循环流化床锅炉承压部件防磨措施

赵凌俊

(山西安泰集团股份有限公司,山西介休 032000)

循环流化床锅炉燃烧技术从20世纪80年代开始在我国设计研发并投入商业运行,锅炉运行中承压部件的磨损是目前生产实践中尚未彻底解决的难点之一。导致锅炉运行中承压部件磨损的因素包括烟气流速、颗粒浓度以及烟气流畅的不均匀性等,本文从设计、安装、运行、检修等环节对循环流化床锅炉承压部件磨损的影响因素予以介绍。

1 循环流化床锅炉工作原理

循环流化床锅炉燃烧是基于气-固两相流理论发展起来的一种新型洁净燃烧技术。锅炉由燃烧系统、气-固分离循环系统、对流烟道3部分组成。燃烧系统包括风室、布风板、风帽、燃烧室、炉膛、给煤系统等;气-固分离系统由物料分离装置和返料装置2部分组成;对流烟道设备包括过热器、省煤器、空气预热器等。

一次燃烧空气通过炉膛底部的布风装置进入炉膛,布风板上安装有风帽。炉膛内粒度为0～8mm的固体颗粒(燃料、石灰石、底料等)被一次风流化后呈流体的特性并充满了整个炉膛,二次风在炉膛下部一定高度进入炉膛实现分级燃烧。固体颗粒在炉膛内以特殊的气-固流动方式运行。一方面,固体颗粒在炉膛内受颗粒的团聚和聚集作用,细颗粒聚集成大颗粒后在一定的气流速度下逆气流向下运动,并在“环-核”理论的作用下贴壁回流,然后,被上升的气流打散成细颗粒,再被气流带动向上运动,颗粒团不断重复聚集→下沉→吹散→上升→聚集的过程,在炉内产生强烈的内循环运动;另一方面,高温烟气带出的细小固体颗粒被炉膛出口的物料装置分离后,再通过物料回收装置将固体颗粒返回炉膛循环燃烧,实现外部循环,据此建立相应的物料平衡和热量平衡,保证锅炉连续、高效、稳定运行。

2 设计环节对锅炉承压部件磨损的影响因素

一般来说,凡是与物料及含飞灰的烟气相接触的部位,都存在不同程度的磨损。作为锅炉运行人员,应了解循环流化床锅炉承压部件磨损的特征部位并采取相应的预防措施。

2.1 炉膛水冷壁管磨损特征部位及防磨措施

炉膛水冷壁管磨损的特征部位包括:炉膛下部卫燃带与水冷壁管的过渡区、炉膛角落区域的水冷壁以及不规则管壁。针对水冷壁管的磨损特征,可以采取如下的防磨措施:

(1)水冷壁管特征磨损部位增扣耐磨不锈钢防护瓦,考虑的具体因素包括如下:

1)护瓦和水冷壁管接触严密,保证传热效率和护瓦不变形;

2)护瓦安装固定考虑自由膨胀因素;

3)护瓦顶部和水冷壁管接触部位仍会出现磨损,可采用护瓦顶部增加绕流鳍片的方式联合防磨,不宜一味增加护瓦高度。

(2)炉膛角落区域水冷壁管采取增加浇筑料高度的方式进行防磨。具体施工时尽可能减小炉膛卫燃带耐火层的锥角,使过渡区域平坦一些。

(3)采用金属表面喷涂技术。金属喷涂是早已应用在机械、发电等行业的成熟技术,但在循环流化床的应用仍处于实践探索阶段。目前,采用热喷涂技术中的电弧喷涂工艺是解决我国电厂循环流化床锅炉受热面磨损问题的主要方法。

(4)采用让管技术,即改变水冷壁管的几何形状。耐火材料结合简易弯管使卫燃带区域与上部水冷壁管保持平直,从根本上消除因涡流而产生的局部易磨区。

2.2 尾部对流烟道受热面磨损特征部位及防磨措施

过热器、省煤器等对流烟道受热面磨损的特征部位包括:管束烟气进口侧1～4列管束、临近炉墙部位的管束、省煤器管束弯头部位和靠近竖井烟道的后墙管束以及其他设计上局部烟气流速过高或可能形成烟气通廊的区域。

针对上述特征磨损部位,采取以下防磨措施:

(1)合理设计烟气流速,以不大于7m/s为宜,避免设计上出现局部流速过高的区域。

(2)保证物料分离装置有较高的分离效率,以降低烟气中固体物料浓度。目前,循环流化床普遍采用高温绝热式旋风分离器作为物料分离装置,在评价旋风分离器的分离效率时,以分级分离效率作为评价指标较为合理。

(3)高段省煤器进口竖井烟道转弯处加装导向板,防止后墙部位管束的磨损。

(4)烟气进口管束和管束弯头等部位采取防磨瓦或其他遮护措施。

3 安装质量对承压部件磨损的影响

锅炉安装质量的好坏,将直接影响锅炉的安全经济运行,应予以充分重视。锅炉安装应由省级劳动部门审查批准的专业安装单位承担,根据设备技术条件及有关规程的要求进行安装。在具体的安装过程中,以下部位的安装可能对锅炉承压部件的磨损产生负面影响,应重点关注:

(1)水冷壁管对接焊缝外观质量差,施工后的管壁上残留铁器类物品,会加重水冷壁管在这些不规则区域上的磨损,在具体的施工安装中应注意:

1)水冷壁管焊口预留位置尽量放在炉膛的中上部且焊口尽量布置在同一水平位置。

2)水冷壁管对接前应按规定做好坡口,焊接对口外壁的差值不应超过薄件厚度的10%+1mm,且不大于4mm。

3)水冷壁组合应在稳固的组合架上进行,管子突出不平的,允许误差控制在±5mm范围内。

4)施工结束后,及时清理管壁上残留的铁丝、钢筋等物件,保持水冷壁表面光滑。

(2)过热器、省煤器等蛇形管安装时应先将集箱找正固定后安装基准蛇形管,待基准蛇形管找正固定后,再安装其余管排。施工中管排间距的允许误差为±5mm。同列管束烟气进、出口间的管束间隙不均匀时,管束间隙突变部位在喷嘴原理的作用下,有可能使该部位管子的磨损加剧。

(3)过热器、省煤器等部位同列管束中个别管子的不平整度应控制在±10mm范围内。若管束安装前没有很好地进行平整度的检查,在安装中管束的相对位置也未科学控制,导致同列管束中间部位的管子错位,会明显增加该管子迎火面磨损泄漏的可能性。

(4)省煤器安装时,应注意检查边缘管排和炉墙的距离是否符合图纸规定,防磨装置是否按图纸要求留出接头处的膨胀间隙。

(5)从实践运行的角度分析,炉墙和炉顶结合面或炉墙局部不严密,存在漏风部位,导致运行中冷空气窜入而对邻近管束的磨损是相当严重的。施工阶段对炉墙严密性的质量要求注意以下几点:

1)穿墙部位的受热面管子的炉墙间隙允许误差为±5mm,严格按照图纸要求做好膨胀密封工作。

2)砖砌炉墙时应按图纸和技术文件要求留膨胀缝,其宽度误差为±3mm,边界错牙不大于4mm。

3)膨胀缝外部炉墙应采取可靠的密封措施。

4)炉墙施工时应注意各部位的间隙,特别是炉墙与受热面的间隙应符合设计要求,沿烟气流速方向的同侧间隙应保持一致。

4 锅炉运行工艺控制对承压部件磨损的影响

4.1 入炉煤的煤质对磨损的影响

循环流化床锅炉与其他形式的锅炉相比,其突出的优点是对煤种的适应性强,但这并不意味着循环流化床锅炉能燃用任何煤种。事实上,循环流化床锅炉对入炉煤的质量有严格的要求,包括燃料的水分含量、粒度级配、灰分含量、颗粒形状等。具体对锅炉承压部件磨损的影响如下:

(1)锅炉承压部件的磨损同烟气中的飞灰浓度呈正比,入炉煤的灰分高、热值低,相应烟气中的颗粒浓度就高,磨损就严重。

(2)锅炉承压部件的磨损与循环物料的直径大小有关。直径小时受热面所受的冲蚀磨损很小,随着物料直径的增加,磨损量逐步增加,当直径增大至某一临界值(0.1mm左右)时,受热面的磨损量的变化趋向缓慢。

(3)循环物料的成分对磨损有一定的影响,一般含Si和Al成分较高的物料比含Ca和S成分较高的物料对受热面的磨损性要强一些。从运行角度考虑,为降低燃料成本,当前锅炉入炉煤中掺配煤泥、煤矸石的比例在逐步增加,当矸石中硅和铝的含量增加时应考虑适量减少矸石的掺配量,以减缓磨损。

4.2 控制一次送风量

理论上,流化床锅炉承压部件的磨损同烟气流速的3次方成正比。在相同工况下,调整风、煤配比,合理控制锅炉氧的质量分数(5%～7%)是减缓磨损的重要措施。但实际运行中,为避免一次风配风不足影响流化而造成炉膛结焦事故,操作人员有时会人为加大一次风量,相应增加了承压部件磨损的几率。

4.3 根据入炉煤煤质的变化调整锅炉的循环倍率

调整锅炉的循环倍率即改变锅炉的物料循环量亦即粒子浓度。锅炉循环倍率高,说明炉内烟气中固体颗粒的浓度大,相应磨损严重。一般而言,当燃烧优质煤时,可加大物料循环量;烧劣质煤时,应减少物料循环量。

4.4 锅炉入炉煤含硫量较高时应采取简易脱硫措施

锅炉入炉煤含硫量较高时,燃烧产生的烟气中腐蚀气体含量增加,会对受热面的壁面产生腐蚀作用,在磨损和腐蚀的共同作用下,相应部位的受热面磨损加剧。因此,当原煤中硫的质量分数大于2%时,可利用输煤皮带往炉内投加石灰石的方式简易脱硫,以减缓烟气腐蚀对管子的影响。

4.5 重视锅炉参数的监控

从均匀磨损的角度考虑,锅炉运行中偏烧对燃烧的稳定和承压部件的磨损影响也很明显,运行中左、右侧烟道烟温差不应超过50℃。因此,应重视锅炉参数的监控工作,对同时段内锅炉不同部位的某一参数量进行连续监控并做类比分析是提前发现锅炉运行异常、预防事故发生的重要技术手段。

5 锅炉的日常维护对承压部件磨损的影响

(1)严格执行锅炉计划检修模式,有条件时积极开展预防性维修,尽量减少锅炉非计划停运次数是锅炉检修管理应遵循的基本原则。在锅炉检修作业中,要重视原始检修记录的收集整理和统计分析工作,根据本单位锅炉的实际情况制订合理的检修周期,降低非计划停炉次数。

(2)锅炉停运检修期间,应对炉内承压部件进行全面检查。对受热面的特征磨损部位要重点检查,特别要避免检查人员凭经验判断的做法,及早发现承压部件的磨损倾向并有针对性地进行处理。

(3)对特征部位选取的代表性管段定期开展壁厚测量或割管检查工作并和历史数据相比较。当承压部件的磨损率超过0.2mm/a或具体管段的实际壁厚低于原设计厚度1/3时,应考虑换管或采取其他的防磨措施,严禁锅炉带病运行。

(4)针对锅炉承压部件出现的磨损现象,一定要查清设备磨损的根本原因并采取相应措施,不应采取被动的防磨措施。

(5)锅炉停运后做好炉墙的漏风试验工作,对炉墙不严密部位彻底密封,减缓运行中冷空气对邻近炉墙管束的磨损冲刷。

(6)积极开展设备技改工作,加大锅炉承压部件防磨技术的引进和工业应用,以减缓受热面磨损,延长锅炉运行周期。

6 结束语

循环流化床燃烧技术是我国现阶段洁净煤利用技术的主要形式和发展的重点。如何提高锅炉受热面的防磨工艺水平、降低锅炉非计划停运次数是锅炉使用单位面临的普遍问题。在实际生产中,应针对循环流化床锅炉承压部件磨损的影响因素,遵循设备生命周期理论,应用过程控制的方法加强锅炉每一阶段防磨措施的落实工作,确保循环流化床锅炉连续、稳定运行。

[1]刘德昌.流化床燃烧技术的工业应用[M].北京:中国电力出版社,1999.

[2]吕俊复.循环流化床锅炉运行与检修[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[3]全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网.循环流化床锅炉磨损机理及防治[M].北京:中国电力出版社,2008.