75t/h循環(huán)流化床鍋爐爐膛受熱面磨損原因分析及防治

雷 健，周紅蘭，魏 麗

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院東營(yíng)分院，山東 東營(yíng) 257091）

某石油化工公司熱電廠建有三臺(tái)75t/h循環(huán)流化床鍋爐，型號(hào)為YG-75/5.3-M12，額定蒸發(fā)量75t/h，過(guò)熱蒸汽出口壓力5.3MPa，過(guò)熱蒸汽出口溫度450℃，給水溫度150℃。該廠循環(huán)流化床鍋爐投運(yùn)以來(lái)，爐膛水冷壁管等爐內(nèi)受熱面的磨損很嚴(yán)重，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，因受熱面磨損泄漏而被迫停爐的故障率一度高達(dá)21.2%，水冷壁的磨損嚴(yán)重影響了鍋爐的長(zhǎng)周期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。該廠水冷壁的磨損主要發(fā)生在兩個(gè)區(qū)域：一是爐膛下部密相區(qū)防磨耐火澆注料（衛(wèi)燃帶）與水冷壁管過(guò)渡區(qū)域；二是不規(guī)則管壁區(qū)域。該廠鍋爐衛(wèi)燃帶敷設(shè)在高度為4.52～9.335m，即布風(fēng)板往上4.815m的區(qū)域。金屬件嚴(yán)重磨損的區(qū)域高度在9.335～9.635m，即從衛(wèi)燃帶與水冷壁管的過(guò)渡區(qū)域開始，向上0.3m的區(qū)域?yàn)樗浔诠艿膰?yán)重磨損區(qū)。不規(guī)則管壁區(qū)域的磨損也是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，這些區(qū)域包括布置在膜式水冷壁上的溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)、取樣點(diǎn)、吊點(diǎn)、筋板的凸凹或裂縫處。

一、循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損原因分析

1.循環(huán)流化床鍋爐爐膛受熱面磨損的原因

循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的受熱面包括爐膛水冷壁管、爐內(nèi)受熱面（包括屏式翼形管、屏式過(guò)熱器、水平過(guò)熱器管屏）、尾部對(duì)流煙道受熱面等，造成循環(huán)流化床鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損的原因有：①煙氣中顆粒對(duì)受熱面撞擊產(chǎn)生磨損，這一點(diǎn)與煤粉鍋爐尾部受熱面的沖刷磨損相似。②受熱面表面受運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢的顆粒沖刷所造成的磨損。③沿受熱面運(yùn)動(dòng)的固體物料受其他顆粒的作用，利用貼壁的固體顆粒作為磨損介質(zhì)，使受熱面產(chǎn)生磨損，這也就是三體磨損。④隨氣泡快速運(yùn)動(dòng)的顆粒對(duì)受熱面產(chǎn)生磨損。⑤氣泡破裂后顆粒被噴濺到受熱面表面從而對(duì)受熱面產(chǎn)生磨損。⑥爐內(nèi)局部射流造成受熱面的磨損，循環(huán)流化床鍋爐中的各種射流包括給料（燃料和脫硫劑）口射流、固體物料再循環(huán)口射流、布風(fēng)板風(fēng)帽的空氣射流、二次風(fēng)空氣射流以及因管道泄漏而造成的射流等。射流卷吸的床料對(duì)相鄰的受熱面形成直接的沖刷而造成磨損。⑦伴隨著爐內(nèi)和爐外固體物料整體流動(dòng)形式所造成的受熱面的磨損。⑧由于幾何不規(guī)則造成的受熱面的磨損，例如若床內(nèi)布置有一根帶有焊縫的垂直傳熱管，由于在焊縫附近產(chǎn)生局部的渦流，從而使焊縫以上的受熱面產(chǎn)生磨損。

2.循環(huán)流化床鍋爐爐膛受熱面的磨損機(jī)理

（1）濃相區(qū)內(nèi)氣泡及顆粒對(duì)水平埋管的磨損機(jī)理

循環(huán)流化床鍋爐濃相區(qū)內(nèi)埋管的磨損由以下三個(gè)原因引起：①顆粒團(tuán)（乳化相）對(duì)受熱面表面的沖刷磨損。由于床內(nèi)顆粒濃度很高，不可能出現(xiàn)類似于稀相流中分散的自由運(yùn)動(dòng)顆粒，因而受熱面的磨損不可能是由分散的自由運(yùn)動(dòng)顆粒對(duì)金屬表面撞擊而成。此外對(duì)磨損試樣的微觀分析表明，金屬表面的變形十分嚴(yán)重，在試樣的邊緣呈現(xiàn)凸邊，這也表明磨損是由顆粒團(tuán)對(duì)表面反復(fù)沖擊所致。②由于床內(nèi)氣泡的生成、長(zhǎng)大、上升、合并和破裂等導(dǎo)致床料的擾動(dòng)和夾帶以及噴濺等，造成埋管受熱面的磨損。當(dāng)氣泡出現(xiàn)并上升時(shí)，把動(dòng)能傳給顆粒，使其具有撞擊埋管受熱面的潛能，同時(shí)氣泡尾渦攜帶的顆粒隨氣泡向上加速運(yùn)動(dòng)，也會(huì)撞擊到埋管受熱面。③由局部射流所引起的磨損。在密相區(qū)內(nèi)存在局部的高速射流，如蒸汽或空氣埋管的泄漏、煤或脫硫劑的底飼噴口、飛灰再循環(huán)入口等，射流卷吸的床料顆粒對(duì)相鄰的受熱面表面形成直接的沖刷而導(dǎo)致磨損。運(yùn)行中一旦埋管管束中某根管道因壁面磨穿造成高壓蒸汽或空氣的泄漏，則很快會(huì)導(dǎo)致相鄰埋管因局部射流磨損而泄漏，并引起連鎖反應(yīng)，從而造成大量管子損壞，后果十分嚴(yán)重。

（2）爐膛水冷壁管的磨損機(jī)理

在循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)，典型的流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)為環(huán)—核結(jié)構(gòu)。在內(nèi)部核心區(qū)內(nèi)，顆粒團(tuán)向上流動(dòng)，而在外部環(huán)狀區(qū)，固體物料沿爐膛水冷壁面往下回流。環(huán)狀區(qū)的厚度從床底部到頂部逐漸減薄，環(huán)狀區(qū)的平均厚度從實(shí)驗(yàn)室裝置的幾毫米一直變化到大型循環(huán)液化床鍋爐的幾十厘米。固體物料沿爐膛水冷壁面的向下回流是水冷壁管產(chǎn)生磨損的主要原因。爐膛水冷壁管的嚴(yán)重磨損通常與回流物料突然改變方向有關(guān)。回流物料突然改變方向的部位有：水冷壁與衛(wèi)燃帶的分界面處、膜式水冷壁的表面缺陷處和焊接缺陷處、水冷壁其他凸出的部位。

爐膛水冷壁管的磨損有雙體磨損和三體磨損兩種方式。雙體磨損是由于固體物料與水冷壁相接觸，水冷壁受到向下回流物料的沖刷。在三體磨損中，沿爐膛壁面運(yùn)動(dòng)的固體物料受到顆粒團(tuán)的碰撞，利用貼壁的固體顆粒作為磨損介質(zhì)使水冷壁管產(chǎn)生磨損。在上述兩種作用方式中，三體磨損是循環(huán)流化床鍋爐爐膛水冷壁管產(chǎn)生磨損的主要形式。

（3）爐膛水冷壁管及金屬件磨損的原因分析

水冷壁管與爐膛下部密相區(qū)防磨耐火澆注料過(guò)渡區(qū)域發(fā)生磨損的主要原因是沿爐膛壁面下流的固體物料在交界區(qū)域產(chǎn)生流動(dòng)方向的改變，因而對(duì)水冷壁管產(chǎn)生沖刷。另一原因是過(guò)渡區(qū)域內(nèi)由于沿壁面下流的固體物料與爐內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的固體物料運(yùn)行方向相反，因而在局部產(chǎn)生渦旋流，這個(gè)因素導(dǎo)致的磨損存在于整個(gè)爐膛內(nèi)，在一般區(qū)域的作用并不顯著，只是在爐膛角落區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較顯著的磨損作用，因?yàn)榻锹鋮^(qū)域內(nèi)沿壁面向下滾動(dòng)的固體物料的濃度比較高，受到擾動(dòng)后對(duì)水冷壁的沖刷作用更強(qiáng)。另外，這類磨損的速率會(huì)隨著爐膛高度的增加而減小，即越接近密相區(qū)的水冷壁，磨損會(huì)越嚴(yán)重。水冷壁不規(guī)則管壁區(qū)域的磨損也主要是由第一個(gè)原因引起的。該廠鍋爐的水冷壁管吊裝過(guò)程完畢后，焊接在水冷壁上的吊環(huán)沒(méi)有取下，鍋爐運(yùn)行不久后，即出現(xiàn)了水冷壁泄漏，經(jīng)查是吊點(diǎn)處的水冷壁管被磨穿。分析其原因，就是沿壁面下流的高溫灰在下流的過(guò)程中，碰到了吊環(huán)，流動(dòng)方向發(fā)生改變，不再與水冷壁表面平行，從而對(duì)臨近水冷壁產(chǎn)生沖蝕磨損。

二、循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損防治措施

針對(duì)爐內(nèi)受熱面的嚴(yán)重磨損問(wèn)題，制定實(shí)施了以下防治措施：①加強(qiáng)來(lái)煤管理，控制矸石含量，及時(shí)進(jìn)行煤質(zhì)化驗(yàn)，控制進(jìn)料粒度不大于10mm。其中8mm及以下要占燃料的90%，1.5mm及以下要占燃料的50%，1.0mm及以下要占燃料的30%，盡量減少因燃料品質(zhì)造成的磨損。②科學(xué)進(jìn)行風(fēng)量的控制與調(diào)整，嚴(yán)格控制漏風(fēng)。滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)一次風(fēng)量在滿足流化及控制床溫的前提下盡可能小一些，其比例占總風(fēng)量的55%，二次風(fēng)比例為45%。③在爐膛下部的水冷壁管等重點(diǎn)磨損部位澆注防磨砼，此措施成本低廉而且防磨效果好。④在循環(huán)流化床鍋爐的埋管受熱面焊接防磨鰭片。杜絕水冷壁管屏表面的凸起現(xiàn)象，檢修結(jié)束后將水冷壁管焊口打磨圓滑，水冷壁管鰭片應(yīng)該滿焊，不能留下縫隙或漏洞。⑤改變水冷壁管的幾何形狀，耐火材料結(jié)合簡(jiǎn)易彎管，使衛(wèi)燃帶區(qū)域與上部水冷壁管保持平直，這樣固體物料沿壁面平直下流。⑥在對(duì)流受熱面的迎風(fēng)面管排加焊防磨護(hù)瓦。

三、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)爐內(nèi)受熱面的嚴(yán)重磨損問(wèn)題，采取以上的一系列防磨措施后，該廠循環(huán)流化床鍋爐因受熱面磨損泄漏而被迫停爐的故障率大幅下降，有效提高了循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。