410 t/h循環流化床鍋爐防磨技術與長周期運行研究

鄭文凱，盧曉斌

（中國石油化工集團茂名石化分公司熱電分部，廣東 茂名 525000）

0 引言

循環流化床鍋爐是具有煤種適應性強、燃燒效率高、負荷調節范圍廣、高效脫硫、脫硝等優點。但CFB鍋爐在運行時具有物料濃度高、速度快、循環倍率高等特點，對水冷壁等受熱面沖刷磨損導到水冷壁減薄快速，使用壽命較短，運行周期普遍在365天以內。CFB鍋爐的防磨一直是鍋爐長周期運行和檢修的重難點。為確保鍋爐安全、長周期運行，進一步提升企業經濟效益，本文主要針對CFB鍋爐水冷壁磨損機理、存在問題，并結合本企業長周期運行攻關提出的行之有效解決措施，對延長鍋爐運行周期具有十分重要的借鑒意義。

1 設備概況

某石化企業自備電廠現有2臺CFB鍋爐，鍋爐型號：FW-410/9.81-M004，鍋爐本體結構簡圖見圖1.CFB鍋爐采用流態化燃燒方式，在CFB鍋爐爐膛中有大量的循環物料，CFB鍋爐正常運行時的床料主要由燃料中的煤灰、未反應的石灰石以及石灰石脫硫反應產物等組份構成，鍋爐燃煤的設計及實際指標見表1.從布風板下送入的一次風使床料在處于流化狀態，床料被煙氣夾帶在爐膛內向上作拋物料運動，在爐膛的不同高度大固體顆粒物料將沿著爐膛邊沿壁下落形成內循環。細小固體顆粒被煙氣夾帶進入旋風分離器，約99%細顆粒被分離器分離下來，通過返料器直接返送回爐膛再次燃燒，細小飛灰無法被分離器捕捉隨煙氣進入尾部煙道，經布袋除塵器收集后通過倉泵氣力輸送到灰庫，或被返送到爐前飛灰倉，通過氣力輸送回到爐膛再次燃燒，進一步降低飛灰含碳量。CFB鍋爐燃燒原理示意圖見圖2.CFB鍋爐根據不同的物料濃度將爐膛分為密相區、過渡區和稀相區三部分，密相區中固體顆粒濃度較大，具有很大的熱容量，因此在給煤進入密相區后，可以順利實現著火[1]；與密相區相比，稀相區的物料濃度很小，稀相區是燃料的燃燒、燃盡段，同時是爐內氣固兩相介質與蒸發受熱面換熱的主要場所，從而保證鍋爐的出力及對爐內溫度的控制，而過渡區為密相區與稀相區交界區域。

表1 鍋爐燃煤的設計及實際指標

圖1 鍋爐本體結構簡圖

2 CFB鍋爐的磨損原理及原因分析

2.1 鍋爐的磨損原理

根據CFB鍋爐爐內流化燃燒原理，CFB鍋爐爐膛內中心區域的煙氣流向上運動，而爐膛水冷壁四周則存在大量向下運動的貼壁流，且距離爐膛密相區越近，向下運動的貼壁流運動速度與物料濃度均越來越大。根據國內權威機構的經驗公式[2]，物料對管壁的磨損速率與其速度、濃度及粒度有關：

式中：E 為磨損速度，μm/h；W 為物料速度，m/s；D為物料粒度，mm；μ為物料濃度，kg/m3.

其中，W為物料速度對磨損的影響，在3～3.6次方之間。W越大，次方數越大。W大于40 m/s時，次方數可達4以上。

磨損的主要影響因素，與風速3.6次方成正比；與物料料度的平方成正比，與顆粒濃度成正比；與流場的不均勻性有關。

2.2 CFB鍋爐磨損狀況及原因分析

CFB鍋爐爐膛存在的磨損區域主要集中在爐膛過渡區水冷壁的磨損、爐膛稀相區水冷壁的磨損、爐膛轉角區域的水冷壁管磨損、爐膛澆注料的磨損及施工工藝缺陷問題造成水冷壁磨損。如2016年1#爐磨損區域主要集中在前墻12 m標高處，年1#爐大修前墻水冷壁管12 m標高彎管測厚數據見表2，共更換爐管20根，最薄處為3.2 mm，具體數據表如下表3，磨損區域分布見圖3，實際磨損照片見圖4~6.

表2 2016年1#爐大修前墻水冷壁管12m標高彎管測厚數據

表32016 年1#爐爐管更換數據表

圖2 鍋爐燃燒流化原理圖

圖3 減薄管號示意圖

圖4 磨損管段左

圖5 磨損管段中

圖6 磨損管段右

2.2.1 爐膛過渡區水冷壁的磨損及成因

在耐火材料過渡區域水冷壁部位，由于位處密相區邊緣區，由于澆注料的頂部出現非垂直平臺，當床料以較高的速度下降到該平臺時產生渦流，對水冷壁管產生了嚴重的切割效應；同時由于CFB鍋爐目前運行的狀況不理想，如入爐煤粒徑不合理，燃料灰分高，煤中摻燒石油焦等因素使床料更加復雜，而為保證鍋爐爐內充分流化，一次風流量往往控制過量，引起床料的過渡區上移，導致了該區域磨損的加劇，甚至爆管，造成運行鍋爐的磨損問題更為惡化，見圖7.

圖7 爐膛過渡區爆管

2.2.2 爐膛稀相區水冷壁的磨損及成因

爐膛稀相區因物料的濃度相對較低，水冷壁管磨損較小。但由于爐膛水冷壁管都在現場工地拼焊接，若鍋爐安裝未能滿足工藝要求，水冷壁管束上有焊渣以及其它突起物，同樣會造成水冷壁局部磨損，甚至爆管，其影響因素主要有：

鰭片局部焊口打磨不光滑，物料沖刷鰭片和水冷壁，造成水冷壁磨損，見圖8.水冷壁的安裝垂直度對磨損也影響也至關重要，任何傾斜和壁面凸起物都將會帶來嚴重的磨損。本企業在測厚中發現一處管子對接焊縫的小凸臺導致焊縫被磨平并使焊縫下部管壁減薄，測厚發現管壁減薄約2.0 mm，大大超過其它管子，平均壁厚4.5 mm，見圖9.

圖8 沖刷磨損

圖9 焊縫突起磨損

水冷壁噴涂耐磨合金材料后因長時間運行發生局部脫落，導致水冷壁磨損。超音速電弧噴涂法是以高溫電弧為熱源，將熔化了的特殊金屬絲材用高速氣流霧化，并噴射到水冷壁表面形成涂層。而超音速電弧噴涂法在施工過程中需在水冷壁管表面先進行噴砂處理，來增加水冷壁管表面吸附力，此項工作十分重要，施工不到位易造成耐磨合金材料脫落。而這些局部脫落或起皮的噴涂層會影響床料沿貼壁流向下的運行方向，從而改變物料流動方向并局部形成渦流從而對噴涂層起皮位置造成沖刷磨損，見圖10.

圖10 噴涂脫落磨損

2.2.3 爐膛轉角區域的水冷壁管磨損及成因

水冷壁轉角縫區域在每次停爐檢查均能發現爐膛轉角區域存在不同程度的磨損，爐膛轉角區域由于形成邊壁流，物料匯集此處較多，物料貼壁沖刷使水冷壁出現局部磨損現象，轉角局部磨損問題尤為明顯，如圖11.

圖11 爐膛轉角磨損

2.2.4 爐膛澆注料的磨損及施工工藝問題

澆注料施工不符合工藝要求，造成不平整部分澆注料突起，使得沿管束貼壁流動的物料沖刷水冷壁管[3]，見圖12.澆注料在澆筑施工時如攪拌或振打不充分，造成澆注料出現類似澆筑水泥混凝土施工時出現的蜂窩狀的缺陷，在爐膛內這高溫環境中且在高濃度的物料沖刷下存在缺陷的澆注料易容易磨損脫落，造成埋在澆注料下方的水冷壁管磨損，見圖13.

圖12 澆注料突起磨損

圖13 澆注料脫落磨損

3 鍋爐水冷壁管防磨的具體應對措施

3.1 實施防磨超音速電弧噴涂

對爐膛過渡區域的水冷壁管、爐膛轉角區域的水冷壁管及爐膛出口澆注料附近的水冷壁管等易發生磨損區域實施耐磨超音速電弧噴涂施工，能有效減緩對水冷壁的磨損，見圖14.

噴涂施工時進行噴涂施工時需嚴格執行噴涂施工工藝[4]，噴涂前需用14-16目剛玉砂對表面進行噴砂清理，使管束表面粗糙度達到標準為Sa 2～3級的要求，噴砂后4 h內需及時進行噴涂施工，否則表面會再次銹蝕而影響噴涂質量[5]。超音速電弧噴涂時先噴打底層CL-NiAlTi，厚度約0.1 mm，然后噴打工作層CP-302，厚度0.6～0.7 mm，最后刷表面封孔層，CCS封孔劑，厚度約0.1 mm.爐膛過渡區、爐膛轉角區域、爐膛出口澆注料區域附近的水冷壁的噴涂工作需在進行澆注料施工前完成，這樣上述區域進行噴涂施工時，能有效使水冷壁與澆注料交界處的施工縫實現防磨噴涂，避免澆注料附近的水冷壁噴涂時起皮或脫落等施工問題的出現。

圖14 水冷壁電弧噴涂圖

3.2 實施主動防磨梁技術

根據鍋爐的磨損機理，CFB鍋爐的磨損主要原因與物料的速度和濃度有關。主動防磨梁[6]在爐膛水冷壁下部的澆注料以上部位，設計澆注六圈橫梁，根據磨損程度由下往上逐步遞減的實際工況，橫梁間距亦逐步加寬，這樣對爐內大流量的緊貼垂直水冷壁管排表面及管間的貼壁灰流實施軟阻擋，這樣防磨梁溢出的灰流依然沿垂直水冷壁管排表面及管間鰭片的凹梁流下，但不會緊貼表面，降低下墜灰的流速，大大減小貼壁灰流對垂直水冷壁的磨損，多道防磨梁分段阻隔，減少磨損的效果也隨之凸現，主動防磨梁的安裝圖見圖15、圖16、圖17.

圖15 防磨梁安裝示意圖

圖16 防磨梁安裝制作圖

圖17 多階主動防磨梁效果圖

3.3 實施在線堆焊防磨技術

采用在線堆焊的方式防磨，堆焊防磨用在CFB鍋爐上的優勢在于堆焊層與鍋爐管子的結合是原子間的結合，不存在脫落的問題，并且堆焊層也是金屬材料，對換熱基本不影響，只要選對防磨材料在線堆焊上去，效果非常好，這是其它防磨措施所不具備的或無法比擬的。堆焊技術已有突破性進展，很好地解決了鍋爐管排和管子堆焊厚度不均因、堆焊裂紋、稀釋率高、焊接變形、效率低等問題，使CFB鍋爐在線采用堆焊防磨技術變成現實。從堆焊管使用1年情況看，密相區與稀相區過渡段管束基本不存在磨損。從運行數據看來，經過一年的運行，堆焊材料的180°堆焊層的表面焊接波紋已經磨損完，表面光滑明亮，平均磨損約0.2~0.5 mm/a，一處磨損最大的地方損失0.5 mm/a，見圖 18、圖 19，實際堆焊層厚度有 3 mm，滿足三年以上運行周期要求。

圖18 爐管堆焊耐磨區效果圖

圖19 堆焊管現場安裝效果圖

4 結論

CFB鍋爐水冷壁管的防磨技術在提升鍋爐運行周期具有十分重要的作用。根據對CFB鍋爐磨損狀況及原因分析，通過不斷對防磨技術進行攻關，首次采用并實施新型防磨超音速電弧噴涂、實施主動防磨梁、實施在線堆焊防磨聯合技術修復消除水冷壁管磨損難題。CFB鍋爐的長周期運行時間突破542天，為本企業下游煉油化工裝置提供安全可靠的動力保障并創造了更好的經濟效益。