440t/h循環流化床鍋爐防磨提效技術的研究

　　循環流化床鍋爐燃燒技術是工業化程度最高的潔凈煤燃燒技術，目前大型超臨界鍋爐得到大力推廣和應用。它的流態化循環燃燒特性，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，從而實現能源利用的節能環保，并得以大量應用。

　　然而循環流化床鍋爐在實際應用中，由于燃燒特性等的原因，爐內磨損問題非常突出且頑固難除，尤其是鍋爐燃用劣質燃料(煤矸石、垃圾、城市固廢等摻燒比例大、灰分高)時磨損問題更加嚴重，造成鍋爐頻繁非停，設備運行周期短，極大的影響了其安全性與經濟性。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合起來，增加防磨能力，提高防磨水平。從磨損的機理開始剖析，科學的指出了該技術的防磨原理和應用效果，并以應用實例加以證明。

　　1循環流化床鍋爐的磨損分析

　　1.1磨損產生的主要原因

　　由于循環流化床鍋爐內流速高、顆粒濃度大，受燃燒機理影響，加之主要燃用高灰分的劣質煤種，循環流化床鍋爐普遍存在磨損現象。局部結構設計不當或安裝達不到要求時造成金屬受熱面的磨損，成為影響循環流化床鍋爐長期連續運行的重要原因。循環流化床鍋爐的磨損主要表現在對受熱面、耐火耐磨材料及布風板風帽的損害。受熱面，不管是水管、汽管、還是風管的磨損，輕者導致熱應力的變化，使其受熱不均，重者造成爆管或受熱面泄漏，嚴重時導致停爐;耐火耐磨材料的磨損會使耐火耐磨材料脫落，鍋爐漏灰、漏風或加重局部受熱面磨損，爐膛內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，分離器內耐火耐磨材料脫落會堵塞立管影響返料器的正常運行;布風裝置磨損將導致布風不均、風帽漏渣，嚴重會引起鍋爐結焦，風室堵塞等問題。這些都將在不同程度地影響鍋爐正常運行及安全經濟性。

　　1.2磨損的表現形式

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

　　磨料磨損是指各種物料的顆?；蛲钩鑫镌谂c零件表面的相互接觸時，使表面 材料發生損耗的現象，是硬顆?；蛲怀鳇c的作用而造成物料轉移所致。 主要表現形式如下圖所示：

　　圖1-1 磨料磨損的主要表現形式

　　影響磨損的主要因素

　　1.3影響磨損量的因素

　　循環流化床(CFB)鍋爐受熱面的磨損程度與爐膛結構、受熱面布置，煙氣流速，煤種、粒度組成，分離器數量、分離效率，運行方式(床壓、爐內溫度、風量分配)等有關。通常受熱面的磨損量，可用下面公式表達：

　　E = f1×f2×f3×Cash×Vgasn

　　其中：E — 磨損量; f1 — 灰特性系數;

　　f2 — 沖刷系數; f3 — 防磨特性系數;

　　Cash — 灰濃度; Vgas — 煙氣速度;

　　n — 次方指數，通常取值：3～4。

　　⑴ 灰特性系數(f1)

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

　　⑵ 沖刷系數(f2 )

　　沖刷系數主要與爐膛型式、結構尺寸，受熱面結構、布置型式，界面過度段結構，布風型式等有關。

　　⑶ 防磨特性系數(f3)

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

　　⑷ 灰濃度Cash

　　灰濃度主要與入爐煤質(熱值、灰份、揮發份)、粒度分布，石灰石品質(成份、活性)、粒度分布，分離器型式、分離效率，排渣設備及運行方式，鍋爐運行方式(過量空氣系數、一二次風量比例、上下二次風配置、床層高度、爐內運行溫度)等有關。

　?、?煙氣速度Vgas

　　煙氣速度主要與爐膛斷面大小、運行負荷、爐內煙溫、過量空氣系數(燃燒總風量)等有關。

　　當鍋爐結構(爐膛結構、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，而煙氣速度尤為關鍵。

　　2防磨梁和防磨格柵聯合防磨的理論依據

　　2.1防磨梁和防磨格柵聯合防磨提效技術的原理

　　大部分電廠對循環流化床鍋爐水冷壁管的防磨方式都較為被動，如使用澆注料防磨、加焊防磨護瓦或者超音速電弧噴涂處理等。這些措施只是被動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：防磨措施做到哪個部位，該部位的端部又會重新產生磨損的現象。本文將主要介紹防磨梁和格柵防磨聯合防磨提效技術。

　　防磨梁和格柵防磨聯合防磨提效技術則不同于傳統的、被動式的防磨技術，是一種從根本上解決磨損問題的主動式防磨技術。該技術的研發理念運用了導流防磨的思想，其核心在于對物料內循環進行疏導，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。同時將院防磨護瓦的縱向隔離防護變為橫向阻斷防護。

　　防磨梁和格柵防磨聯合防磨提效技術解決了其他技術產生的影響傳熱的問題，又解決了磨損問題。這是一種本質上不同于防護防磨技術的新理念，對水冷壁管防磨起到治標治本的作用。就目前的運行實踐表明：水冷壁管同時加裝防磨梁和導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熱型金屬防磨格柵板，通過合理的布置，形成網格式的防磨。同時由于結合了格柵防磨，將能有效消除由于裝設防磨梁，而在其邊界產生的新的渦流，防止產生新的磨損區域，彌補了單一的防磨梁防磨的缺陷，并增強了防磨能力。

　　2.2防磨梁和防磨格柵聯合布置的降速性

　　格柵防磨梁聯合防磨的降速效果示意圖

　　水冷壁表面的氣固兩相流經過格柵防磨梁聯合防磨技術所布置的網格式降速區域優化后，其流速可以降低帶原有的20%甚至更低，根據磨損量公式計算(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，通過格柵防磨技術改造后，水冷壁管的壽命將延長為原來的278倍。實際上由于爐膛本身的復雜性以及內部環境的惡劣性、流場的紊亂，實際防磨效果不可能達到其理論值，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。從實際上看，爐膛的整體大小遠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，一個表面積為A1、表面溫度為T1、發射率為ε1的物體被包容在一個很大的表面溫度為T2的空腔內，此時該物體的輻射換熱量根據斯忒藩-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合防磨的實際應用

　　3.1具體實施方案

　　本方案選用山東兗礦濟三電力有限公司HG-440/13.7-L.YM13 型為單汽包、自然循環、平衡通風、高溫絕熱旋風分離器、循環流化床鍋爐，具體方案為：

　　四面墻衛燃帶往上高度7.5米，由于該區域處于密相區，密相區的物料濃度高、粒徑大、流速高，對受熱面形成大角度沖蝕，現場勘查發現磨損嚴重，尤其是該區域的防磨梁根部出現大量倒八字狀沖刷磨損。

　　查看測厚記錄發現該區域內水冷壁明顯減薄，下部4米水冷壁管原厚度 8mm，現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。該區域防磨方案為：在爐膛衛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)，根據現場情況可做小幅調整,防止垂直運動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，根據計算物料濃度和流速，進行設置縱向間隔的疏密度，杜絕橫向運動的物料流對水冷壁的沖刷磨損。本方案可根據四面水冷壁磨損高度和強度不同做防護高度的調整。施工時，根據實際勘測，縱向豎板密度可以做適當調整。(如圖3-1)

　　3-1密相區格柵防磨示意圖

　　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;現場勘查該區域水冷壁主要存在側磨損，測厚記錄顯示水冷壁厚度多在5.1mm-6.3mm之間。該區域防磨方案為：在前墻水冷壁加裝格柵板，主要以垂直(縱向)防護為主，在前墻、水平(橫向)裝設 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根水冷壁管裝設一道 Z 型防磨格柵板，每側爐膛加裝 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);該區域后墻為磨損重災區，由于長期磨損嚴重，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，造成該區域雙面水冷壁側磨損嚴重，水冷壁厚度多在5.1mm-6.2mm之間。該區域防磨方案為：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U 型防磨合金板自下往上4層600mm、5層200mm，縱向(垂直)裝設 Z 型防磨合金板 17 道。在雙面水冷壁表面橫向(水平)裝設U 型防磨合金板自下往上1層600mm、8層 1000mm，縱向(垂直)裝設 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網格密度，每3-5根水冷壁管加裝一道豎向防磨格柵，防護區域高度和網格的密度設計以有效防止水冷壁管磨損為原則。由于雙面水冷壁鰭片實際寬度小于12.7mm，在其表面裝設防磨格柵板采用特殊設計的 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(側視圖)

　　根據觀測點處記錄數據的對比，可以得出：在鍋爐機組正常運行三個月后，各受熱面觀測點處磨損減薄的程度極小，符合設計要求。防磨梁和防磨格柵聯合防磨效果達到設計值。證實了設計方案的可行性、可靠性、安全性以及實際效果。防磨效果達到要求，可繼續使用防磨梁和防磨格柵聯合防磨的方式，在爐內受熱面大面積使用。

　　3.2實際成效

       根據觀測點處記錄數據的對比，可以得出：在鍋爐機組正常運行三個月后，各受熱面觀測點處磨損減薄的程度極小，符合設計要求。防磨梁和防磨格柵聯合防磨效果達到設計值。證實了設計方案的可行性、可靠性、安全性以及實際效果。防磨效果達到要求，可繼續使用防磨梁和防磨格柵聯合防磨的方式，在爐內受熱面大面積使用。

　　4結論

　　本文針對防磨梁和防磨格柵聯合防磨提效技術做了一定的介紹與講解，它結合了防磨梁防磨技術和格柵防磨技術的優點，彌補了單一的防磨梁技術可能在布置的邊界處產生渦流，從而產生新的磨損區域的缺點。同時兼顧了導熱性能的優化，對于爐膛傳熱的提升有著一定的作用。同時為格柵防磨與其他防磨技術相結合的研究方向提供了先例和基礎，對于循環流化床鍋爐的防磨新方法探究起到了一定的指導性作用。今后在這個方向上進行的新型研究也將更加便利與可靠。