450t_h循环流化床锅炉炉内受热面磨损探讨

450 t/h循环流化床锅炉炉内受热面磨损探讨

樊泉桂1崔震华1由俊坤1王朝伟1王绍辉2

（1.华北电力大学，2.大唐保定热电厂）

摘要：循环流化床锅炉中金属部件及耐火非金属材料的磨损是造成其运行事故的主要原因之一。对颗粒粒径、物料硬度进行了分析，并通过对循环流化床锅炉受热面磨损机理、特点分别进行理论分析，针对450 t/h CFB循环流化床不同部位进行了磨损分析，总结了其磨损分布特点，提出了相应的防磨措施。

关键词：循环流化床；磨损；粒径；浓度；措施

中图分类号：TK223.3 文献标识码：A

450t/h Circulation Fluid Bed Heating Surface Attrition Analysis

FAN Quan-gui, CUI Zhen-hua, YOU Jun-kun, et al.

Abstract: In the circulation fluid bed boiler, the metal part and the refractory material attrition create one of its movement accident primary causes. The relation between wearing of surface and the particle diameter, the material hardness, the circulation fluid bed boiler heating surface attrition mechanism and the characteristics are discussed and analyzed theoretically in view of the different attrition position and the material which wears, the circulation fluid bed boiler main attrition part attrition is summarized and related measures are put forward.

Key words: circulation fluid bed; wears; particle size; concentration; measures

循环流化床锅炉的受热面和耐火材料受到大量固体物料的不断冲刷。循环流化床锅炉由于其特定的燃烧方式，炉内的固体物料浓度为煤粉炉的几十倍到上百倍。由于磨损（受热面、耐火材料、风帽等）造成的事故接近事故停炉总数的比率相当高，并且在国内已投运的一些循环流化床锅炉受热面磨损爆管事故也时有发生。因此循环流化床锅炉的防磨措施正确与否，直接影响循环流化床锅炉机组的可用率。高倍率循环灰的流动使炉内磨损十分严重，循环流化床锅炉的磨损问题是困扰循环流化床锅炉技术发展的关键因素，磨损问题解决的如何，直接关系到CFB锅炉的设计成功与否。

1 关于受热面磨损理论分析

在机理上，金属的磨损可分为两类：一是金属表面在固体颗料的冲刷下，因磨擦而导致的金属部件的逐渐失重；另一类是在金属表面形成一层氧化膜，膜的硬度很高，但较脆，在物料颗粒的冲刷下，氧化膜出现极小微块的剥落，在剥落掉的金属表面上再形成新的氧化膜层，磨损就在这一过程中在进行。如CFB锅炉密相床内布置有埋管受热面和风帽等，受处于流化状态的床料冲刷，金属表面一直在经受着一定程度的磨损。

材料的磨损量与颗粒的直径大小有关。颗粒直径很小时，材料所受的冲蚀磨损很小；随着颗粒直径的增大，磨损量随之而增加，当颗粒直径大到一临界值后，磨损量几乎不变或者变化十分缓慢，如图所示。对于这种现象的解释多种多样。一般认为，在相同的颗粒浓度μ下，颗粒直径越大、单位体积内颗粒数就越少，虽然大颗粒冲击管壁的磨损能力

收稿日期: 2006-10-19

樊泉桂(1950-)，男，教授，动力工程系。保定，071003 较大，但由于冲击到壁面的总的颗粒数降低，故材料的磨损量仍变化不大。

图磨损与颗粒直径（浓度）的关系

表中给出了氧化层与其它一些物质的硬度比较，可见，氧化膜的硬度极高，如能在管子表面形成氧化膜，对减少磨损是极其有利的。氧气膜的形成速率很重要，若其小于磨损速率，金属表面就形成不了氧化膜。管壁温度在300 ℃以上时，较易形成氧化膜。CFB的密相床一般处于还原性气氛，对于在金属表面形成氧化膜是不利的，可用耐磨材料覆盖管子以避免严重的磨损。在还原与氧化气氛交界处，由于这一界面会上下波动，也会导致磨损加重，应与还原区同样处理。

表物料硬度表（20 ℃时）

物料石灰石硅酸盐钢镀层氧化膜

硬度（HV）140～160800 130～250 500～1800600～1800

2 主要磨损部件的磨损分析

2.1主要磨损的金属部件在炉膛下部壁面垂直段与渐缩段交界处（卫燃带）、炉顶及炉膛出口，在屏过、风帽、旋风筒进口、尾部烟道进口等处，都易发生严重磨损。在设计时应在结构上给以考虑或加防磨措施。我国先期投运的若干台CFB已出现磨损现象。

(1) 布风装置

循环流化床锅炉布风装置的磨损主要是风帽的磨损，其中风帽磨损最严重的区域发生在循环物料回料口附近。其原因主要是由于较高颗粒浓度的循环物料以较大的平行于布风板的速度分量冲刷风帽。循环流化床锅炉风帽磨损主要为涡流磨损，现在循环流化床锅炉普遍采用大口径钟罩式风帽、七字型风帽、箭头状风帽等，该类风帽安装后风帽头与布风板之间均有150～500 mm左右的间隙，运行过程中床料在该部位产生涡流造成磨损，主要表现为风帽根部因磨损断裂，严重的每年更换量达5%甚至更大。

(2) 炉膛水冷壁管

炉内水冷壁管的磨损主要集中在以下3个区域：炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域管壁的磨损；炉膛4个角落区域的管壁磨损；不规则区域管壁的磨损。炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域管壁的磨损原因：一是在过渡区域内由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，而在局部产生涡旋流；另一个原因是沿炉膛壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁管产生冲刷。炉膛4个角落区域的管壁磨损原因是角落区域内壁面向下流动的固体物料浓度比较高，同时流动状态也受到破坏。不规则区域管壁（如穿墙管、炉墙开孔处的弯管等）的磨损原因主要是不规则管壁对局部的流动特性造成的较大扰动。循环流化床锅炉水冷壁磨损一般为冲刷磨损和涡流磨损，发生的部位一般在炉膛出口进入旋风分离器前的两个侧墙及炉膛下部水冷壁与耐火材料交界的地方。炉膛出口进入旋风分离器前的两个侧墙主要为大面积的冲刷磨损，水冷壁的减薄比较均匀。炉膛下部水冷壁与耐火材料交界的地方冲刷和涡流磨损均有，但涡流磨损偏多一点，主要表现为水冷壁局部出现较深的沟槽或小坑。

(3) 炉内受热面的磨损

炉膛内屏式过热器、水平过热器管屏的磨损机理与炉内水冷壁管的磨损机理相似，主要取决于受热面的具体结构和固体物料的流动特性。

(4) 对流烟道受热面的磨损

CFB安装有分离器，分离效率往往高达99%以上，尽管如此之高，但由于炉内的高灰浓度，使分离器未能收集而排出灰量的绝对值可能仍很高，在尾部烟道烟气是向下流，颗粒一边随烟气流动，一边受重力作用，颗粒的绝对速度是烟气速度，加上颗粒粒度又大，导致省煤器等尾部的受热面磨损严重。在省煤器等尾部受热面管束的弯头与壁面之间如间隙较大，形成烟气走廊，磨损将加速。金属壁面的磨损速率与速度呈3～3.5次方的关系，与灰颗粒直径为平方的关系。在尾部烟道设计时应充分考虑上述因素，选择合适风速，设计合理结构，避免受热面的严重磨损。对流烟道受热面的磨损主要发生在省煤器两端和空气预热器进口处，产生磨损的主要原因是设计上考虑不周，安装时出现误差；另一个原因是受热面材质不好。

2.2主要磨损的非金属耐火材料

CFB锅炉主要磨损的非金属耐火材料包括：水冷壁布风板；燃烧室下部四周水冷壁表面；燃烧室内布置的水冷屏、过热器屏等下端表面及其穿墙处周围的水冷壁表面；燃烧室出口周围及出烟口流道内表面；分离器整个内表面；料腿及回料装置内表面；分离器出口烟道内表面；尾部对流烟道入口内表面。经常使用的防磨措施主要有：

(1) 水冷壁衬里：水冷壁衬里是用焊在管子表面上的金属销钉将致密的耐磨耐火材料固定在烟气侧的锅炉管件上。

(2) 非水冷壁薄衬里：一般来说非水冷壁薄衬里是用按一定规律布置的“Y”型抓钉把耐磨浇注料固定在保温浇注料层外，抓钉上要涂1 mm厚沥青解决金属抓钉与耐磨浇注料之间的温胀差异。此种衬里适用于表面复杂的部位及设备顶面。

(3) 非水冷壁厚衬里：非水冷壁厚衬里主要是把耐磨砖固定在保温砖或保温浇注料的外侧。

3 CFB锅炉防磨特点和分布

(1) 炉膛密相区和水冷布风板是锅炉炉内工作环境最恶劣的地方，主要有温度最高、化学反应最强烈、受热面磨损最严重等特点，防止磨损成为锅炉能否长期稳定运行的关键之一。因此，密相区耐磨材料主要由销钉固定的高强度耐磨耐火浇注料构成。

(2) 锅炉水冷风室虽没有磨损，但在床下风道燃烧器运行时，风室的温度高、局部还原性气氛浓、温度变化大，而且在正常运行时风室还要承受很高的压力，所以风室必须要有良好的密闭性，风室内衬由耐火材料和保温材料构成，并在风道燃烧器附近布置一些强度较高的耐磨耐火材料，以防脱落和裂纹。

(3) 高温分离器的作用是为了捕捉大颗粒物料返回炉内，是使炉内物料形成循环的重要构件，它的分离效率高低直接影响锅炉的燃烧效率和尾部烟道的磨损。由于高温绝热分离器安装的位置高，工作时的温度和炉膛接近，磨损较大。由耐磨耐火砖构成的轻型炉墙，既能使高温分离器抗高温、抗磨损，又能使分离器的重量相对较轻，易于安装、内衬养护和检修。

(4) U型回料阀位于高温分离器和回料腿之间。U型回料阀是一个小型的流化床，其作用主要是分离器的密封和回料的输送。回料对内壁的磨损较为剧烈，耐磨材料强度要求较高，因此，防磨材料采用了耐磨耐火拉钩砖和高强度耐磨浇注料相结合，这样，既减轻了悬挂重量，又达到了较好的防磨效果。

(5) 回料腿的工作结构和环境较复杂，除大量的床料经过回料腿返回锅炉外，还有煤、石灰石和飞灰再循环从这里进入锅炉。这一段的物料浓度较高、温度变化大和底部气-固冲蚀严重。其中还有作为上下连接作用的膨胀节，在运行中对其抗磨损和密封的要求也很高，因此，在回料腿管段主要布置耐磨耐火砖。在膨胀节处采用耐磨耐火浇注料防磨，膨胀缝用耐火纤维进行密封。（下转第40页）泵流量/m3·h-1106.2

给水泵选型需要注意的问题

(1) 给水泵的关闭压头需大于额定压头的110%

头流量曲线必须连续。

(2) 给水泵及电机选型时需要留有余量，使给水泵可

110%的额定流量下连续运行。

(3) NPSH 必须小于有效NPSH的1/2。

(4) 给水泵的选型需考虑汽包安全阀全启时向汽包供

水的工况，此时流量按最大正常流量的50%设计。

(5) 给水管路及给水泵设计时，需考虑两台给水泵同时

运行的工况。

编辑：巨

（上接第38页）

(6) 冷渣器是冷却炉膛底渣的装置，结构较为复杂，主要由进渣管、风室、布风板、出渣口、返气弯管和冷却水等组成。其作用是冷却炉渣，炉渣以鼓泡状态进行换热，炉渣对进渣管、冷渣器底部和返气弯管等部位的磨损强烈。所以，在各磨损重点部位，采用耐磨耐火水泥浇注料。

4 结 论

(1) 在运行中应首先控制床料及煤粒的筛分比，调整风量，降低烟气的流速，降低烟气粒子浓度和粒子直径以减少磨损。

(2) 膜式水冷壁上应避免凹凸不平，向火面焊缝要磨平，保证光滑平整，打掉膜式水冷壁防磨浇注料顶端凸台，使防磨浇注料与水冷壁交接处平滑过渡，减少不规则变形，使回流的粒子流到此处软着陆，运行中要注意控制风量，降低烟气流速，控制床料和煤粒的筛分比，减小灰粒子浓度和粒径。

(3) 调好炉膛差压，使之达到灰平衡。在磨损严重的后顶部弯管处加装限流板，转向室加装导流板，以改善烟气的流动特性，减轻由于烟速和浓度不均匀所带来的磨损。

(4) 分离器锥体所处的工作状况与其筒体大致相同，建议使用震动浇注来保证衬里具有足够的强度和耐磨性能。□

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编辑：闻彰