CFB 鍋爐入爐煤粒徑對水冷壁磨損的分析與防護措施

李明軍

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100）

0 引言

近年來，基于循環流化床（CFB）鍋爐燃燒效率高、負荷調節范圍大、燃料煤種適應性廣、節能環保等特點，在國內被廣泛推廣應用。但是，由于其工藝特點所致，從而導致對爐內受熱面磨損問題較為突出，嚴重制約著CFB 鍋爐長、穩、安、滿、優運行。

中海石油華鶴煤化有限公司現有SG-170/9.81-M2801 型循環流化床鍋爐3 臺，采用流態化燃燒方式，分段送風。一次風從爐膛底部水冷風室經布風板送入爐內，二次風經二次風口送入爐內過渡段和懸浮段。在設計煤種條件下，鍋爐達到額定負荷耗煤27.127 t/h，設計入爐煤粒徑范圍為0～12 mm（1 mm 以下占40%，3 mm 以下占70%，8 mm 以下占85%，10 mm 以下占90%，12 mm 以下占99%）。

1 水冷壁磨損原因分析

1.1 入爐煤粒徑影響

鍋爐加煤過程中，入爐煤粒徑越大，需要床料保持良好流化狀態的一次風量就越大，從而導致煙氣的流速增加，水冷壁磨損加劇。水冷壁的磨損量與床料顆粒的粒徑有很大關系。水冷壁表面發生磨損，與之接觸的運動的顆粒就必須有一定的動能。假如在顆粒運動速度一定的情況下，當床料顆粒粒徑很小時，其本身具有的動能也很小，對與之接觸的水冷壁的沖刷磨損力度也就很小，當其低于受熱面管材的彈性形變承受能力時，不足以對受熱面構成威脅。但隨著煤粒粒徑的增大，其動能也增大，對水冷壁表面的沖刷也越嚴重。假如這些超過入爐煤粒徑標準的大顆粒都是含碳量較高的燃煤，它們在爐內要完全燃燒，其循環倍率要遠遠大于粒徑小的燃煤，將加劇受熱面的磨損。隨著時間的推移，爐內的大顆粒所占比例越來越高，顆粒與顆粒之間的間隙也越來越大，當這些大的顆粒聚集到一起，通過這些大顆粒的一次風的阻力將降低，致使這些部位的一次風流速增加，在布風板上產生不正常的“溝流”現象。機組運行中要保證整個床面良好流化，就必然要增加進入爐內的一次總風量，這會導致產生“溝流”部位的一次風流速繼續增加，其攜帶的物料顆粒將大大加劇對受熱面的沖刷、撞擊磨損。

圖1、圖2 是入爐煤粒徑和一、二次風量的配比情況。根據上海鍋爐廠提供的熱力計算技術附件，在設計煤種下，機組75%負荷時，一、二次風校核數據分別為61 151 Nm3/h、51 892 Nm3/h，而實際運行中，一次風量遠超設計值，二次風量也遠低于設計值，入爐煤粒徑也遠遠超過0～12 mm。雖然粒徑超標的煤塊入爐煤量占比很小，但是，如果一次流化風量不足以將其床料流化，將很難通過排渣系統排出爐外，隨著時間的推移，這種大渣塊在床上越積越多，在運行中，為了保持良好的流化狀態，就必須增加一次風風量，送入爐內的氧氣量就會增加，為了控制煙氣殘氧量在廠控指標內，就不得不降低二次風量，造成一、二次風配比失調。而二次風設計要求是不僅要有速度，還要有剛度，要有足夠的穿透能力，才能對燃燒室密相區形成較強的對沖空氣流，抑制物料上行，使燃煤在爐內密相區的破碎更徹底，燃燒更充分。二次風減小，密相區燃燒份額減少，稀相區燃燒份額增加，爐膛上部物料濃度增加，惡化爐內的空氣動力場，加劇上部水冷壁磨損。

圖1 個別大粒徑入爐煤

圖2 運行中一、二次風流量

1.2 煙氣流速

煙氣流速對水冷壁磨損的影響是眾多磨損原因中主要的一點。煙氣流速越高，對水冷壁磨損越嚴重。根據相關研究，磨損量與煙氣流速的三次方成正比，而煙氣流速則與鍋爐負荷以及一、二次風量配比有關，一、二次風量越大，對爐內燃燒情況的擾動程度越劇烈，對水冷壁的磨損量也越大。磨損速率與煙氣流速、顆粒直徑的關系可表達為：δ=k×u3×d3，其中δ 表示磨損速率；u 表示煙氣中的固體顆粒速度；d表示顆粒直徑，k 為常數。在煙氣中固體顆粒速度不變的情況下，磨損速率與顆粒直徑的關系見表1；在煙氣中固體顆粒直徑不變的情況下，磨損速率與顆粒速度的關系見表2。

表1 磨損速率與顆粒直徑的關系

表2 磨損速率與顆粒速度的關系

由表1、表2 可見，當顆粒速度和直徑都增大1 倍時，對水冷壁磨損速率就會增加32 倍，加劇了對水冷壁的沖刷。因此，在機組運行中，控制好入爐煤粒徑，合理調整一、二次風比例和送、引風量，使煙氣中過量空氣系數在設計范圍內，能有效減輕對水冷壁的磨損。

1.3 飛灰中顆粒成分

循環流化床鍋爐最大的優點是適應煤種廣。為了節能，機組所選用的煤種是熱值低、矸石含量高的劣質煤，其物料特性較硬。同時，為了脫硫，還要在燃料中摻燒石灰石粉。飛灰中顆粒的主要成分包含Ca、Si、Al、S、Fe、Mg 等元素，其中Ca、Fe、Al 為金屬元素、硬度較大，燃燒后生成具有較高硬度的CaO、FeO、Al2O3、SiO2等物質（表3）。但是飛灰中這些物質含量的增加，會加劇對水冷壁的磨損。試驗表明，Si、Al 成分含量較高的床料對水冷壁的磨損程度更強。

表3 飛灰主要顆粒物硬度 HV

1.4 防磨工藝影響

流化床鍋爐防磨工藝包括澆注料防磨和金屬噴涂防磨兩項。在施工中，如果耐磨材料成分的選擇不準確，施工質量不合格，將無法做到對水冷壁的有效保護。

2 鍋爐運行中受熱面易磨損部位及磨損情況

從運行實際情況來看，3 臺流化床鍋爐易磨損部位主要有：下煤管入爐段、密相區噴涂部位水冷壁、衛燃帶過渡區水冷壁、冷渣機入渣口周圍澆筑料等（圖3～圖6）。

圖3 下煤管爐內段磨損情況

圖4 水冷壁噴涂位置磨損情況

圖5 爐內澆筑料與水冷壁過渡區磨損情況

圖6 冷渣機入渣口部位磨損情況

3 防磨措施

3.1 嚴格控制入爐煤粒徑

入爐煤粒徑對水冷壁磨損的影響是眾多影響水冷壁磨損的誘因，其影響是一個不斷惡化的過程，不僅是加劇受熱面磨損，還會惡化燃燒，增加鍋爐的各項熱損失，降低燃燒效率。針對入爐煤粒徑的建議如下：

（1）增設篩網。可以在現有環錘破碎機下部增設一級篩網，將粒徑大于12 mm 的顆粒篩選出來，送回地斗進行二次破碎。

（2）增加除鐵設備。停爐后，在清理床料過程中，經常會發現較大的鐵質器件，這些大的鐵件在經過破碎輥時，會將磁輥間隙撐大，致使大顆粒的煤進入鍋爐原煤倉。

（3）合理摻燒一定比例的細爐渣。如果在短期內無法控制入爐煤粒徑，可以考慮在燃煤中摻燒一些細爐渣，用以填充大顆粒之間的間隙，使布風板上一次風更均勻，床料保持良好的流態化，降低“溝流”產生沖刷磨損影響。而且爐渣中含有未完全燃燒的碳粒，可以降低燃燒熱損失。

3.2 合理調控一、二次風比例

運行中根據入爐煤質、鍋爐負荷以及運行工況，及時、合理地調整一、二次風量，使一、二次風充分發揮應有的作用。一次風量的降低可以明顯降低煙氣流速，同時，提高二次風量可以增加二次風的穿透力和剛性，抑制飛灰顆粒上揚的速度，從而降低對爐內受熱面的磨損。

3.3 控制飛灰中顆粒成分

（1）嚴格控制入爐煤煤質。循環流化床鍋爐的煤質適應性廣，是指可以根據所用燃煤質量設計出滿足用戶使用需求的爐型。當一臺鍋爐被設計完成并投入使用，所用燃煤煤質就應該符合設計要求，否則很難達到額定出力。如果煤質偏差大，為了滿足用戶負荷需要，就不得不加大投煤量，其后果是一系列的連鎖惡化反應，影響鍋爐的使用壽命。

（2）合理控制石灰石使用量。通過試驗分析得出，石灰石的硬度為130～250 HV，當受熱面噴涂層、氧化層依次被破壞后，它對受熱面也會產生威脅。因此，應該根據煙氣環保指標，合理調整石灰石使用量，降低飛灰中石灰石含量和生產成本。

3.4 嚴格管控防磨施工質量

（1）嚴格執行噴涂技術要求。目前采用的噴涂技術是電弧噴涂，其技術原理是利用兩根連續送進的金屬絲作為自耗電極，在其端部產生電弧作為熱源，用壓縮空氣將熔化了的絲材霧化，均勻地噴涂在受熱面上。其工藝程序是先采取兩次噴砂工藝，對防磨部位進行表面糙化，然后再在潔凈的表面進行噴涂。噴涂施工前，一定要將受熱面徹底清潔干凈（不能過渡糙化，降低金屬損耗），噴涂過程中一定要均勻、全面，涂層過薄或不均勻，將降低防護效果。基于目前入爐煤粒徑情況，綜合受熱面磨損實況，將原設計密相區噴涂高度（6.8 m）向上提高1 m，經運行驗證防護效果得到提高。

（2）易磨損部位適當加設護板或套筒。針對鍋爐下渣口和下煤管入爐段磨損進行工藝改造，在下渣口處增加防護板，用以緩沖物料對布風板水冷壁的沖刷；在下煤管入爐段加設耐磨套筒。經運行驗證對磨損部位保護效果良好。

4 結束語

從實際運行、維護過程中的經驗出發，分別從循環流化床鍋爐的磨損原因分析、易磨損部位、以及防磨措施三方面論述入爐煤粒徑對受熱面磨損的影響。流化床鍋爐爐內燃燒工況復雜，燃料對受熱面的磨損是一個復雜的課題，降低受熱面的磨損、延長運行周期，發揮循環流化床鍋爐節能、高效的優點，是今后的研究方向。