延長循環流化床鍋爐壽命的改進設計

李志強

（陽泉煤業化工集團有限責任公司， 山西 太原 030006）

引言

近年來，隨著國家對環保要求越來越高，對各行業各領域的設備環保性能提出了更高的要求。鍋爐作為供暖、鋼鐵等行業的關鍵設備，其在燃燒煤炭過程中會產生大量的有害氣體，嚴重威脅著周邊居民的居住環境。在實際生產過程中除了采用先進的排放技術減少污染外，還可采用先進的燃燒技術減少有害氣體的產生[1]。循環流化床技術作為當前新一代潔凈燃燒煤炭技術，已經在全球范圍內被廣泛應用，尤其已成功應用于鍋爐中。

循環流化床鍋爐能夠實現對煤炭的多次循環燃燒，延長煤炭在爐膛內停留的時間，具有較強的燃燒效率。此外，循環流化床鍋爐具有燃燒劣質燃料、良好的負荷調節性能等優勢[2]。為進一步提升循環流化床鍋爐的燃燒效率及使用壽命，本文將著重對其在實際生產過程中存在的問題進行改造。

1 循環流化床鍋爐存在的問題

由于循環流化床鍋爐在設計初期存在弊端，導致其在實際生產過程中存在壽命不滿足要求的問題。盡管，循環流化床鍋爐在使用過程中均會出現不同程度的磨損。經統計可知，常見的循環流化床鍋爐的磨損具體可歸納為以下幾點：

1）循環流化床鍋爐的中心筒出現變形、串漏、脫落以及歪斜。

2）循環流化床鍋爐的風帽存在漏渣的現象，且風帽的使用周期短。

3）循環流化床鍋爐的水冷壁被磨損。但是，由于鍋爐的熱負荷小，水冷壁被磨損的情況相對較輕。

4）循環流化床鍋爐爐膛錐段上部分出現磨損。當設備在高料層并以較大風速運行時該區域磨損相對嚴重；

5）此外，在爐膛出口、兩側墻水冷壁管迎氣流方向存在單向沖刷磨損、爐膛四角及頂部均存在不同程度的磨損[3]。

2 循環流化床鍋爐磨損原因

初步原因分析：導致循環流化床上述磨損現象主要與鍋爐爐膛的結構、煙速、燃料種類以及進入爐膛內燃料粒度的直徑大小相關。

定性分析：鍋爐受熱面的磨損量如公式（1）所示：

式中：E為鍋爐受熱面的磨損量；f1為鍋爐燃料灰粒特性系數；f2為不同布置型式及沖刷方式系數；C為燃料飛灰的濃度；V為燃料燃燒產生煙氣的速度。

如公式（1）所示，鍋爐受熱面的磨損量受燃料燃燒所產生煙氣速度的影響因素較大。因此，除了簡單控制灰粒特性系數、不同布置型式及沖刷方式系數以及飛灰濃度外，可通過控制煙氣的速度減輕對鍋爐受熱面的磨損。

此外，鍋爐受熱面的磨損還與燃料固體粒子的夾角相關[4]。經研究可知，鍋爐表面磨損量與固體粒子夾角的關系如圖1 所示。

圖1 鍋爐表面磨損量與固體粒子夾角關系

如圖1 所示，當燃料固體粒子與鍋爐表面的夾角為20°時，鍋爐表面的磨損最為嚴重。

3 循環流化床鍋爐的改進設計

經分析，循環流化床鍋爐容易磨損的位置包括有中心筒、風帽、爐膛錐段上部區域、在爐膛出口、兩側墻水冷壁管迎氣流方向以及爐膛四角和爐頂等[5]。本文將對上述位置進行改進設計。

3.1 中心筒的改進設計

1）采用瑞典進口的310S 材料替代原先材質，該材料能夠確保中心筒在高溫條件下的穩定性，進而減少其在高溫環境下的變形量；

2）將原中心筒的上粗下細的結構（上部直徑為2 000 mm，下部直徑為1 500 mm）改進為上部直徑為1 500 mm、下部直徑為1 300 mm，中間采用大小頭過渡的方式。改造后中心筒的分離效率得到很大程度的提升。此外，將原中心筒的三道單環防變形結構改進為三道槽鋼結構，并為其配置24 塊板筋。

3）將中心筒采用吊裝的方式安裝。采用8 根槽鋼托起中心筒，要求中心筒與槽鋼之間預留10 mm的膨脹縫，另一端與護板焊接的方式安裝。

3.2 風帽的改進設計

目前，公司與循環流化床鍋爐配套使用的風帽為新型節能風帽。該風帽的直徑為8～13 mm，安裝密度為35 個/m2。針對當前風帽磨損的原因，采用以下步驟對其進行改造：將原風帽拆卸，露出布風板；將布風板原先的開口進行均勻封堵，并將未封堵開口的尺寸由原來直徑為25 mm 擴大為40 mm。要求未封堵開口呈現等腰三角形的布置；將風帽安裝、焊接于剩余開口上；在底座增設鐘罩式風帽。此外，風帽除采取上述步驟改造后，將渣管的材質替代為鑄耐熱合金鋼。

3.3 爐膛的改進設計

1）針對循環流化床鍋爐爐膛四角和爐頂磨損的問題，可采用對關鍵位置進行噴焊或打防磨澆筑料的方式增強其耐磨特性。但是，經實踐表明：對關鍵位置噴焊處理后其使用壽命僅延長為90 d。因此，可采用打防磨澆筑料的方式對循環流化床鍋爐爐膛的四角和爐頂進行強化設計。

2）針對爐膛錐段上部區域磨損嚴重的問題，可采用讓管結構的方式。若現場無采用讓管結構的條件，可在鍋爐爐膛增加阻流梳型內梁。若現場已采用讓管結構后仍存在爐膛錐段上部區域磨損嚴重的現象，需根據實際情況對鍋爐的運行方式進行調整。

3）針對鍋爐爐膛出口、兩側墻水冷壁管迎氣流方向的單向沖刷磨損嚴重的問題，考慮是由于布風板分布不均勻導致二次風風速偏差而出現的。因此，除了針對風帽改進時已對布風板進行改進設計外，還需在水冷壁鰭片上豎向焊接阻流片的方式避免對水冷壁的磨損。其中，阻流片所選用的材質為不銹鋼材料，且要求阻流片應高于水冷壁管。

4 改造效果

1）中心筒改造后，鍋爐的負荷得到明顯提升，且設備運行更加穩定，使用周期延長為三年，直接降低了維修成本；

2）風帽改進后，從一定程度上降低了作業人員的勞動強度，達到了節能生產的目的，且改造后風帽的壽命延長為三年，同樣降低了維修成本；

3）針對爐膛內關鍵結構及材質進行改造后，在試運行期間水冷壁、爐頂以及爐膛四角的磨損量幾乎可以忽略不計。