁

敷設多階防磨梁［7］的方式進一步減小床料內循環對水冷壁管束的磨損，利用銷釘固定鋼網后，將耐火耐磨澆注料通過鋼網固定在水冷壁上，形成爐膛內壁沿水冷壁高度方向以2.5 m，3 m，3.5 m，4 m 間距傾斜的多階防磨梁，使CFB 鍋爐爐內物料流變化如圖6 所示。其防磨原理是通過多級凸臺阻擋貼壁下降的物料流，使其喪失由于下落高度而積累的速度，并顯著降低了貼壁流的顆粒濃度，從而減輕金屬表面磨損，尤其是對水冷壁與耐火澆注料交接處的局部磨損。

4.2 運行措施

采取以上防磨措施后，主要加強了以下幾方面的運行調整。

(1)適當控制煙氣流速

由于煙氣流速與鍋爐負荷有關，與流化風量和二次風量配比有關。在能滿足床料良好流化的情況下，流化風量不易保持過大(通常流化風保持物料流化即可，由于鍋爐一次風量測點不準，以一次風機電流為參照，將其調整至220 A 即可)，爐內燃燒過程所需的氧量應由二次風進行調整。由于在二次風的作用下，可適當降低密相區的高度，適當延長燃煤顆粒在爐內的停留時間，提高煤粒子的燃燼率，從而減小了對水冷壁的磨損，也可適當降低飛灰可燃物含量。

圖6 CFB 鍋爐爐內物料流變化Fig．6 Change of CFB boiler furnace material flow

(2)嚴格控制入爐燃料粒度

灰粒對水冷壁的磨損取決于燃煤顆粒大小的配比，煤顆粒細面較多，使煙氣攜帶能力越強，煙氣濃度越大，磨損越嚴重，因為CFB 鍋爐與煤粉爐不同，對水冷壁的磨損是二次磨損，是上升煙氣的磨損和上升到一定高度沿四壁回流的煤粒與灰粒的混合物的磨損。粗顆粒較多，煙氣攜帶能力差，煙氣濃度小，密相區物料濃度大，床溫高，脫硫效果變差，帶負荷能力差。因此，控制燃料粒度在適當的范圍(1 mm ～8 mm)，優化鍋爐燃燒，減小燃料對水冷壁的磨損。

(3)降低床壓的控制范圍

床料越厚，所需的流化風量越大，密相區的高度越高。在保持床溫的情況下，盡量維持床壓在4.0 kPa ～4.5 kPa 之間運行，將床料適當保持較低的位置，降低了密相區的高度，讓密相區盡可能在耐磨澆注料范圍內，以減輕對水冷壁的磨損。

(4)降低床壓的控制范圍

由于石油焦的硬度較煤的硬度小很多，在全煤運行中發現前墻中部磨損較為嚴重，兩側磨損很輕。因此，為減小床料對水冷壁的磨損，將四臺給料機中1 號，4 號上煤，2 號，3 號上石油焦的給料方式，以減小爐內床料對前墻中間水冷壁的磨損。

5 結論

循環流化床鍋爐的磨損是不可避免的，這是多年來一直困擾循環流化床鍋爐技術發展的關鍵因素。文章分析了引發磨損的多種原因，針對公司465 t/h CFB 鍋爐采取一系列措施，來減少甚至控制一些部位磨損的發生，取得了良好的防磨效果，延長了水冷壁使用壽命。采取的措施如下:

(1)由于鍋爐前墻存在偏斜，而造成鍋爐前墻水冷壁磨損較為嚴重，通過抬高澆注料、改變水冷壁與澆注料的連接方式，再輔助增設防磨梁可以消除水冷壁根部磨損問題。

(2)爐膛內適當增設4 ～5 道水冷壁防磨梁，降低了水冷壁貼壁流的濃度和下滑速度，在一定程度上明顯的減小了水冷壁磨損程度，增設過多反而起不到好的效果。

(3)通過控制煙氣速度、燃料粒度、密相區濃度以及摻燒順序的運行優化調整方法，在一定程度上可以降低水冷壁的磨損率，實現了鍋爐安全、穩定運行，同時也提高了鍋爐水冷壁管磨損控制和預防水平。

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