循环流化床锅炉磨损机理分析及防磨研究

马喜成

（山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院），山西 太原 030012）

循环流化床锅炉不同于传统的煤粉锅炉，它采用特殊的燃烧方式，受热面磨损问题比其他锅炉严重，直接影响锅炉的安全运行。

1 循环流化床锅炉磨损机理及特点

根据磨损机理，磨损可分为腐蚀磨损、冲蚀磨损、黏着磨损、疲劳磨损等。循环流化床锅炉的磨损主要是冲蚀磨损造成的。冲蚀磨损分为两类：一是固体颗粒运动方向与受热面的夹角较小（平行），这时固体颗粒产生刨削作用，这种磨损对受热面造成的磨损速率随时间变化不大。二是固体颗粒运动方向与受热面的夹角较大（垂直），在其长期的、反复的作用下使表面产生疲劳破坏，磨损速率随着时间变化呈现增长趋势[1]。

受热面的磨损状况主要与物料的粒径、浓度、硬度以及受热面的壁温有关。当物料粒径较小时，受热面所受的冲蚀磨损也很小；当物料粒径增大时，所受的冲蚀磨损也随之增大；当粒径大到一定程度时（临界粒径），冲蚀磨损不会继续增大（见图1）。由图1 可知，当粒径小于0.1 mm 时，磨损量随着粒径的增大而增加，粒径很小时对受热面的冲蚀磨损很小；当粒径大于0.1 mm 时，受热面的磨损量变化非常缓慢或者几乎不变。

图1 磨损与颗粒直径

一般认为，不同的物料硬度对磨损的影响情况也不同，当物料硬度越接近或者高于受热面材料硬度时，磨损情况会急剧增加。循环流化床锅炉运行一段时间后，受热面会氧化形成一层坚硬的氧化膜。表1 为物料硬度表（20 ℃）。由表1 可知，氧化膜的硬度远高于炉内物料的硬度，因此受热面上氧化膜的形成很关键。根据运行人员的经验，循环流化床受热面的壁温在400 ℃附近与磨损之间的关系变化比较明显，变化关系见第143页图2。当受热面壁温低于400 ℃时，由于氧化膜没有形成，因此磨损速率较大；当壁温超过400 ℃并继续增加，这时会产生热应力，因氧化膜与受热面金属的膨胀系数不同，导致部分氧化膜脱落，再加上高温腐蚀等因素的影响，会导致磨损的速率有所增加[2]。

图2 磨损与温度

表1 物料硬度表（20 ℃） （HV）

2 主要受热面的磨损及原因分析

2.1 炉膛水冷壁的磨损

炉膛水冷壁是锅炉受热面磨损最严重的部件之一。根据炉膛水冷壁不同部位的磨损情况可将磨损水冷壁划分成3 种情况。

2.1.1 炉膛下部耐火材料过渡区域水冷壁管的磨损

造成磨损的主要原因是沿炉膛水冷壁向下运动的固体颗粒遇到过渡区域内的凸台改变运动方向，从而对水冷壁管产生冲刷磨损。次要原因是沿管壁向下流动的固体颗粒与炉内的上升气流局部形成涡流。在冲刷和涡流的共同作用下使过渡区域内的水冷壁管产生局部沟槽和小坑。

2.1.2 不规则水冷壁管的磨损

不规则水冷壁管的磨损主要是因为不规则水冷壁改变了固体颗粒的运动方向，对其局部流动特性造成较大扰动，从而对水冷壁管产生冲击磨损。不规则水冷壁管包括炉墙开孔处的弯管、穿墙管、水冷壁管上的焊缝处等。根据运行人员的经验，即使不规则的几何尺寸很小也会引起严重的磨损，因此在设计和安装过程中要引起重视。

2.1.3 炉膛四角区域水冷壁管的磨损

炉膛四角区域水冷壁管的磨损在循环流化床锅炉检修时比较常见。造成磨损的主要原因是炉膛四角区域内向下运动的固体颗粒较多，因此该区域内的水冷壁管磨损较严重。

2.2 炉膛其他受热面的磨损

目前大型的循环流化床锅炉炉膛除了布置有水冷壁，还布置有屏式过热器、再热器、水冷蒸发屏等。由于过热器、再热器及蒸发屏和水冷壁同样布置在炉膛内，因此其磨损的机理基本相似，取决于各受热面的结构形式和物料的流动特性。炉膛顶部受热面所受的磨损位置处在高浓度、高速度烟气流动的必经通道上，再加上炉顶位于上升烟气流的转弯处，在离心作用下，大量的固体颗粒甩向炉顶，更增大了炉顶受热面的磨损。

2.3 尾部烟道对流受热面的磨损

一般对流受热面由过热器、省煤器及空预器组成，自上而下安装在尾部烟道，磨损常发生在省煤器两端和空预器入口处。循环流化床锅炉的对流受热面位于旋风分离器之后，虽然分离器的分离效率可以达到99%，但由于炉内烟气携带高浓度的灰分，使得经分离器后进入尾部烟道烟气中的灰量绝对值依然很高。在尾部烟道中，灰分颗粒随烟气向下流动，再加上重力加速度的作用，因此灰分颗粒的绝对速度是由烟气流速和重力速度合成的。磨损速率与运动速度和粒径有关，与运动速度呈三次方关系，与颗粒直径呈二次方关系，计算公式为

式中：δ 为磨损速率；k 为系数；u 为运动速度；d为颗粒直径。

因此在尾部烟道的设计过程中要充分考虑上述因素，合理选择风速，合理布置受热面，避免对流受热面磨损。同时为了防止低温腐蚀，受热面应选择合适的材质[2]。

3 防磨的主要措施

3.1 炉膛水冷壁的防磨措施

炉膛卫燃带过渡区域内水冷壁磨损最严重。防磨措施有以下3 种：一是使该区域固体颗粒的流动特性发生改变，在水冷壁上加装防磨梁改变固体颗粒的流动方向。二是改变该区域水冷壁的几何形状，即采用水冷壁让管技术使耐火浇注料与上部水冷壁保持在一个平面上，固体颗粒就会沿壁面继续向下运动，从而消除该区域的磨损。三是采用表面处理技术对水冷壁管起到保护和强化的作用。随着技术的不断发展，目前的处理技术有热喷涂、电镀、热浸镀、渗氮等[3-4]。

在施工过程中尽量保持水冷壁壁面的光滑，对于无法避免磨损的部位应采取合适的防护措施，比如浇筑耐磨料、喷涂耐磨材料等。对于局部磨损严重的部位还可以采用防磨堆焊技术，使母材具有更高的耐磨性。

3.2 炉膛其他受热面的防磨措施

这些受热面主要指过热器和再热器，通常会在受热面管屏最下部受烟气冲刷的位置加装防磨瓦。设计人员在设计时应该避免将炉内受热面的管屏布置在炉膛出口截面附近，否则会加剧管屏的磨损。

3.3 尾部烟道对流受热面的防磨措施

常采用的措施有以下5 种。

一是对局部磨损严重的对流管采用厚壁管或加装防磨套管、防磨罩。二是部分对流管采用表面处理技术，喷涂、渗氮等。三是加装烟气导向挡板，防止烟气走偏造成局部流速过快，加剧磨损。四是对流受热面管束的结构布置应尽量采用顺列布置。五是运行时控制好鼓风机、引风机的运行频率，防止烟气流速过快导致的磨损速率的加快。

4 结论

1） 为防止磨损，在设计过程中应尽量减少水冷壁壁面的凹凸不平，与水冷壁管的交接处应尽量平滑过渡。在选择烟气流速时，要充分考虑到烟速对磨损的影响。

2） 在施工过程中，水冷壁向火侧的焊缝余高要磨平，保证壁面的光滑、平整。要保持好各个对流管束间的间距，防止个别管束间距过大形成风道，加剧磨损。

3） 在运行时要选择合适的煤种，调整好风量，控制好烟气流速，同时要监测好炉膛温度，防止炉膛受热面超温。在停炉检修时要认真检查水冷壁管的磨损情况，检查各个管屏的平整度，烟气挡板是否脱落，对流管束的防磨瓦、防磨罩是否脱落等。