循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損機(jī)理及控制措施淺析

薛永濤

(國(guó)能寧煤集團(tuán)煤制油化工安裝檢修公司，寧夏銀川 750000)

循環(huán)流化床鍋爐又稱為沸騰爐，具有效率高、污染小、調(diào)節(jié)靈活、煤種適應(yīng)廣、爐渣綜合利用率高等特點(diǎn)。尤其是環(huán)保方面的實(shí)用性，使得這種鍋爐近些年來(lái)在煤制油化工及電力行業(yè)應(yīng)用廣泛。該類型鍋爐的底部為一多孔的布風(fēng)板，空氣以高速穿過(guò)孔眼，均勻進(jìn)入布風(fēng)板上的床料層中。鍋爐床層上的物料為熾熱的固體顆粒和少量煤粒，當(dāng)空氣高速穿過(guò)床層使床料上下翻滾，水冷壁受熱面受到運(yùn)動(dòng)的顆粒物不同程度的磨損時(shí)，易導(dǎo)致膜式水冷壁局部發(fā)生磨損嚴(yán)重，水冷壁受磨損部位的強(qiáng)度降低，從而使該區(qū)域發(fā)生破裂導(dǎo)致泄漏。循環(huán)流化床鍋爐停爐由磨損原因造成的事故率達(dá)45%～50%，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益影響。本文從檢修工藝和運(yùn)行調(diào)整兩方面分析原因，采取相應(yīng)的控制對(duì)策，減小磨損速度，提高鍋爐運(yùn)行效率[1-4]。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

循環(huán)流化床鍋爐一般由爐膛、高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、省煤器、空預(yù)器及旋風(fēng)分離器組成，其結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of circulating fluidized bed boiler

2 常見的磨損部位

循環(huán)流化床鍋爐爐膛水冷壁管的磨損是鍋爐受熱面磨損嚴(yán)重的部位之一。由圖1可見，循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的磨損，最嚴(yán)重的區(qū)域在爐膛下部水冷壁與耐火澆注料交界處、爐膛四周密相區(qū)域以及一些不規(guī)則的管壁如管壁上焊縫處等。

3 磨損機(jī)理分析

3.1 磨粒磨損

物體表面與磨粒相互摩擦引起表面材料損失的現(xiàn)象叫磨粒磨損。它是指一個(gè)表面與硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒接觸，產(chǎn)生切削或刮擦作用，引起材料表面破壞。在流化床系統(tǒng)中，磨粒磨損十分普遍。磨粒磨損的機(jī)理是磨料顆粒的機(jī)械作用，它與磨粒的相對(duì)硬度、大小、形狀、固定程度以及載荷作用下磨粒與被磨表面的力學(xué)性能有關(guān)。由于影響因素眾多，很難對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管受磨粒磨損情況建立起一個(gè)完備系統(tǒng)性的數(shù)學(xué)模型，故很難定量討論，只能定性分析[1]。在一次風(fēng)機(jī)與二次風(fēng)機(jī)開動(dòng)的條件下，循環(huán)流化床物料在鍋爐爐膛中心區(qū)域以上升流為主，四周邊壁區(qū)以貼壁下降流為主，正常運(yùn)行時(shí)爐膛內(nèi)部流體流動(dòng)(見圖2)。

圖2 循環(huán)流化床內(nèi)部流體流動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of fluid flow inside circulating fluidized bed

3.2 耐火澆注料與水冷壁管交界處磨損原因分析

循環(huán)灰沿鍋爐內(nèi)壁下落到水冷壁與耐火澆注料交界處上部堆積，形成約45°的自然堆積角，之后下落的灰沿坡面下滑，避免沖刷水冷壁管，可以起到減小磨損的作用。在水冷壁與耐火澆注料交界上部的過(guò)渡區(qū)內(nèi)，由自然下落的積灰在耐火澆注料上部形成斜坡，稱為“軟著陸”區(qū)域(見圖3)。沿鍋爐內(nèi)壁爐內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與向下流動(dòng)的固體顆粒運(yùn)動(dòng)方向相反，這樣使得“軟著陸”區(qū)域的細(xì)顆粒減少，大顆粒增多，導(dǎo)致“軟著陸”的效果減弱，沿爐膛壁面向下流動(dòng)的固體顆粒在交界處流動(dòng)方向發(fā)生了改變，因而對(duì)水冷壁管產(chǎn)生沖刷磨損(見圖4、圖5)。

圖3 設(shè)計(jì)工況Fig.3 Design conditions

圖4 實(shí)際工況Fig.4 Actual working conditions

圖5 耐火澆注料與水冷壁管交界處磨損Fig.5 Abrasion of refractory castings and water wall pipes

3.3 爐膛四角的管壁磨損原因分析

爐膛水冷壁四個(gè)角落區(qū)域的管壁磨損(見圖6)，主要原因是由于在四角產(chǎn)生的疊加作用使該區(qū)域內(nèi)壁面向下流動(dòng)的固體物料密度增加，流動(dòng)狀態(tài)也發(fā)生了改變[2]。

圖6 爐膛四角的磨損Fig.6 Wear of four corners of the hearth

假設(shè)在爐膛的四個(gè)內(nèi)壁面上向下的顆粒層厚度為a，則在四角處，有部分重疊區(qū)域，其密度為每個(gè)壁面中間的2倍，故在爐膛的四角處，會(huì)形成較為嚴(yán)重的磨損。

3.4 不規(guī)則區(qū)域管壁磨損原因

不規(guī)則區(qū)域管壁如爐墻開孔處的彎管(見圖7)，管壁上的焊縫(見圖8)，原因主要是不規(guī)則管壁對(duì)局部的流動(dòng)特性造成較大的擾動(dòng)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，即使很小的幾何尺寸的不規(guī)則也會(huì)造成局部的嚴(yán)重磨損，圖7給出了爐墻開孔處的彎管區(qū)域發(fā)生了不同程度的磨損，其中開孔上部的彎管磨損較輕，而開孔下部的彎管則磨損比較嚴(yán)重[3]。

圖7 彎管區(qū)域發(fā)生磨損的情況示意圖Fig.7 Shows the abrasion of the elbow area

圖8 管壁上的焊縫磨損Fig.8 Weld wear on the tube wall

4 采取的控制措施

4.1 檢修工藝方面

由磨粒磨損機(jī)理可知可以從兩方面采取控制措施，一方面增強(qiáng)材料的抗磨性能；另一方面是防止或減少磨粒進(jìn)入摩擦表面。

4.1.1 膜式水冷壁局部熱噴涂 采用先進(jìn)的電弧噴涂技術(shù)，施工過(guò)程由兩部分組成，首先進(jìn)行表面預(yù)處理，然后進(jìn)行耐磨防護(hù)噴涂[4]。注意噴砂除銹后，要及時(shí)進(jìn)行噴涂。噴涂至少5次以上，使涂層厚度至少達(dá)到0.5 mm。施工完的噴涂層表面應(yīng)均勻光滑，無(wú)麻面、開裂、起皮、脫落等現(xiàn)象，涂層邊緣平滑過(guò)渡。

圖9 電弧噴涂Fig.9 Arc spraying

4.1.2 加裝防磨擋板 在爐膛密相區(qū)的澆注料上方，間隔3 m～3.5 m，可以加裝一層防磨擋板(見圖9)。這樣使運(yùn)行中防磨擋板上形成物料堆積，使沿爐膛壁面下流的固體顆粒在下落時(shí)實(shí)現(xiàn)軟著陸，減小其向下流動(dòng)的動(dòng)能，從而減小了固體顆粒對(duì)水冷壁的局部沖刷作用的力度，同時(shí)也阻擋一部分固體顆粒與水冷壁的接觸，這樣就減小了對(duì)水冷壁的磨損(見圖10)。

4.1.3 減小對(duì)接焊縫的余高及錯(cuò)口量 一般在焊接中要求焊縫余高要小于2 mm，但在水冷壁管中，由于焊縫處存在形狀突變，導(dǎo)致磨粒磨損加劇，為了保證較好的受力所用，減小摩擦，要將焊縫打磨平整，最好是小于0.5 mm，可以有效的減少焊縫處的磨損。同時(shí)，管口組對(duì)時(shí)，錯(cuò)口量要控制在0.5 mm以內(nèi)。

圖10 加裝防磨擋板Fig.10 Anti-wear baffle

4.2 運(yùn)行調(diào)整方面

嚴(yán)格控制適宜的風(fēng)量，煙氣流速是影響鍋爐內(nèi)壁磨損主要的原因之一，風(fēng)量太大，可以加速物料對(duì)水冷壁管的磨損，且增大二次風(fēng)量，會(huì)對(duì)物料重力沉降造成擾動(dòng)，也會(huì)加大對(duì)爐管的磨損，因此，要選擇合理的操作工況點(diǎn)，使鍋爐運(yùn)行更佳。

5 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐的磨損是不可避免的，但可以使用一些必要的預(yù)防手段如采用加澆注料、噴涂耐磨金屬層、采用防磨梁等來(lái)減少甚至防止一些部位的磨損現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少鍋爐的爆管頻次 ，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

［1］李華，等.循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損及過(guò)熱的分析和預(yù)防［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2010，(4)：33-34.

［2］王金枝，肖明，等.循環(huán)流化床鍋爐膜式水冷壁管磨損及處理［J］.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，13(4)：43-46.

［3］趙斌.130 t/h循環(huán)流化床鍋爐的磨損治理［J］.甘肅科技，2004，20(6)：35-36.

［4］周菊華，黃生琪，等.鍋爐水冷壁泄漏事故的判斷處理和預(yù)防［J］.江蘇鍋爐，2010，(2)：38-40.