循环流化床锅炉承压部件磨损原因及应对措施

陆永盛

（山西国峰煤电有限责任公司，山西吕梁 032200）

循环流化床锅炉具有燃料选择性低、清洁性高、燃烧效率佳的优点，不但可以燃烧优质的精煤，还可以燃烧煤矸石等低质燃料，因此被广泛应用在热电厂中。但由于其循环机理的限制，在进行劣质燃料燃烧时，会对锅炉的承压部件造成磨损，从而影响其功能的正常运行。据不完全统计，由于磨损而造成停炉事故的比例超过50%，因此，对循环流化床的防磨改善具有重要的现实意义。

1 循环流化床锅炉概念及磨损机理

1.1 循环流化床锅炉的概念

目前，循环流化床锅炉采用的是基于气-固两相理论下衍生出的流态化燃烧技术，为目前最清洁的量产化燃烧技术，简称CFB。相比与煤粉炉和燃气炉，其固体物料密度极高，如表1所示。在进入循环流化床锅炉前，固体燃料会被破碎成直径小于8 mm 的小颗粒，通过注入空气，将燃料颗粒流动化，就可以将燃料遍布整个锅炉，再辅以二次送风，就可以实现炉内的充分燃烧。而流态化的定义为当流体经过固体颗粒时，固体颗粒运动的剧烈程度随着流速的增加而增加，当颗粒之间的相互摩擦力与自重之和与流体向上的力相等时，颗粒的运动就不再受到约束，形成一种类流体的状态[1]。

表1 不同锅炉及位置下典型固体物料密度及烟速

1.2 循环流化床锅炉的磨损机理

1.2.1 物料运动速度的影响

为了有效提高燃烧效率，循环流化床锅炉依靠数数个大循环以及数千个小循环来实现低温燃烧。通过沿着高度方向上将炉子切割成n个截面，分析不同截面位置的固体颗粒的直径和浓度，发现这两种要素都与高度成反比，这也符合摩擦过程和燃烧过程的机理。而对于固体物料而言，其刚投入锅炉就立即成为流化态，当固体颗粒的综合摩擦力和重力之和小于气流向上的力时，粒子会有向气流较小位置飘动的趋势，而外围的气流往往较小，在漂移向外围的过程中，颗粒与水冷管的外表面发生滑动，形成磨损[2]。

1.2.2 燃煤的影响

对于锅炉而言，随着高度的增加，固体颗粒的密度减小，同时直径也越小，随着循环次数的增加，对于高热值的煤而言，可以形成尺寸更均匀、分级更显著的煤灰；而对于低热值的煤，可磨系数一般较小，同时含有较多的脉石，会形成颗粒较大的煤灰，对锅炉的受热面造成更大的磨损。因此，煤的质量对于磨损情况也具有较大的影响。

2 循环流化床锅炉受压部位磨损的原因

在经过长时间的运行后，循环流化床锅炉部件会形成较为严重的磨损。经过实践数据表明，循环流化床锅炉磨损相对严重的位置包括炉膛水冷壁、炉内受热面、省煤器、空气预热器以及耐火材料层，具体表现如下。

2.1 炉膛水冷壁的磨损

作为承压部件中磨损最为严重且在锅炉结构中作用显著的部位，水冷管壁的磨损问题必须予以重视。水冷管壁的磨损主要集中在四角区域、与卫燃段的过渡段以及其他不规则区域这3个位置。

炉膛水冷壁管与其下部的耐火材料的过渡交接区域存在着较大的磨损，其具体形式如图1所示。而对于炉膛四角区域的磨损主要是由于大量的固体颗粒会沿着壁面滑动，在高密度、高速率的摩擦下，管壁就会出现严重的磨损。对于管壁与卫燃段的过渡区域的磨损成因主要有二：①在过渡段内，存在着向上运动及沿壁面滑动下流这两种趋势的固体颗粒，两者在该区段会发生汇流，从而形成局部的涡流，导致该区域的磨损加剧；②下落的固体颗粒在过渡区域内流动的方向会被扰动，对管壁形成冲刷。而对于第三种是在不规则区域产生的磨损，主要包括各焊缝位置、炉墙的弯管处、穿墙管位置以及热电偶等，其主要由于管壁结构的不规格引起局部涡流所致[3]。

图1 水冷管壁与耐火材料过渡区的磨损形式

2.2 炉内受热面的磨损

循环流化床锅炉的过热器和过热器管屏是炉内的主要受热面，其磨损的原因与这两个机构的结构特性以及固体颗粒物质的流动特性相关。

作为烟气的必经之地，炉顶受热面受到煤灰颗粒的撞击频率最大，尤其对于前几次的循环，高速率、高浓度的大颗粒煤灰对受热面的撞击更为剧烈。此外，当气固流离开弧形的炉膛位置时，大颗粒物质会在离心力的作用下高速向炉顶甩去，进一步加剧了磨损。根据上述的分析可知，炉顶受热面的磨损程度与炉膛的高度呈负相关，因此，只需要增加锅炉的容量从而提高炉膛的高度就可以降低顶部受热面的磨损。同时，还可以在设计时拉长炉顶与水平烟道的距离。

2.3 耐火材料层的磨损

CFB 的耐火材料层的磨损位置包括燃烧室水冷屏、水冷壁表面、分离器烟道以及对流烟道内表面等，其磨损原因主要包括以下3种：①由于温度的循环波动，导致材料频繁热胀冷缩，同时在机械应力以及热冲击的外部作用下，耐火材料会形成应力集中，最终形成裂缝甚至出现剥落的情况；②固体颗粒物料反复的冲刷耐火材料，最终对耐火材料层造成不可恢复的损坏；③在经过长时间的运行后，耐火材料本身的物性发生了变化，造成该层的破坏。此外，对于分布在对流烟道两侧的空气预热器也会由于旋风分离器的作用而造成进口处的磨损。

3 安装质量对承压部件磨损的影响

在焊接安装水冷壁管时，如果无法严格控制焊接的质量，就会对管壁的平整度造成影响，更有甚者会在表面残留较多的焊渣，这就导致在后续运行过程中更容易出现壁管的磨损。在安装时，为了保证焊口位置的一致性，必须在锅炉的中上位置预留焊口，并且这些焊口的高度必须进行严格控制。在安装时，由于部分作业人员未按照施工规定合理设置坡口，就容易导致壁管的水平度差异超标，同时还存在着水冷壁管焊接未完全稳固的情况下就进行组合上架的情况，这就容易导致整体的排布不顺，进一步加剧水冷壁管的磨损。而在进行蛇形管的安装（如省煤器等）时，安装作业人员并未进行管位的固定位置确认就进行安装，这就容易造成后续的安装异常，如同一区的管束的进出口间隙差异大，而间隙不均匀的位置在受到固体颗粒的撞击时会受到更加严重的磨损。此外，由于缺少科学的安装管控，甚至可能会出现管道错位的情况，直接导致迎火面的剧烈磨损，甚至出现泄漏的风险[4]。

4 循环流化床锅炉的防磨措施

4.1 燃烧室底部密相区

燃烧室底部密相区是固体煤颗粒、风以及煤灰进行强烈混合的位置，固体煤颗粒的流动会受到巨大的扰动，导致出现强烈的涡流。为了有效降低固体煤颗粒的撞击对水冷壁管造成的磨损，可以对密相区的所有水冷管壁进行改造，将销钉均匀地焊接在其内表面上，并在其表面涂覆一层高强度的耐火涂料，在经过高温烧结后，其抗压强度会远大于固体煤颗粒，从而达到防磨的作用。

4.2 炉膛与燃烧室的结合处

在循环流化床锅炉的运行过程中，其膜式壁内侧会形成一层贴壁灰流，对膜式壁造成纵向的冲刷从而造成局部磨损，这种局部磨损极易造成壁管的泄漏，因此，必须采取相应的防护措施来遏制这种影响。在设计中，可以采用低流化风速以及弯管避让结构来降低结合处的涡流以降低这种磨损。此外，还可以采用在膜式壁内侧堆焊一定厚度的耐磨金属来提高该区域的耐磨性，一般选用100S-G 级别以上的焊接材料。

4.3 回料阀、旋风分离器、烟道口的防磨

为了提高回料阀、旋风分离器、烟道口的耐磨性，可以采用耐火浇筑材料和耐火砖结合涂覆的方式进行改善。对于旋风分离器，可采用水冷料结构并结合高密度的销钉来进行优化改造。近年来，随着技术的进步，已经形成多种成熟的耐磨技术方案。如某电厂分离器的炉墙结构：分离器的每块耐火材料均采用Y型铆钉焊接固定在护板上，同时料块之间采用S 型缝交接，并在缝内嵌入填充硅酸铝纤维的耐热钢网。这一结构是基于美国公司技术方案的基础上改良而来，并已成功运用在东锅、济锅以及哈锅上，具有性能稳定可靠、耐磨性强、后期维护便利的特点，具有极高的推广价值。

4.4 水冷壁、过热器以及管屏的防磨措施

对于水冷壁管的防磨，仍可采用密焊销钉加浇筑耐火耐磨材料的结构进行，尤其对于回料口、弯管以及二次风口的位置。而对于屏式过热器而言，其一般横向安装于高密度颗粒区。为了减少其磨损，从布局上可以将其布置方式改为垂直布置，烟气的冲刷方向变为纵向冲刷，同时，在倾斜段及穿墙段则采用浇注耐磨料并均匀密布销钉进行固定的方案来避免出现爆管情况。而对于位于尾部的过热器管束而言，则需要采用顺序布置的结构形式，同时在前方设置均流板来形成烟气走廊，然后在走廊正对的管束上设置防磨盖板，如图2所示。防磨材料由流管的烟气温度所决定，一般高温条件下，更推荐选用20G 钢以及1Cr18Ni9Ti材料，厚度控制在2 mm 左右。此外，在尾部受热面以及省煤器弯头处也可以通过加装防磨盖板来实现防磨。

图2 金属防磨盖板结构示意

4.5 日常运行过程的注意事项

4.5.1 合理控制锅炉参数

由循环流化床锅炉的原理可知，风量会直接影响到锅炉的运行状态，当风量过小时，锅炉的热效率会降低，而过大时则会导致磨损加剧。因此必须控制好炉内的风量。目前，业内推荐值为略大于最小流化空气量。此外，虽然循环流化床对煤的选择性低，但也需要对煤的质量进行控制，如粒度级配、含水率、灰分含量等。对于硅铝含量较高的物料，需要减少煤泥的掺入，以达到减缓磨损的目的，从而保证锅炉的平稳运行。

4.5.2 提高人员的操作水平

在循环流化锅炉的安装过程中，部分作业人员未按照规范进行安装，导致壁管之间的间隙不均匀，对于后期设备的防磨损具有不利的影响，因此，必须规范人员的作业过程，保证安装质量。同时，在运行过程中，也存在人员锅炉维保意识不强的问题，如在设备故障时，为了进行维修，部分作业人员会采用强制冷却的方法来快速降温，由于各个部件的热膨胀系数均有差异，就会造成磨损的加剧。此外，在进行锅炉的启动作业时，作业人员采用快速点火的操作方法，导致局部的爆燃，极易造成锅炉壁及焊缝的撕裂。因此，必须保证锅炉启动的平稳性，让各部分均膨胀到位后才能进行进一步的操作。

5 结语

在绿色发展理念下，火力发电也朝着更清洁、更绿色的方向发展，而循环流化床燃烧技术则是一大方向。提高锅炉的耐磨性，对易磨损位置进行有针对性性的处理，对于锅炉的运行稳定性具有重要意义，也对环境保护具有重要的意义。