循環流化床鍋爐磨損機理及解決措施

王中權

（神華國華太倉發電有限公司，江蘇 太倉 215433）

0 概 述

循環流化床鍋爐（CFB）是近年發展起來的1種高效、低污染的鍋爐，具有煤種適應性好、調峰幅度大、有害氣體排放少等優點。目前，在煤炭供應日益緊張，電廠燃用煤種多變的情況下，CFB鍋爐對多煤種的適應性使其具有極大優勢。通過多年的實踐發現，CFB鍋爐在運行中也有較多的缺陷，如鍋爐的磨損嚴重、排渣困難、給煤系統故障頻繁等問題，降低了鍋爐安全運行的可靠性。現從生產實際出發，對機組投運以來出現的問題，從運行調整及檢修工藝等方面進行原因分析，并提出相應的防止措施，取得了較好成效。

1 循環流化床鍋爐的磨損機理

1.1 磨損機理

循環流化床鍋爐磨損是復雜的失效過程，它不僅受力學影響，同時還與材料、環境、介質等因素密切相關。在固體粒子濃度較高區域，磨損主要取決于固體粒子及煙氣流與受熱面管子的對流運動。磨損與煙氣流速密切相關，固體粒子的運動速度是影響磨損的主要因素。磨損機理分為雙體磨損和三體磨損，雙體磨損是顆粒靠本身的動量磨損管子的表面；三體磨損主要是顆粒群壓著緊挨著管子的一層顆粒，這層顆粒會磨損管子。循環流化床爐內床料的循環可分為內、外循環。外循環是指部分床料由爐膛上部出口進入分離器，經分離器后，此部分中的細顆粒進入爐尾部煙道，被分離出的固體粒子，經回料閥返回爐膛。在運行中，固 體床料在爐膛→分離器→回料閥→爐膛這一封閉循環回路里不停的做高溫循環流動。內循環是指床料在重力作用下，在爐內不斷地進行內循環流動。因此，在循環回路的相應部位必然產生嚴重磨損，如圖1、圖2所示。

由于循環流化床具有獨特的物料循環的特性，循環流化床鍋爐內的固體物料濃度為煤粉爐的幾十倍到上百倍，受熱面和耐磨材料因而受到大量大顆粒固體物料的不斷沖刷，磨損現象十分嚴重，會引起鍋爐的“四管爆破”，影響流化床鍋爐運行的可靠性。

1.2 常見CFB鍋爐磨損部位

根據運行時的觀察，歸納了循環流化床鍋爐易發生磨損的部位。（1）爐膛四周的水冷壁易遭磨損。具體位置是密相區耐磨耐火層、密相區與水冷壁管交界處、爐膛四角區域、爐膛出口煙窗區域、爐膛中部管壁、屏穿墻區域及不規則區域等；（2）爐膛內屏下端；（3）布風板及風帽；（4）爐頂受熱面；（5）旋風分離器及進出口煙道；（6）立管及返料裝置內表面；（7）尾部對流煙道。

2 循環硫化床鍋爐易磨損部位

2.1 風帽的磨損

風帽磨損的最嚴重區域發生在循環物料回料口附近。主要原因是粒濃度的循環物料以較大的平行于布風板的速度分量沖刷風帽所致。對大口徑鐘罩風帽，在布風板表面敷設有耐磨層，風帽只有外罩部分暴露在濃相區，風帽采用ZG40Cr25Ni20材料，耐熱溫度為1 400℃，具有很強的耐磨性。風帽與風管采用螺紋連接，進行點焊加固。風帽的磨損區域，如圖3所示。

圖3 風帽的磨損區域

從每次停爐后的檢查情況分析，爐膛內風帽外罩是磨損最嚴重的區域，發生在循環物料的回料口和排渣口區域。由于該機組的2臺鍋爐采用后墻給煤、前墻錐型閥控制排渣的布置形式，回料口與給煤口為同一口；由于下煤插板的調整不便，使中間2個給煤口的下煤量小于兩側2個給煤口，使得對應于兩側回料口處的風帽外罩磨損明顯比其它區域嚴重。中間區域的磨損較兩側更為明顯。

為了防止因磨損導致外罩風帽脫落和漏渣等現象，除了按照設計要求安裝風帽外，采用了增加點焊點、加厚風帽外罩、改變風帽形狀和改變風帽材質等方法。

2.2 爐內水冷壁的磨損

爐內濃相區內布置有很多穿墻至爐內的測溫和測壓元件，實踐證明，即使很小測量元件的不規則幾何尺寸變化，也會對局部的流動特性造成較大擾動，造成爐內局部區域的嚴重磨損。在安置測量元件的開口處敷設耐磨耐火材料，并在二次風管和熱工測孔管外涂上瀝青或包上陶瓷纖維紙，以解決磨損和材料熱膨脹的問題。二次風管分上下兩層，有利于燃料的分級燃燒，降低爐膛溫度，減少NOX的產生。二次風管設計制造上采用1Cr20Ni14Si2耐熱耐磨鋼板，運行中應必須嚴格控制一次風壓和床壓，保持二次風壓大于床壓，使床料不能返回到二次風口內磨損風口和風管。在實際運行中，由于熱效率試驗中需調整風量的大小，不斷從爐膛內向下二次風管內返渣，使下二次風管發生過熱變形和磨穿的現象，甚至出現了二次風口向爐膛外漏渣的情況。現場的實際情況，如圖4所示。

圖4 落煤口及測溫、測壓等不規則處的磨損情況

要解決下二次風口的變形甚至漏渣的問題，只有增大二次風口處的風壓才能保證二次風口的完整性。但由于機組經濟性的需求，不能改變下二次風口標定值。采取在爐墻護板上再焊一層新的護板，并在兩層護板間增加保溫材料的措施，減少散熱損失和增強對新護板的保護。

目前，利用主動多階式防磨梁技術，減輕了稀相區的磨損，效果較好，如圖5所示。防磨梁耐火耐磨材料形成凸臺，沿水冷壁高度方向以一定間距水平或傾斜的多階布置。增加防磨凸臺后，顯著降低了爐膛貼壁流的速度和濃度（貼壁流速度可由8m／s降低為2m／s），保證水冷壁管的耐磨壽命由3個月左右延長到1年以上。該項防磨措施技術的特點：（1）主動方式，降低了爐膛貼壁流的速度和濃度；（2）安裝簡單方便，不需對爐膛水冷壁進行大規模改造；（3）運行可靠，檢修簡單方便。

圖5 主動多階式防磨梁技術

2.3 耐磨耐火材料與受熱面交界處的磨損

耐磨耐火材料與受熱面交界處的磨損也相當嚴重，如圖6所示。在每次停爐后對受熱面的檢查中，均能發現已嚴重磨損的管子，磨損有平面和溝槽形狀。這是因為在過渡區內，由于沿壁面下流的物體與爐內向上的固體物料運動方向相反，因而會在局部區域產生渦旋流；同時，在沿受熱面向下流動的物料在交界處會形成顆粒反彈，出現了顆粒的不規則運動，導致該區域出現磨損現象。目前，設計鍋爐時，已對圖7所示的過渡區，改成彎管結構，從而減少物料對受熱面的磨損。

對該處防護的處理方式是在濃相區覆蓋防磨蓋板，防磨蓋板材質為1Cr20Ni14Si2，長度為240 mm。也可以利用特殊耐磨材料進行堆焊，對水冷壁進行防護。以堆焊材料作為過渡區，通過犧牲過渡區的材質，減少對水冷壁的磨損，2年來的運行證明，這種堆焊材料的磨損量非常小，很好地保護了這部分區域的水冷壁和過熱器管。

2.4 爐頂部輻射受熱面的磨損

循環流化床爐內布置有二級再熱器和Ⅱ級過熱器及雙面水冷壁，由于二級再熱器和Ⅱ級過熱器敷設的澆注料除有防止磨損的作用外，還有減少吸熱量的作用。因此，在澆注料敷設時，雙面水冷壁僅僅在下聯箱部位敷有耐磨材料。采用此種方式敷設的目的，不僅僅是保護管材，還能維持適當的吸熱面積。另外，Ⅱ級過熱器和二級再熱器在爐頂穿墻處的防磨板脫落較多，部分密封澆注料也有脫落，如圖8所示。重視此部分澆注料的保護，一旦有脫落和磨損就應及時修復。

圖8 再熱屏變形引起澆注料脫落

2.5 旋風分離器及回料系統的磨損

旋風分離器的易磨區主要發生在進口煙道的迎風面和筒體內氣固流體轉速突然發生轉變的沖擊區。這部分防磨材料經過3～4年運行后，耐火耐磨材料的沖刷減薄已達厚度的1／2以上。在水平煙道的上部和迎風面都通過大修或臨檢進行了重新筑砌。因循環流化床鍋爐是正壓運行，爐膛漏灰問題表現突出，漏灰主要發生在與爐膛結合風管、回料腿等部位，主要原因是耐火材料質量及試運中烘爐溫升率控制不理想，造成以上部位有間隙出現使爐灰漏出。

旋風分離器及回料系統大多為為絕熱式。在其中布置了厚達200mm以上的耐火耐磨澆注料和耐火保溫磚，外加一層保溫磚及鋼質外殼。因此分離器的磨損就是耐磨材料的磨損，嚴格執行耐磨材料養護措施、保持合理的風量風速，就可以延長此部分澆注料的使用壽命。

2.6 鍋爐尾部對流煙道的磨損

流煙道磨損的發生部位在：（1）懸吊管省煤器穿頂棚處，防磨瓦安裝不當造成磨損。（2）懸吊管省煤器防磨瓦變形或脫落后，對省煤器管的沖刷磨損。（3）在環行聯箱各角的拐彎處，因渦流現象造成磨損。（4）在空氣預熱器處，一、二次風對空氣預熱器管箱都有不同程度的磨損，嚴重時，一次風管箱的磨損達到20%。（5）頂棚管在懸吊管省煤器穿墻處，由于防磨板和澆注料的脫落磨損，會導致爆管的發生。

這些磨損的原因是尾部、煙道中的顆粒直徑和濃度較煤粉爐高，在重力加速度的作用下，常常導致尾部受熱面的嚴重磨損，防磨瓦的變形、安裝不當等因素也加重了磨損程度。設計上，在尾部受熱面對流管束上鋪設金屬防磨瓦，以避免含塵煙氣的氣流直接沖刷受熱面管束，造成磨損。省煤器的實際平均煙速不超過8m／s，省煤器管束與周圍墻壁間裝有防止煙氣偏流的阻流板，在穿墻處的管束彎頭設有防磨板。空預器低溫段采用耐腐蝕鋼材，避免蒸汽吹灰器的蒸汽氣流造成管束的磨損。

3 結 語

針對磨損導致的受熱面泄漏和設備失效情況，應根據電廠的運行特點，總結檢修經驗。采取有效措施減少磨損，提高鍋爐運行的可靠性。可采取多方面的措施。

（1）對耐磨材料應按照要求進行保養，避免過快升溫升壓，降低其性能。

（2）嚴格按照工藝要求，對金屬防磨設施進行施工，防止因防磨設施的過熱變形，導致受熱面的磨損。

（3）根據鍋爐的運行特點，合理調整風速、控制一次風量、風的配比等參數。保持各運行參數處于合理的范圍，減緩爐內的磨損。

（4）加強停爐期間對受熱面的檢查，及時處理受損的防磨設施和管子。

（5）在水冷壁區域采用噴涂耐磨合金材料等措施，增加水冷壁的使用壽命。