440t/h循環(huán)流化床鍋爐防磨提效技術(shù)的研究

　　循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)是工業(yè)化程度最高的潔凈煤燃燒技術(shù)，目前大型超臨界鍋爐得到大力推廣和應(yīng)用。它的流態(tài)化循環(huán)燃燒特性，使它能完成對低熱值固體燃料(如煤矸石、油頁巖、城市垃圾、淤泥和其他廢棄物等)的充分燃燒，從而實(shí)現(xiàn)能源利用的節(jié)能環(huán)保，并得以大量應(yīng)用。

　　然而循環(huán)流化床鍋爐在實(shí)際應(yīng)用中，由于燃燒特性等的原因，爐內(nèi)磨損問題非常突出且頑固難除，尤其是鍋爐燃用劣質(zhì)燃料(煤矸石、垃圾、城市固廢等摻燒比例大、灰分高)時(shí)磨損問題更加嚴(yán)重，造成鍋爐頻繁非停，設(shè)備運(yùn)行周期短，極大的影響了其安全性與經(jīng)濟(jì)性。對于大型超臨界鍋爐而言磨損問題也依然存在，甚至磨損危害更為嚴(yán)重。

　　本文主要介紹了一種爐膛防磨的新方法，將格柵防磨與防磨梁防磨結(jié)合起來，增加防磨能力，提高防磨水平。從磨損的機(jī)理開始剖析，科學(xué)的指出了該技術(shù)的防磨原理和應(yīng)用效果，并以應(yīng)用實(shí)例加以證明。

　　1循環(huán)流化床鍋爐的磨損分析

　　1.1磨損產(chǎn)生的主要原因

　　由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)流速高、顆粒濃度大，受燃燒機(jī)理影響，加之主要燃用高灰分的劣質(zhì)煤種，循環(huán)流化床鍋爐普遍存在磨損現(xiàn)象。局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)或安裝達(dá)不到要求時(shí)造成金屬受熱面的磨損，成為影響循環(huán)流化床鍋爐長期連續(xù)運(yùn)行的重要原因。循環(huán)流化床鍋爐的磨損主要表現(xiàn)在對受熱面、耐火耐磨材料及布風(fēng)板風(fēng)帽的損害。受熱面，不管是水管、汽管、還是風(fēng)管的磨損，輕者導(dǎo)致熱應(yīng)力的變化，使其受熱不均，重者造成爆管或受熱面泄漏，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致停爐;耐火耐磨材料的磨損會使耐火耐磨材料脫落，鍋爐漏灰、漏風(fēng)或加重局部受熱面磨損，爐膛內(nèi)耐火耐磨材料脫落會堵塞排渣口，引起排渣不暢或流化不良，分離器內(nèi)耐火耐磨材料脫落會堵塞立管影響返料器的正常運(yùn)行;布風(fēng)裝置磨損將導(dǎo)致布風(fēng)不均、風(fēng)帽漏渣，嚴(yán)重會引起鍋爐結(jié)焦，風(fēng)室堵塞等問題。這些都將在不同程度地影響鍋爐正常運(yùn)行及安全經(jīng)濟(jì)性。

　　1.2磨損的表現(xiàn)形式

　　磨損是由于表面的相對運(yùn)動(dòng)使物體工作表面上逐漸喪失物質(zhì)的現(xiàn)象，或者是物體(質(zhì))與其他物體(質(zhì))由于表面的相對運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象。磨損主要分為5種：粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損、磨料磨損。對于循環(huán)流化床鍋爐來講，其磨損主要表現(xiàn)為磨料磨損，是本課題的研究重點(diǎn)。

　　磨料磨損是指各種物料的顆粒或凸出物在與零件表面的相互接觸時(shí)，使表面 材料發(fā)生損耗的現(xiàn)象，是硬顆粒或突出點(diǎn)的作用而造成物料轉(zhuǎn)移所致。 主要表現(xiàn)形式如下圖所示：

　　圖1-1 磨料磨損的主要表現(xiàn)形式

　　影響磨損的主要因素

　　1.3影響磨損量的因素

　　循環(huán)流化床(CFB)鍋爐受熱面的磨損程度與爐膛結(jié)構(gòu)、受熱面布置，煙氣流速，煤種、粒度組成，分離器數(shù)量、分離效率，運(yùn)行方式(床壓、爐內(nèi)溫度、風(fēng)量分配)等有關(guān)。通常受熱面的磨損量，可用下面公式表達(dá)：

　　E = f1×f2×f3×Cash×Vgasn

　　其中：E — 磨損量; f1 — 灰特性系數(shù);

　　f2 — 沖刷系數(shù); f3 — 防磨特性系數(shù);

　　Cash — 灰濃度; Vgas — 煙氣速度;

　　n — 次方指數(shù)，通常取值：3～4。

　　⑴ 灰特性系數(shù)(f1)

　　灰特性系數(shù)主要與入爐煤質(zhì)(灰份、可磨系數(shù))、粒度分布、灰粒特性(熔點(diǎn)、硬度、成份、爆裂性、磨損性)，石灰石品質(zhì)(成份、活性)、粒度分布等有關(guān)。

　　⑵ 沖刷系數(shù)(f2 )

　　沖刷系數(shù)主要與爐膛型式、結(jié)構(gòu)尺寸，受熱面結(jié)構(gòu)、布置型式，界面過度段結(jié)構(gòu)，布風(fēng)型式等有關(guān)。

　　⑶ 防磨特性系數(shù)(f3)

　　防磨特性系數(shù)主要與受熱面管材、防磨裝置(防磨蓋瓦、涂料)、澆注料及安裝質(zhì)量(焊接工藝、表明光滑度)等有關(guān)。

　　⑷ 灰濃度Cash

　　灰濃度主要與入爐煤質(zhì)(熱值、灰份、揮發(fā)份)、粒度分布，石灰石品質(zhì)(成份、活性)、粒度分布，分離器型式、分離效率，排渣設(shè)備及運(yùn)行方式，鍋爐運(yùn)行方式(過量空氣系數(shù)、一二次風(fēng)量比例、上下二次風(fēng)配置、床層高度、爐內(nèi)運(yùn)行溫度)等有關(guān)。

　　⑸ 煙氣速度Vgas

　　煙氣速度主要與爐膛斷面大小、運(yùn)行負(fù)荷、爐內(nèi)煙溫、過量空氣系數(shù)(燃燒總風(fēng)量)等有關(guān)。

　　當(dāng)鍋爐結(jié)構(gòu)(爐膛結(jié)構(gòu)、受熱面布置、煙氣沖刷方式、分離器型式)和燃用煤種、石灰石(成分、顆粒組成、灰粒特性)確定后，鍋爐受熱面的磨損量和飛灰濃度成正比，和煙氣速度的3.5次方成正比，因此飛灰濃度、煙氣速度是影響鍋爐受熱面的磨損量的主要因素，而煙氣速度尤為關(guān)鍵。

　　2防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨的理論依據(jù)

　　2.1防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨提效技術(shù)的原理

　　大部分電廠對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的防磨方式都較為被動(dòng)，如使用澆注料防磨、加焊防磨護(hù)瓦或者超音速電弧噴涂處理等。這些措施只是被動(dòng)的增加了水冷壁管本身的抗磨損能力，而并非是從磨損的原因上著手，從根本上去主動(dòng)的解決問題。因此這些方法共同的特性是：防磨措施做到哪個(gè)部位，該部位的端部又會重新產(chǎn)生磨損的現(xiàn)象。本文將主要介紹防磨梁和格柵防磨聯(lián)合防磨提效技術(shù)。

　　防磨梁和格柵防磨聯(lián)合防磨提效技術(shù)則不同于傳統(tǒng)的、被動(dòng)式的防磨技術(shù)，是一種從根本上解決磨損問題的主動(dòng)式防磨技術(shù)。該技術(shù)的研發(fā)理念運(yùn)用了導(dǎo)流防磨的思想，其核心在于對物料內(nèi)循環(huán)進(jìn)行疏導(dǎo)，降低物料顆粒沿水冷壁管的下落速度，且有部分灰離開水冷壁管附近，向爐膛中心靠攏，使之不能與水冷壁接觸，減少物料粒子對水冷壁管的碰撞，從而避免固體物料對水冷壁管的磨損。同時(shí)將院防磨護(hù)瓦的縱向隔離防護(hù)變?yōu)闄M向阻斷防護(hù)。

　　防磨梁和格柵防磨聯(lián)合防磨提效技術(shù)解決了其他技術(shù)產(chǎn)生的影響傳熱的問題，又解決了磨損問題。這是一種本質(zhì)上不同于防護(hù)防磨技術(shù)的新理念，對水冷壁管防磨起到治標(biāo)治本的作用。就目前的運(yùn)行實(shí)踐表明：水冷壁管同時(shí)加裝防磨梁和導(dǎo)熱型格柵后磨損量明顯減輕。水冷壁防磨梁常用耐熱耐磨鋼板式和耐火耐磨材料形式，應(yīng)用是需做多道甚至十幾道;防磨格柵采用耐熱耐磨金屬合金的形式，在水冷壁的鰭片上沿水平和豎直方向焊接多片導(dǎo)熱型金屬防磨格柵板，通過合理的布置，形成網(wǎng)格式的防磨。同時(shí)由于結(jié)合了格柵防磨，將能有效消除由于裝設(shè)防磨梁，而在其邊界產(chǎn)生的新的渦流，防止產(chǎn)生新的磨損區(qū)域，彌補(bǔ)了單一的防磨梁防磨的缺陷，并增強(qiáng)了防磨能力。

　　2.2防磨梁和防磨格柵聯(lián)合布置的降速性

　　格柵防磨梁聯(lián)合防磨的降速效果示意圖

　　水冷壁表面的氣固兩相流經(jīng)過格柵防磨梁聯(lián)合防磨技術(shù)所布置的網(wǎng)格式降速區(qū)域優(yōu)化后，其流速可以降低帶原有的20%甚至更低，根據(jù)磨損量公式計(jì)算(n取3.5)，可知水冷壁的磨損量可降低為原來的0.36%甚至更低。理論上在同等工況下，通過格柵防磨技術(shù)改造后，水冷壁管的壽命將延長為原來的278倍。實(shí)際上由于爐膛本身的復(fù)雜性以及內(nèi)部環(huán)境的惡劣性、流場的紊亂，實(shí)際防磨效果不可能達(dá)到其理論值，但也能極大的減少受熱面的磨損。

　　2.3格柵及防磨梁的導(dǎo)熱性

　　格柵、防磨梁的傳熱研究可以先考慮單位面積上與爐膛間的換熱研究。在爐膛傳熱的過程中，由于合金防磨板焊接在水冷壁管的鰭片上，且其本身就是起到降低煙氣流速的作用(防磨梁同理)，因此單一合金防磨板與爐膛間的傳熱過程可以近似看做煙氣對合金防磨板及防磨梁的輻射換熱。從實(shí)際上看，爐膛的整體大小遠(yuǎn)大于合金防磨板及防磨梁的大小，所以滿足簡化模型的條件，一個(gè)表面積為A1、表面溫度為T1、發(fā)射率為ε1的物體被包容在一個(gè)很大的表面溫度為T2的空腔內(nèi)，此時(shí)該物體的輻射換熱量根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律可得：

　　Φ：熱流量

　　ε1: 合金防磨板及防磨梁的平均發(fā)射率

　　A1 :合金防磨板的表面積

　　σ：斯忒藩-玻爾茲曼常量，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)

　　T1：合金防磨板及防磨梁的平均表面溫度

　　T2：煙氣平均溫度

　　防磨梁和合金防磨板的發(fā)射率0.25，表面溫度近似水冷壁壁溫，取外表面平均溫度450℃，煙氣平均溫度取900℃，由公式可得，單位面積的合金防磨板Φ=22963W

　　3防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨的實(shí)際應(yīng)用

　　3.1具體實(shí)施方案

　　本方案選用山東兗礦濟(jì)三電力有限公司HG-440/13.7-L.YM13 型為單汽包、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、循環(huán)流化床鍋爐，具體方案為：

　　四面墻衛(wèi)燃帶往上高度7.5米，由于該區(qū)域處于密相區(qū)，密相區(qū)的物料濃度高、粒徑大、流速高，對受熱面形成大角度沖蝕，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重，尤其是該區(qū)域的防磨梁根部出現(xiàn)大量倒八字狀沖刷磨損。

　　查看測厚記錄發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)水冷壁明顯減薄，下部4米水冷壁管原厚度 8mm，現(xiàn)在含噴涂層厚度均在6mm-7.8mm之間，部分5mm以下的已做換管處理。該區(qū)域防磨方案為：在爐膛衛(wèi)燃帶上方四面水冷壁水平(橫向)加裝u型格柵防磨板。自下往上分別間隔為200mm(1層)，400mm(2層)，600mm(11層)，根據(jù)現(xiàn)場情況可做小幅調(diào)整,防止垂直運(yùn)動(dòng)的物料顆粒對水冷壁沖刷。鍋爐爐膛水冷壁垂直(縱向)加裝Z型格柵板，從爐膛四角開始第一道3根管，第二道8根管，從第三道開始每道間距在10-15根管之間，最多不超過15根管，根據(jù)計(jì)算物料濃度和流速，進(jìn)行設(shè)置縱向間隔的疏密度，杜絕橫向運(yùn)動(dòng)的物料流對水冷壁的沖刷磨損。本方案可根據(jù)四面水冷壁磨損高度和強(qiáng)度不同做防護(hù)高度的調(diào)整。施工時(shí)，根據(jù)實(shí)際勘測，縱向豎板密度可以做適當(dāng)調(diào)整。(如圖3-1)

　　3-1密相區(qū)格柵防磨示意圖

　　鍋爐爐膛上部前墻水冷壁：

　　煙道出口下沿水平處往下至第6道防磨梁高度7.6米;現(xiàn)場勘查該區(qū)域水冷壁主要存在側(cè)磨損，測厚記錄顯示水冷壁厚度多在5.1mm-6.3mm之間。該區(qū)域防磨方案為：在前墻水冷壁加裝格柵板，主要以垂直(縱向)防護(hù)為主，在前墻、水平(橫向)裝設(shè) 10層 U 型防磨合金板每層高度600mm(2層)、800mm(8層)。垂直(縱向)每5-8根水冷壁管裝設(shè)一道 Z 型防磨格柵板，每側(cè)爐膛加裝 12 道 Z 型防磨格柵板，雙爐膛是24道。

　　鍋爐爐膛上部后墻及雙面水壁：

　　煙道出口下沿往上6米、往下2.6米(高度8.6米);該區(qū)域后墻為磨損重災(zāi)區(qū)，由于長期磨損嚴(yán)重，部分部位已覆蓋澆注料。此處雙面水冷壁處于物料流往出口拐彎處，此處物料顆粒流速極高，造成該區(qū)域雙面水冷壁側(cè)磨損嚴(yán)重，水冷壁厚度多在5.1mm-6.2mm之間。該區(qū)域防磨方案為：拆除后墻兩煙道出口下沿與第7道防磨梁之間澆注料覆蓋部位，安裝防磨格柵橫向(水平)裝設(shè)U 型防磨合金板自下往上4層600mm、5層200mm，縱向(垂直)裝設(shè) Z 型防磨合金板 17 道。在雙面水冷壁表面橫向(水平)裝設(shè)U 型防磨合金板自下往上1層600mm、8層 1000mm，縱向(垂直)裝設(shè) 17 道 Z 型防磨合金板。后墻及雙面水冷壁在靠近爐膛出口處加大防護(hù)網(wǎng)格密度，每3-5根水冷壁管加裝一道豎向防磨格柵，防護(hù)區(qū)域高度和網(wǎng)格的密度設(shè)計(jì)以有效防止水冷壁管磨損為原則。由于雙面水冷壁鰭片實(shí)際寬度小于12.7mm，在其表面裝設(shè)防磨格柵板采用特殊設(shè)計(jì)的 U 型和 Z 型合金防磨板及小直徑焊材，焊接要求局部滿焊。(如圖3-2)

　　3-2 爐膛出口雙面水冷壁格柵防磨投影示意圖(側(cè)視圖)

　　根據(jù)觀測點(diǎn)處記錄數(shù)據(jù)的對比，可以得出：在鍋爐機(jī)組正常運(yùn)行三個(gè)月后，各受熱面觀測點(diǎn)處磨損減薄的程度極小，符合設(shè)計(jì)要求。防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨效果達(dá)到設(shè)計(jì)值。證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的可行性、可靠性、安全性以及實(shí)際效果。防磨效果達(dá)到要求，可繼續(xù)使用防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨的方式，在爐內(nèi)受熱面大面積使用。

　　3.2實(shí)際成效

       根據(jù)觀測點(diǎn)處記錄數(shù)據(jù)的對比，可以得出：在鍋爐機(jī)組正常運(yùn)行三個(gè)月后，各受熱面觀測點(diǎn)處磨損減薄的程度極小，符合設(shè)計(jì)要求。防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨效果達(dá)到設(shè)計(jì)值。證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的可行性、可靠性、安全性以及實(shí)際效果。防磨效果達(dá)到要求，可繼續(xù)使用防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨的方式，在爐內(nèi)受熱面大面積使用。

　　4結(jié)論

　　本文針對防磨梁和防磨格柵聯(lián)合防磨提效技術(shù)做了一定的介紹與講解，它結(jié)合了防磨梁防磨技術(shù)和格柵防磨技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了單一的防磨梁技術(shù)可能在布置的邊界處產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生新的磨損區(qū)域的缺點(diǎn)。同時(shí)兼顧了導(dǎo)熱性能的優(yōu)化，對于爐膛傳熱的提升有著一定的作用。同時(shí)為格柵防磨與其他防磨技術(shù)相結(jié)合的研究方向提供了先例和基礎(chǔ)，對于循環(huán)流化床鍋爐的防磨新方法探究起到了一定的指導(dǎo)性作用。今后在這個(gè)方向上進(jìn)行的新型研究也將更加便利與可靠。