循環流化床鍋爐水冷壁防磨技術研究與應用

李景忠，畢加佳，姜軍虎

（陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西 渭南 714000）

1 概述

陜西渭河煤化工集團有限責任公司（簡稱“渭化集團”）是陜西省“八五”時期建設的大型化工企業，是我國現代煤化工發展和新一代煤氣化技術應用的先行企業。公司目前擁有一期年產52 萬噸尿素的生產裝置1 套、二期年產20 萬噸甲醇生產裝置1 套和三期年產40 萬噸甲醇的生產裝置1 套以及年產各5 萬噸二甲醚的生產裝置兩套。

二三期裝置配套鍋爐為無錫華光鍋爐廠設計制造的一臺UG-220/10.8-M 循環流化床鍋爐、兩臺UG-240/10.8-M 循環流化床鍋爐（下稱“3#、4#、5#鍋爐”）。三臺鍋爐運行期間的磨損泄漏，導致后續生產裝置不能實現長周期穩定運行，因此如何從防磨損機理出發,采取進一步的防磨損措施,對循環流化床鍋爐的推廣應用和穩定運行是一個十分現實又重要的問題。前期采取的防磨措施為利用檢修期間進行超音速電弧噴涂處理，但費用昂貴，運行周期短，經過多方調研和技術交流，最終確定采用主動多階防磨梁防磨技術先在3#鍋爐進行改造試驗，效果若顯著則在4#5#鍋爐進行改造。

2 防磨研究的關鍵技術

循環流化床鍋爐磨損機理：循環流化床鍋爐運行中床料分兩種方式循環，一種是床料上升至頂部進入分離器后下到返料腿，重新返回爐膛，叫做外循環；一種是床料在爐膛中間上升到爐膛頂部再沿爐膛邊壁下降到密相區，叫內循環。內循環的循環量是外循環的3～5 倍。床料及飛灰順著爐膛四周水冷壁快速下降形成“貼壁流”，這是水冷壁管形成嚴重磨損的主要原因。

目前研究表明，物料對管壁的磨損速率與速度、濃度及粒度關系為：E=K×U3×d2×μ（式中E 表示磨損速率；K 表示灰特性系數；U 表示物料速度；d 表示物料顆粒直徑；μ 表示物料濃度）。磨損速率與物料速度成三次方關系，與顆粒直徑成平方關系，與物料濃度成正比。

因此，降低貼壁流的流速，磨損速率就會大幅度的降低。故在鍋爐爐膛四周沿爐膛高度每隔一定距離，設置一圈防磨梁，讓爐內大量的內循環物料在沿著水冷壁向下流動的過程中發生物料速度的減緩和偏移，從而減輕物料對水冷壁管外壁因速度和濃度疊加引起的沖刷磨損，達到延緩水冷壁管壽命的目的。

3 循環流化床鍋爐防磨損現狀分析

針對循環流化床鍋爐水冷壁管的磨損原因，可以在設計中合理選擇流化速度，還要針對磨損的局部渦流采取主動或者被動的防磨措施。主動防磨是破壞產生磨損的渦流，改變流場結構，或者將受熱面躲避渦流區布置；被動防磨是在易磨損部位增加管子的壁厚或者加設防磨瓦、金屬噴涂等。最初循環流化床鍋爐基本都是采取超音速電弧噴涂防磨的方法，它是通過金屬熱噴涂技術對受熱面進行耐磨材料噴涂，是解決循環流化床鍋爐水冷壁管磨損的有效方法，但其施工周期長，運行周期較短，一般為2 年，施工費用昂貴。我公司3#鍋爐在磨損重要區域進行一次噴涂的面積約450 m2，耗資近百萬。

而防磨梁技術是循環流化床鍋爐采取的一種新的防磨措施，變被動為主動，以降低貼壁流流速、降低水冷壁管磨損為目的，投資小，維護方便，綜合效益突出。

4 主動多階防磨梁實施方案

多階防磨梁技術方案優點是多層主動阻擋貼壁灰流，逐級降低貼壁灰流速和濃度，因而大大減輕了管壁的磨損，延長了水冷壁的使用周期。

1）3#鍋爐設計在爐膛內部從水冷壁過渡區至爐頂，沿爐膛高度方向共設計5 道防磨梁（凸臺），每兩道防磨梁間距依次為2m、2.5m、2.8m、3.2m，防磨梁設計標高為：第一道14950mm；第二道16950mm；第三道19450mm；第四道22250mm；第五道25450mm。

2）防磨梁形狀與布置：每層凸臺寬度為80mm，上邊水平，下邊傾斜，敷設水冷壁高度為110mm。下部三道防磨梁設計爐膛四周整圈，上部兩道防磨梁設計為前墻單側。防磨梁設計形狀呈直角梯形。

3）防磨梁材料：耐磨耐火澆注料是耐火骨料和結合及組成的混合料。未施工前為干態，加水或其他液體調配使用。主要結合劑為水硬化性結合劑，以澆注、振動的方法施工，暴露在高溫區域使用合金銷釘，施工結束后通過烘爐提高澆注料的物理強度。耐磨耐火澆注料材料成分：33.06%SiO2、1.23%Fe2O3、63.27%Al2O3；性能:耐火度1750℃，1100℃～水冷30 次無破損碎裂現象，常溫耐壓強度71.9 MPa，常溫抗折強度15.3，MPa 耐磨性7.2 cm3，體積密度2.73 g/cm3，0.32%熱膨脹率，20%空隙度，熱導率1.211 m.k。

4）抓釘材質：Φ8mm 形狀為“V”形的不銹鋼（304），長度70mm。

5）防磨梁施工要點：V

①“V”形抓釘必須焊于水冷壁管之間鰭片上，嚴禁在水冷壁管上點焊；

②預制好成型模板并確認好尺寸；

③配置耐磨耐火澆注料時使用專用攪拌機均勻攪拌，確保澆注料性能穩定，水份均勻；

④防磨梁施工隊伍必須有大量耐磨耐火澆注料施工經驗。

6）為了確保在高溫高濃度高磨損環境中防磨梁能安全穩定運行，增強耐磨性能，施工結束后必須進行烘爐，從而保證防磨梁的強度。烘爐前將蒸汽通乳鍋爐水冷壁管內，溫度控制在100℃到150℃，恒溫20h，點火后嚴格執行澆注料要求的升溫速率，不得高于50℃/h。

5 防磨梁改造后經濟分析

3#循環流化床鍋爐改造后水冷壁噴涂周期由兩年延長到四年，年節約噴涂費用25 萬元左右；同時降低了因磨損造成爆管停爐檢修費用每次約10 萬元；每次點爐消耗燃料10 噸費用約8 萬元；防磨梁施工材料費用共計24 萬元，使用壽命按8年計，直接經濟效益按四年一個周期，每年節約費用80 萬元左右，對后續裝置的間接經濟效益就更多了。

6 防磨梁實施后的主要性能指標

防磨梁防磨技術研究的主要目的是徹底解決循環流化床鍋爐水冷壁管磨損的問題，從而提高鍋爐運行的可靠性和經濟型，促使循環流化床鍋爐能夠安全、穩定、長周期運行，為公司帶了來巨大的經濟和社會效益。因此實施投運后3#鍋爐的負荷、床溫、爐膛差壓及煤量等參數是本項目最為關鍵的指標。鍋爐負荷在170t/h 至210t/h范圍內，床溫穩定在930℃至950℃，爐膛差壓穩定維持在啊1200Pa 左右，運行工況穩定。

經過約80 天的運行，鍋爐負荷、床溫、爐膛差壓及煤量等運行參數無明顯變化，運行半年后對水冷壁管壁測厚驗證防磨效果良好，磨損大幅降低，管壁減薄不明顯，大大提高了運行周期，后續裝置的連續穩定運行有了基礎保障。

7 結論

渭化集團3#鍋爐運行中存在的水冷壁磨損問題也是循環流化床鍋爐行業普遍存在的共性問題。經過改造，3#鍋爐運行周期明顯增長，水冷壁管壁厚度無明顯下降，運行參數無明顯變化，效果顯著，因此主動多階水冷壁防磨梁防磨技術，是目前較可靠的、適應性較強的循環流化床鍋爐水冷壁防磨技術，有效解決了磨損的問題，從而提高了鍋爐運行的可靠性和經濟性。公司隨后立即在4#5#兩臺鍋爐進行了改造，防磨效果同樣明顯。