鍋爐尾部低溫受熱面磨損機理及防磨對策

茆浪　湯瑞

摘 要：燃料燃燒，尤其是固態燃料燃燒時，因為灰分的存在，鍋爐各受熱面，尤其是尾部低溫受熱面的外部工作條件特別惡劣。大量的灰粒流經受熱面，勢必對受熱面造成磨損。文章剖析了鍋爐尾部低溫受熱面的磨損機理及其影響要素，給出了降低受熱面飛灰磨損的對策，防止出現因磨損造成的泄露爆管事故，提高低溫受熱面使用壽命，保證鍋爐安全、高效地運行。

關鍵詞：鍋爐；低溫受熱面；磨損；對策

1 鍋爐尾部低溫受熱面防磨的重要性

在燃煤鍋爐中，飛灰跟隨著煙氣進入尾部受熱面，由于溫度已經降到很低，飛灰的硬度提高，沖刷受熱面管排時，在切向力的作用下會削去受熱面管壁最外層的微小金屬塊，這就形成了磨損，受熱面管壁因此變薄，造成泄露或爆管事故，鍋爐不能安全運行。對流受熱面設計壽命一般為10萬小時，而由于某些鍋爐設計、運行不當，僅在運行近1萬小時后，尾部受熱面就出現了較重的飛灰磨損，直接影響受熱面的安全運行。因此，了解尾部低溫受熱面飛灰磨損的形成機理以及防磨措施顯得尤為重要。

2 鍋爐尾部低溫受熱面飛灰磨損機理分析

圖1為飛灰切削微小金屬塊的示意圖，飛灰撞擊管壁，在管壁上的M點施加力F，F可分解為法向力Fn和切向力Fz，若飛灰的速度、粒徑一定，Fn和Fz主要隨α角（即碰撞角）而變化。

法向力Fn能克服金屬粒子之間的結合力，提高M點的溫度，使得M點處金屬變軟。切向力Fz為切削力，能撕下M點處變軟的金屬。在F不變的情況下，若碰撞角α變大，Fn隨著變大，該點的溫度升高，微小金屬塊越容易被撕下來；Fz隨著變小，切削微小金屬塊能力減小。

3 磨損的影響因素

3.1 煙氣速度的影響

管子的磨損量理論上與灰粒撞擊管壁的速度成三次方關系。當煙氣流經受熱面管排時，飛灰與煙氣之間有很大的滑移速度，所以很難求得飛灰的撞擊速度，為計算方便，使用煙氣速度來替代飛灰速度。實驗表明撞擊磨損量與煙氣速度的n次方成正比，且n>3，煙氣在10～30m/s范圍時，n=3～4。容易看出，煙氣速度的變化對磨損量影響極其明顯。

3.2 飛灰粒徑的影響

若灰粒的粒徑比較小，管壁的撞擊磨損量也較小。若粒徑增大，磨損量也隨之增大。粒徑增大到某一臨界值后，磨損量不增加或增加較為緩慢。其原因為：在飛灰濃度不變的情況下，飛灰粒徑越大，單位容積內飛灰顆粒數目越少，雖然粒徑大的灰粒磨損能力強，但因為撞擊管壁的灰粒數降低，所以磨損量變化較小。

3.3 飛灰濃度的影響

煙氣中飛灰濃度升高，那么單位時間內撞擊在管壁上的灰增加，磨損加劇，管子的磨損量與飛灰濃度成正比。

3.4 管壁材料硬度的影響

管子的磨損量與管子材料硬度Hb和灰粒硬度Hh的比值關系密切。當Hb /Hh較小時，磨損量較大，當Hb /Hh增大到某一臨界值后，磨損量將迅速降低。當Hb /Hh<0.5～0.8時，灰粒硬度遠大于管壁硬度，管壁極易被磨損。當Hb /Hh≥0.5～0.8時，提高管壁的硬度將會使耐磨性迅速提高。

3.5 氣流方向的影響

當煙氣自上而下流動時，灰粒受重力作用，速度增加，使得磨損量增加。而煙氣自下向上流動時，灰粒所受重力使其速度逐漸降低，灰粒越大，速度降低越明顯，從而降低了灰粒對管壁的磨損。因此，受熱面采用煙氣上行布置時可以延長使用壽命。

3.6煙氣成分的影響

當煙氣中含有腐蝕性氣體，如SO2、O2、H2O、H2S等時，若煙氣溫度低于250℃，腐蝕性氣體將對管壁產生腐蝕作用。若管壁溫度高于250℃，煙氣中的SO2、O2將與壁面的氧化層反應生成SO3，對管壁產生硫酸鹽型腐蝕。這些硫酸鹽型腐蝕產物很容易被飛灰沖刷掉，裸露的管子表面再進行腐蝕。因此，腐蝕與磨損交替進行，使總的磨損速度加快。

3.7 煙氣走廊

在對流受熱面的布置過程中，為消除熱膨脹的影響，蛇形管彎頭與爐墻之間有一定的距離。由于間隙處的阻力比管排之間的阻力小，煙氣流速遠大于截面平均流速。蛇形管彎頭與爐墻之間的間隙即為煙氣走廊。

4 鍋爐尾部低溫受熱面的防磨措施

4.1 設計時應合理限制煙氣流速

由以上討論可知，飛灰速度對磨損量的影響較大，所以降低飛灰速度可以有效地降低飛灰對受熱面的磨損。最大允許煙速推薦值見表1。

但也并不是說煙氣速度越低越好，煙氣速度降低，受熱面積灰問題嚴重，而且對傳熱也不利。磨損、積灰和傳熱均與煙氣流速有密切關系，所以合理確定煙氣流速顯得尤為重要。

4.2 降低煙氣中飛灰濃度、煙氣中飛灰濃度不均勻

鍋爐尾部煙道中飛灰速度和飛灰濃度的分布一般都不均勻，飛灰速度大與濃度大往往同時出現，導致局部管壁劇烈磨損。安裝除塵設備，可以使一部分飛灰在進入豎井煙道前被清除，尤其是粒徑較大的灰粒，減輕管壁磨損效果較好。在煙氣走廊中，煙氣平均流速是水平煙道內煙氣平均流速的3倍，即使水平煙道中煙氣平均流速僅為3m/s，但靠近爐墻一側的平均流速將達到9m/s，使得管壁磨損率高出平均值的幾十倍。因此，煙氣走廊的存在加劇了管壁的磨損。為減少煙氣走廊的危害，可在煙氣走廊區加裝護瓦，使流動阻力增大，降低流速。

4.3 在磨損劇烈的部位安裝防磨裝置

在管子易受磨損的地方安裝防磨件，目的是將磨損轉移到防磨件上，維護時僅需要更換保護件。例如，在省煤器彎頭外側安裝集中的防磨板、在煙氣走廊中安裝防磨的阻流板等。

4.4 優化結構設計

省煤器適宜選用較大直徑的管子，管子直徑增大，灰粒沖擊管壁的概率降低，造成的磨損降低。例如，將管徑由32mm改為42mm，飛灰的撞擊概率約下降到10%。但是管子直徑降低，其剛性變差，造成管子布置不整齊，管束之間易出現煙氣走廊。目前省煤器普遍采用44～51mm的管子，再加之合適的管夾定距和支撐結構，盡管煙速有所提高，但省煤器磨損問題并不嚴重。相對節距s/d>2.5越大，灰粒沖擊管壁的概率就越低，對于灰分較高的煤種，建議。通常順列管排的磨損較錯列管排輕。選用膜式或螺旋管式省煤器可以減輕和防止管壁的磨損。

4.5 使煙氣自下而上流過受熱面

若燃用灰分含量較高的煤種，鍋爐適宜采用塔式或半塔式布置結構，使煙氣自下而上流過受熱面，利用飛灰的重力，使其速度降低，以減少磨損。

5 結語

總之，進入尾部受熱面的煙氣流速、煙氣中飛灰濃度應控制在合適的范圍內，通過優化結構設計也可減輕磨損。鍋爐尾部低溫受熱面的磨損與許多因素相關，從設計、運行等各個方面都需要引起高度重視，這樣才能提高尾部低溫受熱面的壽命，保證鍋爐安全、高效地運行，發揮其最大的經濟效益。

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