大型循环流化床防磨研究
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作者: 霍友好
【摘 要】 循环流化床锅炉在生产运行中，出现严重的磨损问题，影响了机组的可靠性运行。比照磨损的机理及主要影响的因素，分析受热面的磨损规律，选择适合的防磨措施，合理的参数控制，使磨损损害减少到最小程度，从而提高CFB锅炉运行的可靠性。文中首先概述了大型CFB锅炉磨损机理与现象，在此基础上又结合电厂防磨调整手段和措施，进而根据CFB锅炉的磨损情况选取合适的防磨措施。
【关键词】 受热面 磨损 措施
CFB锅炉与常规的煤粉炉相比还存在一些问题。其中磨损问题制约着CFB锅炉长周期可靠运行，本文结合郭家湾电厂实施的锅炉防磨措施，总结出数条适用性广、行之有效的防磨手段，希望对磨损问题的研究有参考价值。
1 电厂锅炉简介
郭家湾电厂锅炉是采用哈锅自主研发设计制造的HG-1065/17.5-L.MG44循环流化床锅炉。主要由单炉膛双布风板、4个高温绝热分离器、4个自平衡“U”形回料阀、尾部对流烟道、2个管式空气预热器、6台滚筒冷渣器等部分组成。
2 锅炉磨损机理
受热面、金属部件和耐火材料的磨损主要表现为冲蚀磨损。冲蚀磨损有两种类型：一为冲刷磨损，一为撞击磨损。冲刷磨损，颗粒与固体表面的冲击角较小，颗粒垂直于固体表面的分速度使它锲入被冲击物体，而颗粒与固体表面相切的分速度使它沿物体表面滑动，两个分速度合成的效果起一种刨削作用，固体表面的磨损速率随时间延长而变化不大。撞击磨损，颗粒相对于固体表面的冲击角较大，或接近于垂直，以一定的运动速度撞击固体表面疲劳破坏，随时间迁移，磨损速率有增加的趋势，甚至变形层脱落，最终导致磨损量突升。
3 防磨措施
3.1 影响磨损的因素
研究和测试表明：金属壁面的磨损速率与颗粒速度呈立方关系，与颗粒直径呈平方关系，即有：
公式中 ——磨损速率；K——系数；——颗粒速度；——颗粒直径。
可见，当与都增加1倍，增加32倍；当与都增加0.5倍，增加7.6倍。
表面较为平滑或棱角较多的颗粒对金属壁面的磨损速率影响差别很大，颗粒棱角较多，材质较为坚硬磨损会比较严重。
固体颗粒的浓度越高，磨损速率就越大。浓度和磨损成正比。
流道的形状对磨损速率也有影响，比如流道中凸出的部分磨损就大，凹陷的部分棱角处磨损也比较大。流道和颗粒方向平行磨损就轻。
可见磨损速率与固体颗粒的速度、颗粒特性、浓度、及流道的形状有关。还有金属温度的升高会使得金属的硬度大大下降，耐磨性能降低。
3.2 常见的防磨措施
3.2.1 运行调整中常见的防磨措施
（1）控制烟气速度。对烟气流速的控制可以有效地减轻飞灰磨损。但烟气流速的降低，将造成烟气侧对流放热系数的降低，并增加积灰与堵灰的可能性，因而应全面考虑，以确定经济、合理的烟气流速。
（2）控制飞灰浓度。磨损量与飞灰浓度成正比。飞灰浓度大，灰颗粒撞击受热面的点数多，磨损量大；锅炉流过转向室后，飞灰浓度集中于烟道外侧，因而省煤器管子的外侧部分将产生较大的磨损。此外，运行中燃用高灰分、低热值的煤时，飞灰浓度也会增大，继而使磨损加重。
（3）控制床温。床温直接影响烟气和受热面的温度，床温升高，烟气和受热面的温度升高，从外观看，床温的变化对飞灰的磨损性影响不大，但温度的变化势必会影响受热面管壁的温度，管壁温度的变化势必影响金属材料的机械强度，使其耐磨性能降低。当床温升高时，金属的壁温也随之升高，此时，金属的热应力增加，同时，金属壁面形成的氧化膜和金属的热膨胀系数不同，以及高温腐蚀的影响，金属管壁变形出现扭曲、凹凸点，流道的形状变化致使磨损加剧，长时期高温运行，磨损的加剧程度更大，所以，运行中床温的控制一定要加强限制，不宜过高、也不宜大幅波动、更不允许长期的高温运行，床温的控制范围约为：850℃～950℃之间。
（4）控制燃料特性。受热面的磨损量与燃料、床料的直径大小有关，直径小，受热面所受到的冲腐磨损小。随着直径的增加，磨损量增加。较硬的颗粒对金属管壁的磨损也比较严重。根据实际情况选取合适的煤和矸石，来减小磨损量。
（5）控制燃烧风量。运行中如果燃烧风量使用过大，除对燃烧安全、经济造成影响外，还会由于烟气量的加大而使磨损速度增加。计算表明，省煤器处的过量空气系数由1.2增大为1.3时，磨损可能会增加约25%。
3.2.2 检修工艺中常见的防磨措施
（1）敷设耐火材料。这种方式需要在水冷壁管上焊接销钉以固定耐火材料。该技术在锅炉密相区和炉膛出口周围广泛应用，施工简单，防磨效果好，但会导致锅炉换热特性下降，敷设完成后还需要进行烘炉和热养护。
（2）焊接护瓦。这种方式主要用于水冷壁与耐火材料的结合部位，尤其是在密相区上部与水冷壁结合部位、分离器出口附近敷设耐火材料的水冷壁管边缘部位、炉膛顶部敷设耐火材料水冷壁管的边缘部位、尾部受热面蛇形管的迎风面、风水联合冷渣管蛇形管的迎风面等，防磨效果相对较好。
（3）金属喷涂。金属喷涂一般用在密相区上部水冷壁1～2m、给煤口正面的水冷壁、中隔墙水冷壁下的前后墙水冷壁、炉膛的四角、炉膛顶部、尾部烟道顶部等部位。
（4）让管技术。让管是改变水冷壁管的几何形状，利用耐磨耐火材料结合简易弯管使垂直段耐磨耐火材料与上部水冷壁管保持平直，将旋涡形成于耐火材料区域而避免磨损水冷壁。这种防磨措施主要应用于密相区上部与水冷壁结合处，若结合焊接瓦技术，防磨效果将更好。
（5）炉内防磨梁。是在锥段上水冷壁加装间距不等的多道耐火防磨横梁，通过降低炉膛四周近壁区颗粒团（贴壁流）沿着壁面向下加速流动的速度，减轻下落粒子对管壁的冲击来减轻磨损。这种防磨梁凸台主要由耐磨耐火浇注和龟甲网组成，通过销钉将凸台固定在水冷壁上，凸台沿水冷壁高度方向以一定间距水平或倾斜多阶布置，防磨效果较为理想。 3.3 郭家湾电厂运行中的防磨措施
郭家湾电厂运行中的防磨理念是“以减磨来实现防磨”。具体措施如下：
3.3.1 降低床压
床压的大小是反映炉内物料量多少的参数，该厂在满足负荷要求的情况下，逐渐降低床压运行，并分析每次改变床压后的运行情况，最终维持床压在3-4kpa之间，一次风压在17kpa以内，风室压力保持在11—12.5 KPa。比原来有了较大幅度的降低，高负荷时控制偏低值，低负荷时控制偏高值，在该范围内床压过低、过高的不利影响均得到有效控制。使炉内物料浓度得到很好的控制。
3.3.2 降低氧量，减少一二次风量
CFB锅炉的风量由一次风、二次风和其它流化风组成。一次风经炉膛底部的布风板送入炉膛，首先是流化床料，其次提供燃烧初期的氧量供应，维持一定的床层温度，保证炉膛的热量传递。二次风在布风板之上1.5～3米左右的位置分内外送入炉膛，风速较高、穿透力较强，和密相区未燃尽的碳粒、一氧化碳气体等混合，提供燃烧所需要的空气。如（图1）所示，循环流化床锅炉的一、二次风量随锅炉负荷的变化而变化，其它风量基本保持稳定，不随锅炉负荷变化而变化。
风量配比原则：在一次风满足流化的前提下，相应地调整二次风。循环流化床锅炉在运行前均要进行冷态试验，并得到不同料层厚度的临界流化风量曲线，通过温度的修正得到热态不同料层厚度的临界流化风量曲线，在热态运行时以此作为调整一次风风量的下限。二次风量调整主要依据炉膛出口烟气中的氧量调整，在低负荷范围内运行，一般二次风投入量很小。通过调节一、二次风量及配比，使煤在炉膛内充分燃烧。一次风控制床温，二次风控制氧量（1%-3%），在床温允许的范围内降低氧量运行。
3.3.3 保证合格的入炉粒度
当运行中，物料中粗颗粒较多时，粗颗粒将沉浮于燃烧室下部燃烧，造成密相床燃烧的分额过大，炉床将超温结焦。为了避免结焦，减少给煤量，会造成锅炉的出力达不到要求，此外为防止粗颗粒沉积而引发事故，通常采用大风量运行，不仅在额定负荷下风门大开，而且在低负荷时，也不关小风门。如此运行，不仅引起烟气量增加，烟气温度的变化，而且会因大风量而造成扬析量增加，密相床的燃烧分额下降，飞灰的浓度增加，同时，通过对流受热面的烟速上升，磨损加大，形成恶性循环。如果颗粒组中的细颗粒较多，则床层不易建立，密相床的温度难以维持，即使能维持密相床的燃烧温度，较细的颗粒也将被扬析，加大尾部受热面的磨损，同时，难以保证烟气出口的粉尘排放要求。所以严格控制入炉煤粒度符合下列宽筛分要求（表1）。
4 结语
随着流化床锅炉大型化技术的日渐成熟，循环流化床锅炉的防磨不仅要在设计中采取措施，而更要注重优化锅炉各项参数来减弱磨损。CFB锅炉的防磨通过多种手段、多项措施共同实施，可靠性会越来越高。
参考文献：
[1]郝继红，李建峰.循环流化床锅炉磨损机理及防治[M].中国电力出版社，2008.
[2]王德军.循环流化床锅炉炉内受热面的防磨技术分析[J].科技信息，1994-2012.
[3]张磊，李静.锅炉防磨防爆技术与应用[M].化学工业出版社，2011.
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