循環流化床鍋爐水冷壁管的磨損分析及處理措施研究

馬飛

（中鋁礦業有限公司熱電廠，河南 鄭州 450041）

1 主要參數及整體布置

中鋁礦業有限公司熱電廠有2臺410t/h高溫高壓循環流化床燃煤鍋爐。過熱蒸汽壓力9.81MPa，主蒸汽溫度540℃，單汽包自然循環、全鋼架支吊結構。由燃燒室、高溫絕熱分離器、自平衡分路回料閥和尾部對流煙道組成。

2 磨損的主要危害

由于循環流化床鍋爐內部固體物料的濃度、粒徑均比煤粉爐要大得多，對爐內受熱面磨損嚴重，輕者會導致局部受熱不均勻，使熱應力發生變化，嚴重者還可能造成爆管（受熱面泄露），最終導致鍋爐非計劃停車，嚴重影響鍋爐的安全穩定運行和全廠的經濟效益。

3 磨損機理及主要存在問題

在循環流化床鍋爐運行過程中，在一次流化風量的作用下，爐膛內部的中心區域，一次流化風速很高，物料顆粒團隨著氣流向上運動，而在爐膛水冷壁面附近，流化風速相對爐膛中心區域偏低，物料顆粒也就向流化風速較低的爐膛水冷壁面方向滑移聚集，并沿著爐膛水冷壁面向下流動，就形成了所謂的“貼壁流”，這就是循環流化床鍋爐典型的“環-核”空氣動力學結構。爐膛內部氣固兩相流之間的滑移速度是非常大的，因此，爐膛下部密相區的磨損速率要遠遠高于上部稀相區。

爐膛壁面的磨損主要與回料過程有關，當爐膛壁面平滑垂直時，其磨損程度相對較輕，一般只發生低應力滑動擦傷磨損。而危害最大的是較嚴重的局部磨損，主要是由床料回流造成的磨損，這往往也是造成爐膛爆管非計劃停車的主要原因。

針對循環流化床鍋爐的運行特性，研究表明，鍋爐受熱面的磨損存在著以下關系：

式中，M為鍋爐受熱面管壁表面的磨損量（g/m2）；C為比例常數，代表灰顆粒的磨損特性與燃煤煤種有關；a為爐內飛灰顆粒的流速（m/s）；u為爐內飛灰與受熱面的撞擊率；d為煙氣中的飛灰質量濃度（g/m3）；t為時間（h）。

從上式中可以看出，鍋爐受熱面的磨損程度與爐內飛灰顆粒的流速的三次方成正比，與爐內飛灰與受熱面的撞擊率的平方成正比，與煙氣中的飛灰質量濃度成正比。

4 主要磨損部位

我廠鍋爐水冷壁磨損最嚴重的部位是爐膛下部水冷壁與耐火澆注料交界處、一些不規則管壁以及爐膛四角區域，這些不規則管壁包括爐膛穿墻管、管壁上的焊縫以及管壁減薄后的堆焊處。另外，還有爐膛開孔處的不規則彎管等。

爐膛水冷壁磨損主要集中在以下六個區域：（1）爐膛出口兩側墻管壁切向的沖刷磨損。（2）爐膛中、下部四角區域管壁的沖刷磨損。（3）爐膛下部密相區澆注料與水冷壁管過渡區的沖刷、撞擊磨損。（4）水冷壁管對接焊縫處的沖刷磨損。（5）不規則區域（如穿墻管、熱電偶、看火孔、澆注料凸臺、爐膛開孔處彎管以及屏、壁變形處等）的管壁沖刷、撞擊磨損。（6）密相區澆注料處易磨損的區域（如落煤口、返料口、二次風口）。

針對以上磨損部位，我們采用了有針對性的防磨措施。

5 防磨措施

根據循環流化床鍋爐的爐內物料循環方式以及循環特性，爐膛中心的物料上升速度較快，接觸四周膜式水冷壁的物料流速較慢，且沿著壁面向下流動，形成“貼壁流”，也就是上升中心流與下降環，為了充分減少磨損，我廠針對爐內不同區域，經過多次改造，陸續采用不同的防磨方式。目前，擁有多階式防磨梁、防磨格柵、水冷壁噴涂、水冷壁熔敷等多種防磨措施。

我廠根據爐膛內部不同部位的磨損程度，并結合不同防磨措施的不同優勢，有針對性地采用不同的防磨措施。

（1）在爐膛密相區往上，分別間隔500mm、600mm、1150mm、900mm，以及爐膛出口往下1000mm的位置設置了五道防磨梁，以降低貼壁流的流速，來降低磨損。

（2）在四道梁往上磨損比較嚴重的部位分兩次進行了水冷壁熔敷防磨，一共熔了9000mm。

（3）由于前墻1～4道梁之間“八字胡”現象比較嚴重，2018年8月，打掉前墻四道梁，采用格柵防磨措施，共設置8排橫向格柵、14列豎向格柵，“八字胡”現象得到明顯改善。

（4）對于頂棚磨損，以及水冷屏磨損較嚴重的東第一根、西第一根，我們采用水冷壁噴涂方式防磨。

（5）在每次停爐時，我們都會對水冷壁、屏進行測厚，對于低于3.5mm的管子進行換管處理，對于高于3.5mm低于4.0mm的管子以及偏磨比較嚴重的部位進行噴涂。整個爐膛的防磨方式以及分布如圖1所示。

圖1

6 運行調整對受熱面磨損的影響

在鍋爐運行中，入爐煤顆粒度要嚴格按照規定進行配比，當粗顆粒較多時，爐內循環物料較少，較粗的床料顆粒將懸浮在燃燒室下部，這樣就造成爐膛密相區燃燒份額過大，床溫就難以控制，嚴重者還有可能造成爐膛結焦，運行中為了避免結焦，運行人員就會減少給煤量、增加一次流化風量，這樣一來，就會造成鍋爐不容易帶負荷，達不到設計蒸發量。隨著一次流化風量的增加，會造成煙氣量增加，從而引風機負荷增加，排煙溫度、飛灰濃度也會隨之增加。另外，由于鍋爐運行總風量的增大，對流受熱面的煙氣流速也會隨之上升，煙氣攜帶大顆粒床料將會急劇增加受熱面的磨損，形成惡性循環。

當入爐煤細顆粒較多時，床層不容易建立，這樣一來，密相區床溫就不容易維持，即便是密相區的燃燒溫度維持住了，較細的床料顆粒也將會被揚析，這樣尾部煙道受熱面的磨損也就加大了，并且煙道出口粉塵排放量也會超標。

因此，除了以上所做的防磨措施外，我們又從運行調整上進一步控制磨損。

（1）通過提高旋風分離器分離效率、增加返料量來控制床溫，從而降低一次風量。

（2）控制爐膛負壓，降低煙氣流速。

（3）控制入爐煤及床料顆粒度，降低磨損。

（4）提高布風板阻力，使床料流化更均勻。

7 防磨效果檢測

根據生產以及設備運行狀況，我廠每年每臺鍋爐計劃檢修兩次，每次停爐時，都會組織防磨防爆小組成員進入爐膛進行水冷壁、屏測厚檢查，近4年來，鍋爐運行周期、爆管次數、停爐換管根數統計如圖2所示。

圖2

從圖2可以看出，做完防磨措施后，效果還是很明顯的，2019年的平均運行周期比2016年提高了40天，另外，全年爆管次數以及換管量也都有所降低。