循環流化床鍋爐承壓部件磨損原因及應對措施

陸永盛

（山西國峰煤電有限責任公司，山西呂梁 032200）

循環流化床鍋爐具有燃料選擇性低、清潔性高、燃燒效率佳的優點，不但可以燃燒優質的精煤，還可以燃燒煤矸石等低質燃料，因此被廣泛應用在熱電廠中。但由于其循環機理的限制，在進行劣質燃料燃燒時，會對鍋爐的承壓部件造成磨損，從而影響其功能的正常運行。據不完全統計，由于磨損而造成停爐事故的比例超過50%，因此，對循環流化床的防磨改善具有重要的現實意義。

1 循環流化床鍋爐概念及磨損機理

1.1 循環流化床鍋爐的概念

目前，循環流化床鍋爐采用的是基于氣-固兩相理論下衍生出的流態化燃燒技術，為目前最清潔的量產化燃燒技術，簡稱CFB。相比與煤粉爐和燃氣爐，其固體物料密度極高，如表1所示。在進入循環流化床鍋爐前，固體燃料會被破碎成直徑小于8 mm 的小顆粒，通過注入空氣，將燃料顆粒流動化，就可以將燃料遍布整個鍋爐，再輔以二次送風，就可以實現爐內的充分燃燒。而流態化的定義為當流體經過固體顆粒時，固體顆粒運動的劇烈程度隨著流速的增加而增加，當顆粒之間的相互摩擦力與自重之和與流體向上的力相等時，顆粒的運動就不再受到約束，形成一種類流體的狀態[1]。

表1 不同鍋爐及位置下典型固體物料密度及煙速

1.2 循環流化床鍋爐的磨損機理

1.2.1 物料運動速度的影響

為了有效提高燃燒效率，循環流化床鍋爐依靠數數個大循環以及數千個小循環來實現低溫燃燒。通過沿著高度方向上將爐子切割成n個截面，分析不同截面位置的固體顆粒的直徑和濃度，發現這兩種要素都與高度成反比，這也符合摩擦過程和燃燒過程的機理。而對于固體物料而言，其剛投入鍋爐就立即成為流化態，當固體顆粒的綜合摩擦力和重力之和小于氣流向上的力時，粒子會有向氣流較小位置飄動的趨勢，而外圍的氣流往往較小，在漂移向外圍的過程中，顆粒與水冷管的外表面發生滑動，形成磨損[2]。

1.2.2 燃煤的影響

對于鍋爐而言，隨著高度的增加，固體顆粒的密度減小，同時直徑也越小，隨著循環次數的增加，對于高熱值的煤而言，可以形成尺寸更均勻、分級更顯著的煤灰；而對于低熱值的煤，可磨系數一般較小，同時含有較多的脈石，會形成顆粒較大的煤灰，對鍋爐的受熱面造成更大的磨損。因此，煤的質量對于磨損情況也具有較大的影響。

2 循環流化床鍋爐受壓部位磨損的原因

在經過長時間的運行后，循環流化床鍋爐部件會形成較為嚴重的磨損。經過實踐數據表明，循環流化床鍋爐磨損相對嚴重的位置包括爐膛水冷壁、爐內受熱面、省煤器、空氣預熱器以及耐火材料層，具體表現如下。

2.1 爐膛水冷壁的磨損

作為承壓部件中磨損最為嚴重且在鍋爐結構中作用顯著的部位，水冷管壁的磨損問題必須予以重視。水冷管壁的磨損主要集中在四角區域、與衛燃段的過渡段以及其他不規則區域這3個位置。

爐膛水冷壁管與其下部的耐火材料的過渡交接區域存在著較大的磨損，其具體形式如圖1所示。而對于爐膛四角區域的磨損主要是由于大量的固體顆粒會沿著壁面滑動，在高密度、高速率的摩擦下，管壁就會出現嚴重的磨損。對于管壁與衛燃段的過渡區域的磨損成因主要有二：①在過渡段內，存在著向上運動及沿壁面滑動下流這兩種趨勢的固體顆粒，兩者在該區段會發生匯流，從而形成局部的渦流，導致該區域的磨損加劇；②下落的固體顆粒在過渡區域內流動的方向會被擾動，對管壁形成沖刷。而對于第三種是在不規則區域產生的磨損，主要包括各焊縫位置、爐墻的彎管處、穿墻管位置以及熱電偶等，其主要由于管壁結構的不規格引起局部渦流所致[3]。

圖1 水冷管壁與耐火材料過渡區的磨損形式

2.2 爐內受熱面的磨損

循環流化床鍋爐的過熱器和過熱器管屏是爐內的主要受熱面，其磨損的原因與這兩個機構的結構特性以及固體顆粒物質的流動特性相關。

作為煙氣的必經之地，爐頂受熱面受到煤灰顆粒的撞擊頻率最大，尤其對于前幾次的循環，高速率、高濃度的大顆粒煤灰對受熱面的撞擊更為劇烈。此外，當氣固流離開弧形的爐膛位置時，大顆粒物質會在離心力的作用下高速向爐頂甩去，進一步加劇了磨損。根據上述的分析可知，爐頂受熱面的磨損程度與爐膛的高度呈負相關，因此，只需要增加鍋爐的容量從而提高爐膛的高度就可以降低頂部受熱面的磨損。同時，還可以在設計時拉長爐頂與水平煙道的距離。

2.3 耐火材料層的磨損

CFB 的耐火材料層的磨損位置包括燃燒室水冷屏、水冷壁表面、分離器煙道以及對流煙道內表面等，其磨損原因主要包括以下3種：①由于溫度的循環波動，導致材料頻繁熱脹冷縮，同時在機械應力以及熱沖擊的外部作用下，耐火材料會形成應力集中，最終形成裂縫甚至出現剝落的情況；②固體顆粒物料反復的沖刷耐火材料，最終對耐火材料層造成不可恢復的損壞；③在經過長時間的運行后，耐火材料本身的物性發生了變化，造成該層的破壞。此外，對于分布在對流煙道兩側的空氣預熱器也會由于旋風分離器的作用而造成進口處的磨損。

3 安裝質量對承壓部件磨損的影響

在焊接安裝水冷壁管時，如果無法嚴格控制焊接的質量，就會對管壁的平整度造成影響，更有甚者會在表面殘留較多的焊渣，這就導致在后續運行過程中更容易出現壁管的磨損。在安裝時，為了保證焊口位置的一致性，必須在鍋爐的中上位置預留焊口，并且這些焊口的高度必須進行嚴格控制。在安裝時，由于部分作業人員未按照施工規定合理設置坡口，就容易導致壁管的水平度差異超標，同時還存在著水冷壁管焊接未完全穩固的情況下就進行組合上架的情況，這就容易導致整體的排布不順，進一步加劇水冷壁管的磨損。而在進行蛇形管的安裝（如省煤器等）時，安裝作業人員并未進行管位的固定位置確認就進行安裝，這就容易造成后續的安裝異常，如同一區的管束的進出口間隙差異大，而間隙不均勻的位置在受到固體顆粒的撞擊時會受到更加嚴重的磨損。此外，由于缺少科學的安裝管控，甚至可能會出現管道錯位的情況，直接導致迎火面的劇烈磨損，甚至出現泄漏的風險[4]。

4 循環流化床鍋爐的防磨措施

4.1 燃燒室底部密相區

燃燒室底部密相區是固體煤顆粒、風以及煤灰進行強烈混合的位置，固體煤顆粒的流動會受到巨大的擾動，導致出現強烈的渦流。為了有效降低固體煤顆粒的撞擊對水冷壁管造成的磨損，可以對密相區的所有水冷管壁進行改造，將銷釘均勻地焊接在其內表面上，并在其表面涂覆一層高強度的耐火涂料，在經過高溫燒結后，其抗壓強度會遠大于固體煤顆粒，從而達到防磨的作用。

4.2 爐膛與燃燒室的結合處

在循環流化床鍋爐的運行過程中，其膜式壁內側會形成一層貼壁灰流，對膜式壁造成縱向的沖刷從而造成局部磨損，這種局部磨損極易造成壁管的泄漏，因此，必須采取相應的防護措施來遏制這種影響。在設計中，可以采用低流化風速以及彎管避讓結構來降低結合處的渦流以降低這種磨損。此外，還可以采用在膜式壁內側堆焊一定厚度的耐磨金屬來提高該區域的耐磨性，一般選用100S-G 級別以上的焊接材料。

4.3 回料閥、旋風分離器、煙道口的防磨

為了提高回料閥、旋風分離器、煙道口的耐磨性，可以采用耐火澆筑材料和耐火磚結合涂覆的方式進行改善。對于旋風分離器，可采用水冷料結構并結合高密度的銷釘來進行優化改造。近年來，隨著技術的進步，已經形成多種成熟的耐磨技術方案。如某電廠分離器的爐墻結構：分離器的每塊耐火材料均采用Y型鉚釘焊接固定在護板上，同時料塊之間采用S 型縫交接，并在縫內嵌入填充硅酸鋁纖維的耐熱鋼網。這一結構是基于美國公司技術方案的基礎上改良而來，并已成功運用在東鍋、濟鍋以及哈鍋上，具有性能穩定可靠、耐磨性強、后期維護便利的特點，具有極高的推廣價值。

4.4 水冷壁、過熱器以及管屏的防磨措施

對于水冷壁管的防磨，仍可采用密焊銷釘加澆筑耐火耐磨材料的結構進行，尤其對于回料口、彎管以及二次風口的位置。而對于屏式過熱器而言，其一般橫向安裝于高密度顆粒區。為了減少其磨損，從布局上可以將其布置方式改為垂直布置，煙氣的沖刷方向變為縱向沖刷，同時，在傾斜段及穿墻段則采用澆注耐磨料并均勻密布銷釘進行固定的方案來避免出現爆管情況。而對于位于尾部的過熱器管束而言，則需要采用順序布置的結構形式，同時在前方設置均流板來形成煙氣走廊，然后在走廊正對的管束上設置防磨蓋板，如圖2所示。防磨材料由流管的煙氣溫度所決定，一般高溫條件下，更推薦選用20G 鋼以及1Cr18Ni9Ti材料，厚度控制在2 mm 左右。此外，在尾部受熱面以及省煤器彎頭處也可以通過加裝防磨蓋板來實現防磨。

圖2 金屬防磨蓋板結構示意

4.5 日常運行過程的注意事項

4.5.1 合理控制鍋爐參數

由循環流化床鍋爐的原理可知，風量會直接影響到鍋爐的運行狀態，當風量過小時，鍋爐的熱效率會降低，而過大時則會導致磨損加劇。因此必須控制好爐內的風量。目前，業內推薦值為略大于最小流化空氣量。此外，雖然循環流化床對煤的選擇性低，但也需要對煤的質量進行控制，如粒度級配、含水率、灰分含量等。對于硅鋁含量較高的物料，需要減少煤泥的摻入，以達到減緩磨損的目的，從而保證鍋爐的平穩運行。

4.5.2 提高人員的操作水平

在循環流化鍋爐的安裝過程中，部分作業人員未按照規范進行安裝，導致壁管之間的間隙不均勻，對于后期設備的防磨損具有不利的影響，因此，必須規范人員的作業過程，保證安裝質量。同時，在運行過程中，也存在人員鍋爐維保意識不強的問題，如在設備故障時，為了進行維修，部分作業人員會采用強制冷卻的方法來快速降溫，由于各個部件的熱膨脹系數均有差異，就會造成磨損的加劇。此外，在進行鍋爐的啟動作業時，作業人員采用快速點火的操作方法，導致局部的爆燃，極易造成鍋爐壁及焊縫的撕裂。因此，必須保證鍋爐啟動的平穩性，讓各部分均膨脹到位后才能進行進一步的操作。

5 結語

在綠色發展理念下，火力發電也朝著更清潔、更綠色的方向發展，而循環流化床燃燒技術則是一大方向。提高鍋爐的耐磨性，對易磨損位置進行有針對性性的處理，對于鍋爐的運行穩定性具有重要意義，也對環境保護具有重要的意義。