循环流化床锅炉受热面磨损控制和预防

张鲜俊 刘长禄 钱宏利 张玉香

一、概述

CFB（循环流化床锅炉）效率高、污染低、煤种适应性好，几乎可燃用各种品质燃料，如泥煤、烟煤（包括高硫煤）、无烟煤、煤矸石等。特别是环保方面，床内直接添加石灰石等脱硫剂，投资小、脱硫效率高。循环流化床锅炉结构特殊，燃烧方式与煤粉炉有本质区别，在技术成熟度上与煤粉炉相比还有一定差距，尤其是受热面磨损方面问题突出。

二、磨损机理分析

物体表面与磨粒相互摩擦引起表面材料损失的现象叫磨粒磨损，是指一个表面同其相匹配表面上的硬质物体或硬质颗粒产生切削或刮擦作用引起材料表面破坏。在流化床系统中，磨粒磨损现象十分严重。

磨粒磨损机理有三种假说：（1）微切削假说，即磨粒磨损是由于磨料颗粒沿金属表面进行微量切削过程引起。（2）疲劳破坏假说，即磨粒磨损是磨粒使金属表面层受交变应力和变形，使材料表面疲劳破坏。（3）压痕假说，对于塑性较大的材料，因磨粒在力的作用下压入材料表面而产生压痕，从表面层上挤出剥落物。总之，磨粒磨损的机理是属于磨料颗粒的机械作用，在很大程度上与磨粒的相对硬度、形状、大小、固定程度以及载荷作用下磨粒与被磨表面的力学性能有关。

减少磨粒磨损一般从两方面采取措施，一是增强材料的抗磨性能。二是防止或减少磨粒进入摩擦表面之间。

CFB锅炉水冷壁管磨损机理与煤粉炉有很大不同，一方面大量烟气和固体颗粒在上升过程中对水冷壁管进行冲刷。另一方面由于内循环的作用，大量固体颗粒沿炉膛四壁重新回落，对水冷壁管进行剧烈冲刷。特别在水冷壁管和耐火材料层过渡区的突出部位，因没有上行气流，沿水冷壁管下来的固体颗粒形成涡流，对局部水冷管壁起到一种刨削作用（图1）。

三、磨损的控制和预防

1.炉膛的磨损

炉膛布风板周围为四侧墙水冷壁，在布风板上部约1～4m高度范围内水冷壁向火面焊接销钉，浇注耐高温耐磨浇注料，浇注料层厚度通常为40～80mm，这个区域称为密相区。密相区是CFB锅炉燃烧的中心，进行煤粒流化、燃烧、物料循环和气流循环等过程。密相区的燃烧环境比较恶劣，全部由耐高温耐磨浇注料来承担。密相区上部防磨浇注部分与水冷壁的交接处，为防止局部磨损，将上部水冷壁管向外让管，消除交接台阶，保证整个炉膛四壁无突出部位，同时在交接区域采用硬质金属喷涂，以增加交接区的抗磨性。炉膛水冷壁的交接角处（如前墙水冷壁与侧墙水冷壁），采用切角的形式对接，避免直角造成局部物料浓度过高而引起局部磨损。

（1）耐高温耐磨浇注料。首先是选材问题，国内生产耐高温耐磨浇注料的厂家很多，材料种类也很多，浇注料在不同温度下的耐磨度相差很大，故材料选用很关键。CFB锅炉的燃烧温度为800～1000℃，因此应参照锅炉的燃烧温度选择适宜材料。施工质量也是一个重要问题，在施工中需注意以下几点：①水灰比必须控制好，要严格按材料使用说明书施工，施工用水必须洁净，酸碱度要符合要求。②搅拌要均匀，使用强制性搅拌机，搅拌至糊状。搅拌好的浇注料不可存放时间过长，存放时间≤30min，一次性浇注完毕，不得随意留施工缝。③使用振捣棒，将浇注料振捣实。④烘炉升温曲线严格按材料供应厂家提供的资料进行。

（2）水冷壁局部喷涂。喷涂施工过程主要由两部分组成：首先进行表面预处理，然后进行耐磨防护喷涂。表面预处理采用喷砂防锈的方式，表面预处理结束后表面质量应达到Sa3级，表面粗糙度达到50～80μm。喷砂除锈粗化后，及时进行喷涂，涂层厚度最终达到0.6mm以上。施工完的喷涂层表面均匀光滑，无麻面、起皮、开裂及脱落等现象，涂层边缘平滑过渡。金相宏观检查喷涂层与基体结合致密，无分层现象。

2.水平烟道的磨损

水平烟道是烟气从炉膛进入旋风分离器的通道，结构一般为底面和两侧墙砌筑耐高温耐磨砖，顶部为耐高温耐磨浇注料。水平烟道入口四周的水冷壁，其向火面焊接销钉，敷设耐高温耐磨浇注料。高速烟气携带十几倍于进煤量的未燃尽的煤粒和飞灰，旋转90°进入水平烟道，在入口处对水冷壁形成冲击，因此在入口处水冷壁向火面必须敷设一定宽度的浇注料。水平烟道通流面积小，烟气从炉膛进入水平烟道后流速增大。同时水平烟道截面为渐缩喷嘴状，烟气流速在水平烟道内逐渐增大，对四壁的磨损很大，也有可能引起四壁振动，此处耐高温耐磨浇注料的选材和施工要求与密相区相同。耐高温耐磨砖与砌砖所用耐火泥也存在选材问题，必须选用800～1000℃温度区耐磨度最大的材料。选材的失误会造成永久的后患，严重影响电厂的安全经济运行。

3.尾部受热面的磨损

CFB锅炉旋风分离器后部安装有过热器、省煤器。尾部受热面管排密布，烟气流速较高，在“烟气走廊”，磨损量比正常量增大几十倍。因此，尾部受热面的防磨重点是避免管排之间以及管排与炉墙之间的间隙过大形成“烟气走廊”。在管排安装和检修施工期间，控制管排之间、管排与护板之间的距离，在炉墙砌筑期间，控制托砖架、拉钩与管排之间的距离，最后控制炉墙与管排之间的距离，使各处烟气流通面积一致。

4.控制适宜的风量

烟气流速是影响锅炉受热面最主要的因素，磨损量与烟气流速的三次方成正比关系，见式（1）。

式中T——磨损量，g/m2

μ——飞灰浓度，g/m3

τ——时间，h

ω——烟气流速，m/s

K——磨损系数，K=Cη，其中C为飞灰系数，与飞灰性质和管束结构有关；η为飞灰撞击机会率，与灰粒所受惯性力和气流阻力有关。

烟气流速的大小直接影响到流动飞灰的运动动能和单位时间内冲击到炉内壁的灰粒量。一次风量越大，磨损量越大。另外二次风量越大，对炉内燃烧情况的扰动越剧烈，水冷壁磨损量也越大。CFB锅炉的运行是流态化的高温物料悬浮燃烧，风量的大小将直接影响到锅炉的安全运行。因此，在锅炉运行中，在保证床料充分流化的前提下，尽量降低一次风量，在维持氧量的前提下适当调整二次风量，合理搭配上下二次风量，保持合适的过剩空气。适当降低密相区高度，延长燃煤颗粒在炉内的停留时间，可减小对水冷壁管的冲刷，并降低飞灰含碳量。根据负荷变化选择合适的床层差压、床层密度及烟气流速，提高旋风分离器分离效率，延长固体颗粒在炉内的停留时间。

5.控制入炉煤质和粒度

虽然CFB锅炉燃料适应性广，可以燃用劣质煤，但燃用劣质煤，由于煤质比重大，使用风量提高，会导致磨损加剧。同时劣质煤灰分大，导致燃煤量增加，造成烟气中飞灰浓度剧增，对水冷壁管壁的切削作用增大，磨损量增大。CFB锅炉由于其特定的燃烧方式，炉内的固体物料密度为煤粉炉的几十倍到百倍以上，其中烟气内颗粒浓度越大，颗粒数目越大，对管壁的撞击和冲刷越强烈，水冷壁磨损量越大。所以，应该加强来煤管理，及时进行煤质化验，控制来煤的筛分粒度。根据燃料颗粒度分布情况调整碎煤机，提高煤颗粒的均匀度。国外推荐的CFB锅炉给煤粒度见表1，表1中收到基（又称应用基）灰分：以实际收到的煤为基准（含水分、灰分），测量出的煤中灰分的含量，常用百分比表示。

四、结语

引起CFB锅炉磨损的因素较多，且机理复杂，有设计、制造、检修、运行等多方面的因素。运行方面主要除风量的配比、煤质的变化、燃料粒径的大小、床料粒径的大小，还有返料不畅、耐磨浇注料脱落、风帽损坏等原因。目前，各类型CFB锅炉均不同程度的存在磨损现象，但是CFB锅炉磨损程度是可以控制的，由于磨损而导致的事故是可以预防的，需要多借鉴同类型机组的运行经验，在实践中不断积累经验，针对不同的煤种和类型的机组仔细地做好防范措施，运行时认真监控，一旦发现问题及时采取措施，就完全可以将CFB锅炉受热面磨损控制在可接受程度内，避免因磨损而发生事故。

表1 国外推荐的CFB锅炉给煤粒度

1 温诗铸，黄平.摩擦学原理［M］.北京：清华大学出版社，2008

2 朱国帧，徐洋.循环流化床锅炉设计与计算［M］.北京：清华大学出版社，2004