浅析循环流化床锅炉水冷壁磨损与防磨经济性.pdf

收稿日期：2022-05-11作者简介：李其其（1972-），男，从事化工设备管理、特种设备技术工作，。浅析循环流化床锅炉水冷壁磨损与防磨经济性李其其（安徽皖维高新材料股份有限公司，安徽 巢湖 238002）摘要：循环流化床锅炉因具有运行高效、可靠及燃煤选择范围广等特点，被广泛应用于供热、电力、化工等多个领域，但其水冷壁易磨损，成为制约锅炉使用寿命的主要原因。我公司自备电厂共5台循环流化床锅炉，出力自75 t/h至180 t/h不等，经过对水冷壁防磨技术的不断摸索，现引入主动导流技术的防护方案，结合其他手段，最终解决了循环流化床锅炉使用中的磨损问题，有效延长了锅炉运行周期。关键词：循环流化床锅炉；水冷壁磨损；主动导流技术doi：10.3969/j.issn.1008-553X.2023.02.024中图分类号：TK229文献标识码：A文章编号：1008-553X（2023）02-0105-04安 徽 化 工ANHUI CHEMICAL INDUSTRYVol.49，No.2Apr.2023第49卷，第2期2023 年 4 月循环流化床锅炉（简称CFB锅炉）技术是一项高效、低污染、清洁燃烧的新型锅炉技术，在国内外均得到广泛的推广运用，但是该类炉型锅炉的水冷壁易磨损是一个突出问题，如不采取措施或措施不当则磨损会更加严重。据统计，由于磨损造成的停炉约占CFB锅炉本体事故停炉的 50以上，尤其北方地区，大量使用低热值劣质煤，更易造成频繁爆管停炉，这也成了锅炉使用单位最为棘手的问题，随之各种防磨技术应运而生并不断发展。我公司5台循环流化床锅炉，额定蒸发量配备有75 t/h、130 t/h、180 t/h三种，均为额定3.82 MPa/450的中温中压锅炉，热电联产配置了三台额定功率15 MW汽轮发电机，使用锅炉最终目的是为化工生产提供稳定的蒸汽热源。5台国产锅炉使用年限在10年上下，且炉型差异及制造厂不同等原因，引起的磨损状况也各不相同，给磨损防护带来困难。经过实践，我们成功引入主动导流防磨技术，结合有效跟进手段，使锅炉水冷壁磨损问题得到遏制和解决。1 水冷壁磨损机理锅炉受热面指的是水汽系统管壳面与燃烧系统高温烟气之间接触换热的金属表面，其中水冷壁受热面是炉膛内换热面，本文所称水冷壁磨损即水冷壁受热面磨损。从设计初衷来考量，除了被浇注料覆盖的密相区、过渡区水冷壁外，每台循环流化床锅炉水冷壁都不应发生影响使用的磨损，理论上这种逻辑可成立。实践表明，水冷壁磨损受自身构造、煤粒度、炉温、负荷率、压差、灰浓度、含氧量等诸多因素共同作用所致，且每台锅炉磨损状况有所区别，煤质、操作不同也导致磨损差异。1.1 磨损的种类炉内水冷壁受到磨损归纳为四种：烟气中颗粒对受热面的撞击、切削产生的磨损；沿受热面表面运动物料颗粒的贴壁流磨损；局部射流卷吸的床料对相邻处受热面形成的直接冲刷磨损；由于几何形状不规则产生局部涡流造成的磨损。1.2 磨损的具体方式锅炉水冷壁受热面磨损大多属于物料磨损，固体物料颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击而形成冲蚀磨损，当颗粒平行或较小角度与壁面的冲蚀称为冲刷磨损，反之则称为撞击磨损，撞击磨损会使固体表面产生变形和脱落。冲刷和撞击便构成磨损的两种基本方式。从微观磨损角度放大来看，两者还能区别成四种形式，见图1所示。图1微观磨损形式放大示意图推挤切削碾压断裂PPP105总第 242 期 2023 年第 2 期（第 49 卷）安 徽 化 工1.3 磨损的主要区域部位循环流化床锅炉水冷壁磨损明显部位集中在炉膛内三个区域，也是水冷壁磨损最严重的区域，为磨损防治的重点所在。（1）过渡区浇注料与水冷壁的过渡区域。该区域即浇注料以上0.5 m高度管束部位，通常也是弯头集中部位，这个位置是炉膛内气、固两相混合过渡段，区域内物料颗粒浓度高、粒径大。这个高度区域空间物料流，始终处于鼓泡流化态或湍流流化态，腾涌使沿壁面下降流与向上运动的物料在局部产生涡流，加剧颗粒对受热面的冲刷和撞击，两种磨损方式在此强烈交互作用，严重处局部管束呈现出倒“八”字冲刷磨损的痕迹。（2）炉膛四周角落及炉膛出口区域。流化介质柱塞流堆积在炉膛角落，同时该区域气流呈非稳定流态，易形成涡流，这些不稳定贴壁流的叠加效应导致该区域磨损比较严重；炉膛出口区域磨损主要是因为气流在这里剧烈转向所引起，流向出口的高浓度气、固两相流，在离心力的作用下将大量颗粒灰甩向壁面，造成炉膛出口两侧水冷壁典型的冲击磨损。（3）不规则管壁区域。不规则管壁主要包括穿墙管、弯管、焊缝及炉内测试元件等，炉膛设有的人孔门、观火孔等处也同是易磨损的部位，磨损原因是该处对局部的流动特性造成较大扰动而形成涡流，即使很小的几何形状不规则处，在涡流作用下受到恶性循环式冲刷，也会引起严重的局部磨损。2 主动导流技术的适用性自2012年以来，我们为应对水冷壁磨损一直采用金属防磨喷涂措施，围绕重点磨损区域做重点防护，期间平均每4个月计划停炉检查一次。尽管如此，每年仍发生13次水冷壁爆管而停炉事故，给化工生产带来一定的安全威胁。为强化涂层耐磨性，我们也考虑过更换超强耐磨喷涂材料，如液态合金、耐磨陶瓷及堆焊熔敷，但这类喷涂材料和传统热喷涂没有本质区别，只是能增长耐磨周期，同样不能有效避免测点、拐角等不规则处局部的急速冲刷，增加漏点概率的风险依然存在。2.1 主动导流技术主动导流技术是由一定高度网格栅组成的大片防护网覆盖在植被表面，阻滞了侵袭地表层植被的空气流，这种有效导流和屏蔽作用就是主动导流技术的应用体现。本文中主动导流技术又称经纬格栅或格栅防护技术等，网格式防护体由一块块金属导流板拼成，导流板通常采用CrNi系奥氏体耐热钢铸件，板厚5 mm，单块300 mm长度拼接并断续焊固定在水冷壁鳍片上，格栅横板上留有半圆孔让开且不接触水冷壁管，在保证焊接可靠性及同步热膨胀前提下，水冷壁受热面上就形成了一张覆盖的金属格栅防护网。经纬格栅板主动导流技术的根本原理：横、纵向导流防护网主动约束炉膛内气固两相流，逐级避免或降低贴壁流对受热面冲刷作用，消除局部不规则涡流对受热面的集中冲刷，从而实现了通过对烟气主动引导而防止物料颗粒对受热面的磨损。2.2 格栅防护的应用经市场咨询和实例考查，我们引入以主动导流技术为主的防护措施，配合其他跟进手段以完善提高。我们选择具备一定技术力量的某公司作为合作方，对5台锅炉分别制订独立防护方案，一炉一况，对症下药，在兼顾不影响锅炉出力前提下最低限度设置导流板层数，依据该炉磨损特征定制格栅大小，横板尽量少，竖板则依据流向针对布置。以额定180 t/h的5号炉为例，2022年7月初安装格栅网后，同时在易磨损区域作金属喷涂防护跟进措施，喷涂只是加装的一道防护保险，待后期稳定后不再需要这类涂层防护。运行三个月后停炉检查，发现前、后墙的过渡区有不规则被磨痕迹，喷涂层有被磨迹象，此时必须跟进补偿手段，量身定制增加横板层数。之后停炉期未发现新增被磨迹象，测厚数据基本不显示管壁减薄量，格栅网已完全显现屏蔽磨损的作用。抽取安装导流板前后的部分运行数据，负荷率均达90%出力161 t/h情况下，床温、排烟温度、炉膛压差、引风机电流等数据发生微变化，数据显示，烟风阻力增加，排烟热损降低，循环灰浓度略增等。忽略风量、煤质等因素，虽然抽取数据不完全表明运行期间为恒定状态，运行参数还有操作弹性可言，但能反映出引入主动导流技术控制了磨损外，没给锅炉运行带来较大影响，见表1。2.3 磨损三要素经实践归纳得出，受热面磨损速度（单位时间内磨损量）E（mm/106h）表达如下式：E=KpCpdp2U3式中：U炉内烟气颗粒的流速，m/s；dp物料颗粒直径，mm；Cp烟气颗粒浓度，kg/m3；Kp颗粒特性系数，一般取10-3的量纲单位。由表达式分析，降低水冷壁磨损首先要控制烟气流速U，通常U理论值应不大于6 m/s，运行多在（4.55.5）m/s之间。在锅炉尺寸一定前提下，U值与带负荷率、一二次风量、引风机调整都很有关联。Cp值由给煤内循环106颗粒、外循环灰的叠加量及风量主导，Cp值增快水冷壁磨损的同时与炉膛热效率、压差P成正比，运行上若床温、返料均稳定情况下，Cp是一个提倡高位值的参数。dp值实则为给煤粒径，是可控因素，也是热效率和磨损的主控因子。由此可见，U、Cp、dp三者对磨损有着一定的催生差异，在锅炉运行上尽管严控它们，但发生磨损却在所难免，且必定采取防磨措施。而格栅主动导流技术针对磨损三要素的抑制作用体现得淋漓尽致，理论上证实了其独具特色的适用性。3 防磨措施的经济性前文分析了主动导流技术在循环流化床运用中的适用性。防磨措施的经济价值和意义，可从下列两方面简述。3.1 不可或缺的重要因子dp床料正常沸腾以及床温保持稳定是循环流化床锅炉运行的基本要求，而入炉煤粒度dp不仅在磨损问题上扮演重要角色，且是锅炉燃烧效率不可或缺的关键因子，为此，保证入炉煤的颗粒度至关重要。煤粒度通常推荐013 mm，否则一定量的大煤块会在床体中沉积并形成死滞区，破坏正常的流化状态，导致炉内温度场不均匀，进而会结焦被迫停炉。反之，过多的细小颗粒则会影响分离器效果，随烟气进入后端除尘装置，带不动负荷，降低锅炉的效率，飞灰碳元素烧失量偏高，不经济。我公司锅炉常用热值为15 96018 900 kJ/kg的褐煤，原煤经一次破碎便给煤锅炉，齿棍破碎机特性决定了一破给煤粒径不均匀，粒径13 mm的占比超14%，给流化和防磨带来隐患威胁。两年前，在输煤皮带中段增设二次筛分和破碎，入炉煤粒度控制到010 mm范围。改进煤粒度后收到理想效果，相比原先同负荷底渣、飞灰量呈下降趋势，峰值期灰渣中碳烧失量降低2.6个百分点之多，全年按低负荷运行保守计算，减低能耗折合标煤超3 100 t，同时入炉煤颗粒流化均匀，燃烧充分，床温波动低，炉膛压差、返料稳定等。再算一下磨损账，图2为目前公认固定流速的dp、E关系曲线图，改变给煤粒径后，依据图中抛物线上点值查询，dp2值随着颗粒度减小而加速衰减，假设煤粒度从15 mm降至10 mm时，现磨损量E仍符合E现2.25E的关系。依据式E=KpCpdp2U3及参数平均值计算，取Cp值为3 kg/m3，U为5 m/s，原dp值为15 mm，则计算出E值并折合成年磨损量E年=0.7 mm，取水冷壁寿命最大减薄量为2 mm，则水冷壁寿命为近似3年。改变煤粒径到10 mm后，格栅板屏蔽效率取90%，则E年=0.7/2.250.1=0.031，得出引入主动导流技术并改变煤粒度后，现水冷壁年磨损量为0.03 mm。锅炉实际运行中自变量因素很多，推算数值只表明来处，不作确切依据。值得注意的是，主动导流技术确实把磨损三要素干预到接近全屏蔽状态，从而达到高效防磨目的。图2煤粒度及磨损量曲线图3.2 常用防磨技术比对结合市场反馈和经验，对防磨技术作归纳总结，比对常用的金属喷涂、堆焊熔敷、主动导流三种防磨措施的主要特性，见表2。从长期经济性角度来看，主动导流格栅防护具备优势，这一点也从我们实例考查中得到进一步证实。4 结论根据引入金属格栅板式主动导流技术，以及煤粒度筛分改变，从安全高效角度得出三点结论：（1）实践效果方面，金属格栅板的主动导流技术，虽市场各方技术略有差异，但原理都是运用格栅网规避磨损三要素Cp、dp、U以达到防磨目的，年管壁磨损量0.1 mm，因此国内很多CFB锅炉已采用该新兴防磨技术，且正以快速增长势头推广中。经过市场调研，总体比对单元安装导流板后安装导流板前蒸发量（t/h）161161床温（）920910炉膛出口温度（）862922返料器温度（）908931排烟温度（）128136炉膛压差（Pa）549523引风机电流（A）4236表1安装导流板前、后同负荷参数李其其：浅析循环流化床锅炉水冷壁磨损与防磨经济性107总第 242 期 2023 年第 2 期（第 49 卷）安 徽 化 工效果满意。（2）在结构特征上，格栅防护网为纯主动式防磨介入体，金属格栅板不干预承压部件本体，无管壁附着、熔敷、覆盖等防护带来的弊端，网格式防护无死角，能保护到局部冲刷漏