循環(huán)流化床鍋爐耐火耐磨材料損壞原因淺析

張振保,王建峰,李明明

(1.河南金大地化工有限責任公司,河南漯河 462400;2.鄭州華能耐材有限公司,河南鄭州 450003)

0 前 言

河南金大地化工有限責任公司目前生產(chǎn)能力為合成氨 300 kt/a,甲醇 30 kt/a,氯化銨1 060 kt/a,純堿1000 kt/a,三聚氰胺100 kt/a,工業(yè)鹽1 600 kt/a。公司循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)的高壓蒸汽供汽輪機發(fā)電后,全部進入0.4 MPa和3.5 MPa蒸汽管網(wǎng),供化工大系統(tǒng)生產(chǎn)用。運行5年來,兩臺鍋爐共發(fā)生非計劃停爐事故22次,其中由于鍋爐耐火耐磨材料損壞導致停爐事故6次,占非計劃停爐事故的27.3%。耐火防磨材料損壞的具體情況是,旋風分離器頂部澆注料大面積脫落1次;鍋爐落煤口澆注料脫落后造成水冷壁泄漏2次;屏式過熱器澆注料脫落造成管子泄漏3次。

1 耐火耐磨材料的使用部位

循環(huán)流化床鍋爐的磨損通常發(fā)生在固體物料濃度較高、流場復雜的湍流區(qū)、渦流區(qū),以及與煙氣運動方向垂直的受熱面等部位,因此,通常在以下部位采用耐火耐磨材料:點火風道;風室;布風板表面;燃燒室下部錐形段;爐內(nèi)屏式受熱面底部;爐膛煙氣出口;分離器;回料裝置;混合室等。

2 耐火耐磨材料損壞機理分析

循環(huán)流化床鍋爐大多采用熱值低、含硫量較高的劣質(zhì)煤種,飛灰濃度大、流速高,溫度變化頻繁,造成循環(huán)熱沖擊;此外,爐內(nèi)有大量高速運動的高溫固體物料,需要用大量的耐火材料保護鍋爐受熱面,防止受熱面磨損泄漏,因此,耐火防磨材料都處于鍋爐運行最惡劣的環(huán)境中。通常耐火材料的失效有以下三個方面的原因:耐火材料的剝落、耐火材料的沖刷磨損、耐火材料的化學侵蝕。

2.1 耐火耐磨材料的剝落

耐火耐磨材料的剝落一般分為兩種:熱剝落(熱震剝落)、結(jié)構(gòu)剝落。熱剝落是指由于熱沖擊或機械應力引起的材料損失。熱沖擊是指骨料與結(jié)合料由于膨脹系數(shù)不同在溫度循環(huán)波動時產(chǎn)生內(nèi)應力從而破壞耐火材料層,熱沖擊會導致耐火材料襯里形成大裂縫及剝落,而溫度快速變化造成的熱沖擊(如啟停爐操作不當)可使耐火材料內(nèi)的應力超過抗拉強度而剝落。結(jié)構(gòu)剝落是指材料經(jīng)過長期的使用,組成和內(nèi)部晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,即使在小的溫差應力下就能使其表面的變質(zhì)層剝落。

2.2 耐火耐磨材料的磨損

耐火耐磨材料的磨損是爐內(nèi)的流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。

2.3 耐火耐磨材料的化學侵蝕

包括原煤中有害雜質(zhì),如硫、氮等在燃燒時產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化合物等酸性氣體對耐火防磨材料產(chǎn)生化學侵蝕,以及因堿金屬的滲透造成的耐火材料漸衰失效、滲碳造成的耐火材料變質(zhì)破壞、抓固釘失效造成的耐火材料層脫落等。

3 耐火耐磨材料運行中暴露的主要問題

(1)新爐使用不長就出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象,壁面上出現(xiàn)凹坑,埋下事故隱患。由于結(jié)構(gòu)不同,循環(huán)流化床鍋爐選用的耐火材料品種繁多。針對循環(huán)流化床鍋爐不同部位工作環(huán)境不一致,需要選用不同的耐火耐磨材料。

(2)旋風分離器頂部澆注料裂紋竄火,燒毀抓釘,造成澆注料大面積脫落,進入到返料器中,造成返料中止,鍋爐負荷降低而停爐。

(3)施工不良,收縮縫處理不好,造成護板燒紅損壞,被迫停爐。見圖1。

圖1 收縮縫處理不良而產(chǎn)生的裂紋

(4)燃燒室下部處于鍋爐密相區(qū),爐膛中心氣流上升而四周因壁面摩擦和粘滯,使粉塵或顆粒失速下滑而對上澆注料造成磨損,甚至大面積脫落,造成鍋爐流化不好,容易引起結(jié)焦而停爐。脫落的澆注料卡到放渣管口,造成鍋爐無法排渣,料位增高,影響鍋爐負荷。

(5)循環(huán)流化床鍋爐啟動過快或檢修時強制降溫,造成耐火層內(nèi)溫度急劇變化,產(chǎn)生較大的熱應力,使耐火耐磨材料開裂脫落。

(6)鍋爐進煤口處于鍋爐的密相區(qū),工作條件極為惡劣,除受到原煤重力的作用外,還要受到風、煙、渣、灰的沖刷,該處的澆注料最容易失效。見圖2。

圖2 落煤管澆注料脫落后水冷壁泄漏示意

(7)鍋爐出口水平煙道受到煙氣流的長期沖刷,造成磨損或脫落,脫落物進入到返料器造成返料故障,影響鍋爐運行。見圖3。

圖3 鍋爐出口受煙氣的沖刷而造成的脫落

(8)屏式過熱器與爐膛結(jié)合面或屏式過熱器底部澆注料脫落,過熱器管磨損泄漏。見圖4。

圖4 屏式過熱器底部澆注料脫落

4 耐火耐磨材料損壞的原因分析

(1)耐磨材料的成分配比不符合要求。配比不合適會使耐磨材料的穩(wěn)定性較差,表面硬度減弱,粘結(jié)力降低,導致耐磨材料極易磨損和脫落。

(2)澆注料施工工藝不良。施工時預留的膨脹縫不符合要求或膨脹縫設(shè)計存在問題等,導致運行中極易出現(xiàn)耐磨材料大片脫落。

(3)設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理。如抓釘、拉磚鉤數(shù)量較少,施工澆注前沒有按要求對抓釘涂以瀝青,往往會造成耐磨料大面積脫落。

(4)沒有嚴格執(zhí)行烘爐曲線,對烘爐過程缺乏有效監(jiān)督,使?jié)沧⒘蠌姸冗_不到要求或者產(chǎn)生裂紋,造成運行中竄火而發(fā)生脫落。

(5)耐火層鋼制外殼上沒有割排氣口。烘爐、煮爐或啟動時,蒸汽從內(nèi)層排出受阻,造成耐火材料脫落或裂縫。

(6)運行操作不當。在鍋爐冷態(tài)啟動或停爐搶修時強制降溫,升溫/冷卻時如果溫差較大,就會造成耐磨材料的受熱不均而產(chǎn)生裂紋甚至脫落。

(7)原煤中有害雜質(zhì),如硫、氮等在燃燒時產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化合物等酸性氣體對耐火防磨材料產(chǎn)生化學侵蝕,以及因堿金屬的滲透等,造成耐火耐磨材料的損壞。

(8)爐膛飛灰濃度越高,對鍋爐的磨損就越強烈,飛灰中多硬性物質(zhì)(殘?zhí)?、粗大顆粒的棱角會加速對耐火耐磨材料的磨損。

5 耐火耐磨材料損壞的防范措施

(1)科學、合理選用耐火耐磨材料,是保證鍋爐長周期平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)。根據(jù)使用情況選擇耐火材料,在循環(huán)流化床鍋爐中,因燃燒室、旋風分離器、物料回送管路等部位所處的環(huán)境不同,受熱沖擊、溫度循環(huán)變化或沖刷的程度也不一樣,不同的區(qū)域可選用不同性能的耐火材料。如風室選用保溫混凝土,主要成分為蛭石或輕質(zhì)骨料等;燃燒室下部選用高鋁質(zhì)或剛玉質(zhì)澆注料;燃燒室出口選用高鋁質(zhì)材料即可;旋風分離器宜選用高鋁質(zhì)磚或剛玉磚,也可選用高鋁—剛玉復合材料磚;料腿、返料器選用高鋁質(zhì)材料即可。

(2)嚴格澆注料施工工藝。必須注意以下事項:①所有金屬與澆注料接觸面均應涂以瀝青或纏上陶瓷纖維紙;②拉鉤磚的拉鉤槽間隙全部用灰漿填滿;③砌磚過程中,應保證所有磚相錯布置;④靠近止推板的從下至上的所有耐火耐磨磚均應具有拉鉤,所有支撐托板上下一層磚均為長條形耐火耐磨磚并配合出膨脹縫,以形成一個磚砌爐墻的穩(wěn)定體系;⑤不同位置采用不同性能的耐火耐磨澆注料,施工時每個區(qū)域所用澆注料的性能不能低于該區(qū)規(guī)定的要求;⑥澆注料施工時一定要搗實;⑦膨脹縫預留符合要求。

(3)加強烘爐的全程監(jiān)督,嚴格執(zhí)行耐火材料廠家制定的烘爐曲線。最好讓澆注料自然風干15天后,再開始烘爐。烘爐前必須在鋼制外殼上割排氣口。

(4)在澆注料中適量加入鋼纖維,改善耐火防磨層的整體性能。注重落煤口澆注料的施工。在屏式過熱器底部澆注前最好加長銷釘,編成金屬網(wǎng),涂抹瀝青,從底部一次成型搗實,可延長該處澆注料的使用壽命。

(5)加強運行管理,嚴格執(zhí)行烘爐曲線;在鍋爐冷態(tài)啟動時,嚴禁快速升溫。杜絕野蠻檢修進行強制降溫。防止?jié)沧⒘仙禍厮俾蔬^快,發(fā)生大面積脫落。

(6)鍋爐選用燃料盡量接近設(shè)計煤種。使用燃料灰分過大、粒度不符合要求時,會對鍋爐受熱面和耐火耐磨材料造成嚴重磨損。盡量不選用高硫煤,避免生成的二氧化硫和三氧化硫?qū)κ軣崦婧湍突鹉湍チ显斐筛g而發(fā)生故障。

6 結(jié) 語

鍋爐的安全可靠運行在很大程度上取決于耐火耐磨材料的穩(wěn)定性,因此必須高度重視。科學合理地根據(jù)各部位的特性選用耐火耐磨材料,嚴格施工工藝,保證安裝質(zhì)量,全程監(jiān)督烘爐,嚴格執(zhí)行鍋爐運行規(guī)程及加強運行管理工作,才能保證循環(huán)流化床鍋爐的長周期安全平穩(wěn)運行。