循環流化床鍋爐受熱面磨損控制和預防

張鮮俊 劉長祿 錢宏利 張玉香

一、概述

CFB（循環流化床鍋爐）效率高、污染低、煤種適應性好，幾乎可燃用各種品質燃料，如泥煤、煙煤（包括高硫煤）、無煙煤、煤矸石等。特別是環保方面，床內直接添加石灰石等脫硫劑，投資小、脫硫效率高。循環流化床鍋爐結構特殊，燃燒方式與煤粉爐有本質區別，在技術成熟度上與煤粉爐相比還有一定差距，尤其是受熱面磨損方面問題突出。

二、磨損機理分析

物體表面與磨粒相互摩擦引起表面材料損失的現象叫磨粒磨損，是指一個表面同其相匹配表面上的硬質物體或硬質顆粒產生切削或刮擦作用引起材料表面破壞。在流化床系統中，磨粒磨損現象十分嚴重。

磨粒磨損機理有三種假說：（1）微切削假說，即磨粒磨損是由于磨料顆粒沿金屬表面進行微量切削過程引起。（2）疲勞破壞假說，即磨粒磨損是磨粒使金屬表面層受交變應力和變形，使材料表面疲勞破壞。（3）壓痕假說，對于塑性較大的材料，因磨粒在力的作用下壓入材料表面而產生壓痕，從表面層上擠出剝落物。總之，磨粒磨損的機理是屬于磨料顆粒的機械作用，在很大程度上與磨粒的相對硬度、形狀、大小、固定程度以及載荷作用下磨粒與被磨表面的力學性能有關。

減少磨粒磨損一般從兩方面采取措施，一是增強材料的抗磨性能。二是防止或減少磨粒進入摩擦表面之間。

CFB鍋爐水冷壁管磨損機理與煤粉爐有很大不同，一方面大量煙氣和固體顆粒在上升過程中對水冷壁管進行沖刷。另一方面由于內循環的作用，大量固體顆粒沿爐膛四壁重新回落，對水冷壁管進行劇烈沖刷。特別在水冷壁管和耐火材料層過渡區的突出部位，因沒有上行氣流，沿水冷壁管下來的固體顆粒形成渦流，對局部水冷管壁起到一種刨削作用（圖1）。

三、磨損的控制和預防

1.爐膛的磨損

爐膛布風板周圍為四側墻水冷壁，在布風板上部約1～4m高度范圍內水冷壁向火面焊接銷釘，澆注耐高溫耐磨澆注料，澆注料層厚度通常為40～80mm，這個區域稱為密相區。密相區是CFB鍋爐燃燒的中心，進行煤粒流化、燃燒、物料循環和氣流循環等過程。密相區的燃燒環境比較惡劣，全部由耐高溫耐磨澆注料來承擔。密相區上部防磨澆注部分與水冷壁的交接處，為防止局部磨損，將上部水冷壁管向外讓管，消除交接臺階，保證整個爐膛四壁無突出部位，同時在交接區域采用硬質金屬噴涂，以增加交接區的抗磨性。爐膛水冷壁的交接角處（如前墻水冷壁與側墻水冷壁），采用切角的形式對接，避免直角造成局部物料濃度過高而引起局部磨損。

（1）耐高溫耐磨澆注料。首先是選材問題，國內生產耐高溫耐磨澆注料的廠家很多，材料種類也很多，澆注料在不同溫度下的耐磨度相差很大，故材料選用很關鍵。CFB鍋爐的燃燒溫度為800～1000℃，因此應參照鍋爐的燃燒溫度選擇適宜材料。施工質量也是一個重要問題，在施工中需注意以下幾點：①水灰比必須控制好，要嚴格按材料使用說明書施工，施工用水必須潔凈，酸堿度要符合要求。②攪拌要均勻，使用強制性攪拌機，攪拌至糊狀。攪拌好的澆注料不可存放時間過長，存放時間≤30min，一次性澆注完畢，不得隨意留施工縫。③使用振搗棒，將澆注料振搗實。④烘爐升溫曲線嚴格按材料供應廠家提供的資料進行。

（2）水冷壁局部噴涂。噴涂施工過程主要由兩部分組成：首先進行表面預處理，然后進行耐磨防護噴涂。表面預處理采用噴砂防銹的方式，表面預處理結束后表面質量應達到Sa3級，表面粗糙度達到50～80μm。噴砂除銹粗化后，及時進行噴涂，涂層厚度最終達到0.6mm以上。施工完的噴涂層表面均勻光滑，無麻面、起皮、開裂及脫落等現象，涂層邊緣平滑過渡。金相宏觀檢查噴涂層與基體結合致密，無分層現象。

2.水平煙道的磨損

水平煙道是煙氣從爐膛進入旋風分離器的通道，結構一般為底面和兩側墻砌筑耐高溫耐磨磚，頂部為耐高溫耐磨澆注料。水平煙道入口四周的水冷壁，其向火面焊接銷釘，敷設耐高溫耐磨澆注料。高速煙氣攜帶十幾倍于進煤量的未燃盡的煤粒和飛灰，旋轉90°進入水平煙道，在入口處對水冷壁形成沖擊，因此在入口處水冷壁向火面必須敷設一定寬度的澆注料。水平煙道通流面積小，煙氣從爐膛進入水平煙道后流速增大。同時水平煙道截面為漸縮噴嘴狀，煙氣流速在水平煙道內逐漸增大，對四壁的磨損很大，也有可能引起四壁振動，此處耐高溫耐磨澆注料的選材和施工要求與密相區相同。耐高溫耐磨磚與砌磚所用耐火泥也存在選材問題，必須選用800～1000℃溫度區耐磨度最大的材料。選材的失誤會造成永久的后患，嚴重影響電廠的安全經濟運行。

3.尾部受熱面的磨損

CFB鍋爐旋風分離器后部安裝有過熱器、省煤器。尾部受熱面管排密布，煙氣流速較高，在“煙氣走廊”，磨損量比正常量增大幾十倍。因此，尾部受熱面的防磨重點是避免管排之間以及管排與爐墻之間的間隙過大形成“煙氣走廊”。在管排安裝和檢修施工期間，控制管排之間、管排與護板之間的距離，在爐墻砌筑期間，控制托磚架、拉鉤與管排之間的距離，最后控制爐墻與管排之間的距離，使各處煙氣流通面積一致。

4.控制適宜的風量

煙氣流速是影響鍋爐受熱面最主要的因素，磨損量與煙氣流速的三次方成正比關系，見式（1）。

式中T——磨損量，g/m2

μ——飛灰濃度，g/m3

τ——時間，h

ω——煙氣流速，m/s

K——磨損系數，K=Cη，其中C為飛灰系數，與飛灰性質和管束結構有關；η為飛灰撞擊機會率，與灰粒所受慣性力和氣流阻力有關。

煙氣流速的大小直接影響到流動飛灰的運動動能和單位時間內沖擊到爐內壁的灰粒量。一次風量越大，磨損量越大。另外二次風量越大，對爐內燃燒情況的擾動越劇烈，水冷壁磨損量也越大。CFB鍋爐的運行是流態化的高溫物料懸浮燃燒，風量的大小將直接影響到鍋爐的安全運行。因此，在鍋爐運行中，在保證床料充分流化的前提下，盡量降低一次風量，在維持氧量的前提下適當調整二次風量，合理搭配上下二次風量，保持合適的過剩空氣。適當降低密相區高度，延長燃煤顆粒在爐內的停留時間，可減小對水冷壁管的沖刷，并降低飛灰含碳量。根據負荷變化選擇合適的床層差壓、床層密度及煙氣流速，提高旋風分離器分離效率，延長固體顆粒在爐內的停留時間。

5.控制入爐煤質和粒度

雖然CFB鍋爐燃料適應性廣，可以燃用劣質煤，但燃用劣質煤，由于煤質比重大，使用風量提高，會導致磨損加劇。同時劣質煤灰分大，導致燃煤量增加，造成煙氣中飛灰濃度劇增，對水冷壁管壁的切削作用增大，磨損量增大。CFB鍋爐由于其特定的燃燒方式，爐內的固體物料密度為煤粉爐的幾十倍到百倍以上，其中煙氣內顆粒濃度越大，顆粒數目越大，對管壁的撞擊和沖刷越強烈，水冷壁磨損量越大。所以，應該加強來煤管理，及時進行煤質化驗，控制來煤的篩分粒度。根據燃料顆粒度分布情況調整碎煤機，提高煤顆粒的均勻度。國外推薦的CFB鍋爐給煤粒度見表1，表1中收到基（又稱應用基）灰分：以實際收到的煤為基準（含水分、灰分），測量出的煤中灰分的含量，常用百分比表示。

四、結語

引起CFB鍋爐磨損的因素較多，且機理復雜，有設計、制造、檢修、運行等多方面的因素。運行方面主要除風量的配比、煤質的變化、燃料粒徑的大小、床料粒徑的大小，還有返料不暢、耐磨澆注料脫落、風帽損壞等原因。目前，各類型CFB鍋爐均不同程度的存在磨損現象，但是CFB鍋爐磨損程度是可以控制的，由于磨損而導致的事故是可以預防的，需要多借鑒同類型機組的運行經驗，在實踐中不斷積累經驗，針對不同的煤種和類型的機組仔細地做好防范措施，運行時認真監控，一旦發現問題及時采取措施，就完全可以將CFB鍋爐受熱面磨損控制在可接受程度內，避免因磨損而發生事故。

表1 國外推薦的CFB鍋爐給煤粒度

1 溫詩鑄，黃平.摩擦學原理［M］.北京：清華大學出版社，2008

2 朱國幀，徐洋.循環流化床鍋爐設計與計算［M］.北京：清華大學出版社，2004