循環(huán)流化床鍋爐防磨技術(shù)的探討

1、循環(huán)流化床鍋爐防磨技術(shù)的探討赫向輝 神華國(guó)華（北京）電力研究院有限公司 北京市開(kāi)陽(yáng)路1號(hào) 1000695摘 要：本文介紹了循環(huán)流化床鍋爐的磨損機(jī)理，結(jié)合目前的防磨技術(shù)，對(duì)如何提高循環(huán)流化床鍋爐的耐磨性能進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐 讓管 防磨梁 防磨槽1 引言作為清潔燃燒方式之一，循環(huán)流化床鍋爐以其燃料適應(yīng)性廣、環(huán)保特性好、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣、灰渣綜合利用等優(yōu)越性而得到電力行業(yè)認(rèn)可。但循環(huán)流化床鍋爐的防磨防漏一直是運(yùn)行和檢修的重中之重，特別是爐膛內(nèi)受熱面的防磨措施尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨損造成循環(huán)流化床鍋爐停爐的事故率是4550%，因此如何有效解決其磨損問(wèn)題是循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展的重要研究課題。2

2、 磨損機(jī)理在工程實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)械作用、間或伴有化學(xué)或電的作用，物體工作表面材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中不斷發(fā)生損耗、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象稱(chēng)為磨損。按磨損機(jī)理不同，可把磨損分為粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損和微震磨損等。在循環(huán)流化床鍋爐中，爐內(nèi)受熱面的磨損主要表現(xiàn)為沖蝕磨損。沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊造成的磨損。沖蝕磨損有兩種基本類(lèi)型：一種為沖刷磨損，另一種為撞擊磨損，這兩種磨損的沖蝕表面流失過(guò)程的微觀形貌是不完全相同的。沖刷磨損是顆粒相對(duì)固體表面沖擊角較小，甚至接近平行。顆粒垂直于固體表面的分速度使它楔入被沖擊物體，而顆粒與固體表面相切的分速度

3、使它沿物體表面滑動(dòng)，兩個(gè)分速度合成的效果起刨削作用。如果被沖擊的物體經(jīng)不起這種作用，即被切削掉一小塊，如此經(jīng)過(guò)大量，反復(fù)的作用，固體表面將產(chǎn)生磨損。撞擊磨損是指顆粒相對(duì)于固體表面沖擊角較大，或接近垂直時(shí)，以一定的運(yùn)動(dòng)速度撞擊固體表面使其產(chǎn)生微小的塑性變形或顯微裂紋，在長(zhǎng)期、大量的顆粒反復(fù)撞擊下，逐漸使塑性變形層整片脫落而形成的磨損。一般在循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)受熱面的磨損中，床料顆粒與金屬件和耐火材料的沖擊角度在090之間，因此循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)水冷壁的磨損是上述兩類(lèi)磨損基本類(lèi)型的綜合結(jié)果。影響循環(huán)流化床鍋爐磨損的因素很多，主要有燃料灰特性（灰粒特性、灰成分特性）、床料特性、部件或局部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、

4、物料循環(huán)方式、運(yùn)行參數(shù)、受熱面的特性等。降低爐內(nèi)受熱面磨損速率的根本方法是降低貼壁流的顆粒濃度及速度。從目前電廠的運(yùn)行情況看，循環(huán)流化床鍋爐主要磨損區(qū)域包括： 爐膛四周水冷壁（包括密相區(qū)耐磨耐火層、密相區(qū)與水冷壁管交界處、爐膛四角區(qū)域、爐膛出口煙窗區(qū)域、爐膛中部管壁、屏穿墻區(qū)域及不規(guī)則區(qū)域）； 爐膛內(nèi)水冷屏、過(guò)熱屏、再熱屏下端； 水冷布風(fēng)板及風(fēng)帽； 爐頂受熱面； 旋風(fēng)分離器及其進(jìn)出口煙道內(nèi)表面，立管及返料裝置內(nèi)表面； 尾部對(duì)流煙道。 外置床換熱管3 主要防磨技術(shù)通過(guò)磨損機(jī)理可以看出，除爐膛四周水冷壁外，其它磨損均可通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化加以避免，例如適當(dāng)控制入爐煤粒度，控制風(fēng)量降低受熱面磨損，合理砌筑耐

5、磨材料，優(yōu)化受熱面布置等。而爐膛四周水冷壁表面磨損是CFB鍋爐最難以克服的障礙。爐內(nèi)水冷壁的磨損可以根據(jù)磨損的部位不同分為兩種形式，一種叫做局部磨損，或稱(chēng)“點(diǎn)”磨損，另一種叫做區(qū)域性磨損，或稱(chēng)“面”磨損。對(duì)于局部磨損，主要與結(jié)構(gòu)有關(guān)。容易產(chǎn)生局部磨損的部位有耐磨澆注料的結(jié)尾處（或防磨片的結(jié)尾處）的磨損；彎曲變形后的管屏；受熱面穿墻管；受熱面彎管；受熱面開(kāi)孔的地方；不規(guī)則的水冷壁鰭片焊縫、焊瘤等施工遺留下的痕跡；管卡受熱膨脹松動(dòng)造成管間或管子與管卡磨損。其中前五項(xiàng)在設(shè)計(jì)階段就已考慮了防磨措施，對(duì)于澆注料上部的水冷壁早期采取的防磨措施為加裝防磨護(hù)瓦和設(shè)置軟著陸平臺(tái)，由于防磨護(hù)瓦及軟著陸平臺(tái)上部的水

6、冷壁管磨損仍然很?chē)?yán)重，現(xiàn)該技術(shù)已很少采用，目前普遍采用的技術(shù)為讓管技術(shù)。其中，彎曲變形后的管屏磨損主要是由于管屏膨脹受阻造成變形，在變形的弓形部位磨損加劇，鍋爐廠在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮管屏膨脹變形問(wèn)題，如果發(fā)生了管屏變形嚴(yán)重的現(xiàn)象，則應(yīng)從管屏膨脹、支吊以及集箱連接管道等設(shè)計(jì)方面考察分析，進(jìn)而找出合理的解決方案，另外，已嚴(yán)重變形的部位采用少量更換的方式解決。第六項(xiàng)屬于施工階段造成的磨損隱患，需要在施工完畢后仔細(xì)檢查并消除。第七項(xiàng)，應(yīng)做到重點(diǎn)部位定期進(jìn)行監(jiān)督檢查。采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了局部磨損以后，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)水冷壁還存在由于其自身的流體動(dòng)力場(chǎng)特性造成的區(qū)域性磨損，即“面”磨損，像爐膛出口轉(zhuǎn)向處水

7、冷壁的迎風(fēng)面、給煤這一側(cè)的側(cè)墻等。解決區(qū)域性磨損的方法主要有兩種方式，一種是采用受熱面表面處理技術(shù)，即采用電、熱或等離子噴涂技術(shù)在受熱面表面噴涂一層高硬度的材料，該方法為被動(dòng)防磨技術(shù)；另一種是采用主動(dòng)多階式防磨梁防磨技術(shù)，該技術(shù)從主動(dòng)降低貼壁流的灰濃度與速度著手，從根本上控制導(dǎo)致磨損產(chǎn)生的因素，該方法為主動(dòng)防磨技術(shù)。目前主要的防磨技術(shù)如以下所述。3.1 金屬護(hù)瓦技術(shù)早期的循環(huán)流化床鍋爐的水冷壁經(jīng)常采用金屬護(hù)瓦技術(shù)，并得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著機(jī)組容量的增大，該技術(shù)的防磨效果顯得略有不足，其結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖1。爐膛內(nèi)存在大量的灰顆粒沿水冷壁向下流動(dòng),通常稱(chēng)之為邊界層，這些灰顆粒與光滑的水冷壁平行運(yùn)動(dòng)時(shí)

8、磨損較輕，一旦水冷壁上有凸臺(tái)，這些灰顆粒碰到突臺(tái)時(shí)流向發(fā)生將變化，使部分顆粒直接對(duì)水冷壁管沖刷，造成管壁磨損很快，澆注料交界處、防磨蓋板結(jié)束處或噴涂結(jié)束處都存在這樣的磨損。圖1：金屬護(hù)瓦技術(shù)結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)圖3.2 讓管技術(shù)目前新設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床鍋爐的水冷壁通常采用讓管技術(shù)增加其防磨性能，具體方法是將膜式壁折彎讓管（見(jiàn)圖2），使該處澆注料與膜式壁鰭片形成上下一致的垂直面，使耐磨材料與光管交界處的磨損大大減輕。該措施一般適用于新設(shè)計(jì)的鍋爐，對(duì)早期投運(yùn)的鍋爐進(jìn)行讓管改造的投資大、改造困難。采用這種結(jié)構(gòu)需要注意的是一定要檢查確認(rèn)澆注料與折彎上部膜式壁鰭片過(guò)渡要平滑，不能出現(xiàn)任何臺(tái)階或滲漿造成的棱角，對(duì)耐火

9、材料的施工質(zhì)量要求比較高。有些新電廠因施工問(wèn)題，改造后實(shí)際的防磨效果不是很理想。圖2：讓管技術(shù)結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)圖3.2 防磨梁技術(shù)西安熱工研究院有限公司經(jīng)過(guò)研究和實(shí)爐試驗(yàn)，發(fā)明了循環(huán)流化床鍋爐水冷壁新型防磨技術(shù)，稱(chēng)為主動(dòng)多階式防磨技術(shù)（防磨梁，見(jiàn)圖3）。該防磨裝置由銷(xiāo)釘和耐火耐磨澆注料形成凸臺(tái)，并通過(guò)銷(xiāo)釘將凸臺(tái)固定在水冷壁上；凸臺(tái)沿水冷壁高度方向以一定間距水平或傾斜多階布置。但增加防磨梁后可能會(huì)對(duì)鍋爐的換熱有一定影響，最好是在鍋爐設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，如需后期改造，則需和鍋爐廠進(jìn)行配合，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后再實(shí)施。某電廠加裝此防磨梁后，改造效果如下：(1)水冷壁不爆管檢修周期提高到三年以上，大大延長(zhǎng)鍋爐水冷壁使

10、用壽命；(2)運(yùn)行可靠，檢修簡(jiǎn)單方便。省去了每次停爐噴涂檢修的費(fèi)用，繼而節(jié)省了檢修時(shí)間，提高了鍋爐可用率；(3)安裝完成后鍋爐累計(jì)運(yùn)行6個(gè)月內(nèi)，在爐膛水冷壁管上隨機(jī)（自下而上基本均布）抽查3050個(gè)點(diǎn)，作加裝防磨裝置前后管壁變化對(duì)比檢測(cè)，100%抽查點(diǎn)管壁對(duì)比防磨實(shí)施前的減薄厚度小于1.0mm，80%抽查點(diǎn)管壁減薄厚度小于0.8mm；(4)安裝完成后鍋爐累計(jì)運(yùn)行一年內(nèi)，在爐膛水冷壁管上隨機(jī)（自下而上基本均布）抽查3050個(gè)點(diǎn)，作加裝防磨裝置前后管壁變化對(duì)比檢測(cè)，100%抽查點(diǎn)管壁對(duì)比防磨實(shí)施前的減薄厚度小于2.0mm，80%抽查點(diǎn)管壁減薄厚度小于1.6mm。圖3 防磨梁結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)圖3.3 多階

11、布置的防磨槽結(jié)構(gòu)技術(shù)東方鍋爐廠設(shè)計(jì)了一種多階布置的防磨槽結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），通過(guò)改變爐內(nèi)流場(chǎng),減少磨損顆粒與水冷壁接觸機(jī)會(huì),降低顆粒流動(dòng)速度的主動(dòng)防磨措施。隔槽采用耐磨耐熱鋼板制作成波形板和小撐架焊接固定在水冷壁鰭片管上，其作用與其它資料中介紹的防磨突臺(tái)（防磨梁）類(lèi)似，但又有明顯的不同。防磨水平凸臺(tái)上積灰量很少，很難起到軟阻擋貼壁灰流的作用，做不到使貼壁灰流逐漸減速。水平突臺(tái)很寬（一般都有幾百毫米）對(duì)整個(gè)邊壁層流動(dòng)形成比較大的擾動(dòng)，在水平突臺(tái)上方將形成一個(gè)漩渦，因此水平突臺(tái)上方仍有磨損。另外在四面垂直水冷壁面上設(shè)置水平凸臺(tái)多是用耐火材料加鉤釘成型，施工復(fù)雜、工期長(zhǎng)、成本高。圖4 防磨槽結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)圖

12、防磨槽的特點(diǎn)：(1)用波形耐熱鋼板與鰭片相焊，在水冷壁表面形成波形槽，波形槽在垂直水冷壁表面多層布置；(2)防磨槽很窄，只阻擋邊壁層中對(duì)磨損起作用的部分灰顆粒；對(duì)爐膛流場(chǎng)影響相當(dāng)小，不會(huì)在爐內(nèi)產(chǎn)生漩渦；(3)防磨槽能有效積灰，軟阻擋作用明顯，灰逐漸減速到零后溢出；使與水冷壁接觸的灰速度、濃度大幅度降低；(4)沒(méi)有被阻擋的邊壁層灰和從防磨槽溢出灰依然沿水冷壁管表面流下，但不會(huì)緊貼水冷壁表面，也不會(huì)象突臺(tái)那樣被爐膛中的向上的氣流攜帶上；(5)防磨槽溢灰口水冷壁最外端處最低，有效減少了最易對(duì)水冷壁產(chǎn)生磨損的水冷壁之間的凹槽中的灰流量。防磨槽的優(yōu)點(diǎn)：(1)安裝簡(jiǎn)單方便，成本低，不需對(duì)爐膛水冷壁進(jìn)行大量

13、改造；(2)波形板能有效吸收金屬受熱后的膨脹，不易變形，運(yùn)行可靠，檢修簡(jiǎn)單方便；(3)與噴涂等方法相比具有成本低、解決水冷壁磨損更徹底；(4)可方便的用于早期投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐的改造，不受耐磨材料處是否讓管和平滑的限制；(5)還可用于爐膛中不可避免的局部突起位置的防磨。某電廠在實(shí)施改造后運(yùn)行兩年多來(lái)測(cè)量管壁厚度無(wú)減薄，防磨效果良好。3.4 其它結(jié)構(gòu)技術(shù)除以上介紹的防磨技術(shù)外，應(yīng)用較多的還有噴涂技術(shù)、堆焊耐磨合金防磨技術(shù)和高鋁高耐磨瓦防磨技術(shù)。噴涂技術(shù)包括超音速電弧噴涂防磨技術(shù)和超音速火焰(HVOF)噴涂防磨技術(shù)，電弧噴涂技術(shù)具有噴涂速度高、涂層化學(xué)成分和硬質(zhì)相含量易調(diào)整、沉積效率高，尤其適宜

14、于現(xiàn)場(chǎng)的大面積耐磨部件施工，但實(shí)踐證明涂層可在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)僅可經(jīng)受11.5年的運(yùn)行磨損，涂層耐磨持續(xù)時(shí)間難以達(dá)到3年以上；超音速火焰(HVOF)噴涂高耐磨的涂層，防磨效果較好，但該法成本較高、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)不便，沉積效率低、對(duì)粉末要求苛刻。堆焊耐磨合金防磨在沸騰爐的埋管耐磨上使用效果良好且容易施工，施工速度快，在循環(huán)流化床鍋爐上堆焊耐磨合金防磨可用于搶修，大面積應(yīng)用則存在著成本高、熱應(yīng)力大、表面不平滑、與受熱面管子母材過(guò)渡處存在著臺(tái)階（盡管較?。┑葐?wèn)題。高鋁高耐磨磚系列材料均以高硬度磨料超細(xì)粉為基質(zhì)料，外加分散劑、促凝劑及微量水泥強(qiáng)化結(jié)合，以獲得材料的永固性強(qiáng)度，提高在高溫下的抗磨抗剝落性能。高鋁高耐磨瓦是為鍋爐水冷壁管防磨而設(shè)計(jì)的特殊形狀耐磨磚，安裝在相臨兩水冷壁管上（每根水冷壁管覆蓋約半圓?。c鰭片接觸的直段上均布有小孔以便用銷(xiāo)釘固定高鋁高耐磨瓦，安裝施工方便，但此瓦在循環(huán)流化床鍋爐水冷壁上應(yīng)用時(shí)存在著終結(jié)處與受熱面管子母材過(guò)渡存在著明顯臺(tái)階、導(dǎo)熱系數(shù)變小等不足。4 結(jié)論及建議綜上所述，各種防磨技術(shù)均具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，具體采用哪種防磨技術(shù)應(yīng)根據(jù)工程的具體