循环流化床锅炉耐火耐磨材料损坏原因浅析

2011-01-30张振保王建峰李明明

化工设计通讯 2011年3期

张振保,王建峰,李明明

(1.河南金大地化工有限责任公司,河南漯河 462400;2.郑州华能耐材有限公司,河南郑州 450003)

0 前言

河南金大地化工有限责任公司目前生产能力为合成氨 300 kt/a,甲醇 30 kt/a,氯化铵1 060 kt/a,纯碱1000 kt/a,三聚氰胺100 kt/a,工业盐1 600 kt/a。公司循环流化床锅炉产的高压蒸汽供汽轮机发电后,全部进入0.4 MPa和3.5 MPa蒸汽管网,供化工大系统生产用。运行5年来,两台锅炉共发生非计划停炉事故22次,其中由于锅炉耐火耐磨材料损坏导致停炉事故6次,占非计划停炉事故的27.3%。耐火防磨材料损坏的具体情况是,旋风分离器顶部浇注料大面积脱落1次;锅炉落煤口浇注料脱落后造成水冷壁泄漏2次;屏式过热器浇注料脱落造成管子泄漏3次。

1 耐火耐磨材料的使用部位

循环流化床锅炉的磨损通常发生在固体物料浓度较高、流场复杂的湍流区、涡流区,以及与烟气运动方向垂直的受热面等部位,因此,通常在以下部位采用耐火耐磨材料:点火风道;风室;布风板表面;燃烧室下部锥形段;炉内屏式受热面底部;炉膛烟气出口;分离器;回料装置;混合室等。

2 耐火耐磨材料损坏机理分析

循环流化床锅炉大多采用热值低、含硫量较高的劣质煤种,飞灰浓度大、流速高,温度变化频繁,造成循环热冲击;此外,炉内有大量高速运动的高温固体物料,需要用大量的耐火材料保护锅炉受热面,防止受热面磨损泄漏,因此,耐火防磨材料都处于锅炉运行最恶劣的环境中。通常耐火材料的失效有以下三个方面的原因:耐火材料的剥落、耐火材料的冲刷磨损、耐火材料的化学侵蚀。

2.1 耐火耐磨材料的剥落

耐火耐磨材料的剥落一般分为两种:热剥落(热震剥落)、结构剥落。热剥落是指由于热冲击或机械应力引起的材料损失。热冲击是指骨料与结合料由于膨胀系数不同在温度循环波动时产生内应力从而破坏耐火材料层,热冲击会导致耐火材料衬里形成大裂缝及剥落,而温度快速变化造成的热冲击(如启停炉操作不当)可使耐火材料内的应力超过抗拉强度而剥落。结构剥落是指材料经过长期的使用,组成和内部晶相结构发生变化,即使在小的温差应力下就能使其表面的变质层剥落。

2.2 耐火耐磨材料的磨损

耐火耐磨材料的磨损是炉内的流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。

2.3 耐火耐磨材料的化学侵蚀

包括原煤中有害杂质,如硫、氮等在燃烧时产生的二氧化硫、氮氧化合物等酸性气体对耐火防磨材料产生化学侵蚀,以及因碱金属的渗透造成的耐火材料渐衰失效、渗碳造成的耐火材料变质破坏、抓固钉失效造成的耐火材料层脱落等。

3 耐火耐磨材料运行中暴露的主要问题

(1)新炉使用不长就出现严重磨损现象,壁面上出现凹坑,埋下事故隐患。由于结构不同,循环流化床锅炉选用的耐火材料品种繁多。针对循环流化床锅炉不同部位工作环境不一致,需要选用不同的耐火耐磨材料。

(2)旋风分离器顶部浇注料裂纹窜火,烧毁抓钉,造成浇注料大面积脱落,进入到返料器中,造成返料中止,锅炉负荷降低而停炉。

(3)施工不良,收缩缝处理不好,造成护板烧红损坏,被迫停炉。见图1。

图1 收缩缝处理不良而产生的裂纹

(4)燃烧室下部处于锅炉密相区,炉膛中心气流上升而四周因壁面摩擦和粘滞,使粉尘或颗粒失速下滑而对上浇注料造成磨损,甚至大面积脱落,造成锅炉流化不好,容易引起结焦而停炉。脱落的浇注料卡到放渣管口,造成锅炉无法排渣,料位增高,影响锅炉负荷。

(5)循环流化床锅炉启动过快或检修时强制降温,造成耐火层内温度急剧变化,产生较大的热应力,使耐火耐磨材料开裂脱落。

(6)锅炉进煤口处于锅炉的密相区,工作条件极为恶劣,除受到原煤重力的作用外,还要受到风、烟、渣、灰的冲刷,该处的浇注料最容易失效。见图2。

图2 落煤管浇注料脱落后水冷壁泄漏示意

(7)锅炉出口水平烟道受到烟气流的长期冲刷,造成磨损或脱落,脱落物进入到返料器造成返料故障,影响锅炉运行。见图3。

图3 锅炉出口受烟气的冲刷而造成的脱落

(8)屏式过热器与炉膛结合面或屏式过热器底部浇注料脱落,过热器管磨损泄漏。见图4。

图4 屏式过热器底部浇注料脱落

4 耐火耐磨材料损坏的原因分析

(1)耐磨材料的成分配比不符合要求。配比不合适会使耐磨材料的稳定性较差,表面硬度减弱,粘结力降低,导致耐磨材料极易磨损和脱落。

(2)浇注料施工工艺不良。施工时预留的膨胀缝不符合要求或膨胀缝设计存在问题等,导致运行中极易出现耐磨材料大片脱落。

(3)设计结构不合理。如抓钉、拉砖钩数量较少,施工浇注前没有按要求对抓钉涂以沥青,往往会造成耐磨料大面积脱落。

(4)没有严格执行烘炉曲线,对烘炉过程缺乏有效监督,使浇注料强度达不到要求或者产生裂纹,造成运行中窜火而发生脱落。

(5)耐火层钢制外壳上没有割排气口。烘炉、煮炉或启动时,蒸汽从内层排出受阻,造成耐火材料脱落或裂缝。

(6)运行操作不当。在锅炉冷态启动或停炉抢修时强制降温,升温/冷却时如果温差较大,就会造成耐磨材料的受热不均而产生裂纹甚至脱落。

(7)原煤中有害杂质,如硫、氮等在燃烧时产生的二氧化硫、氮氧化合物等酸性气体对耐火防磨材料产生化学侵蚀,以及因碱金属的渗透等,造成耐火耐磨材料的损坏。

(8)炉膛飞灰浓度越高,对锅炉的磨损就越强烈,飞灰中多硬性物质(残炭)、粗大颗粒的棱角会加速对耐火耐磨材料的磨损。

5 耐火耐磨材料损坏的防范措施

(1)科学、合理选用耐火耐磨材料,是保证锅炉长周期平稳运行的基础。根据使用情况选择耐火材料,在循环流化床锅炉中,因燃烧室、旋风分离器、物料回送管路等部位所处的环境不同,受热冲击、温度循环变化或冲刷的程度也不一样,不同的区域可选用不同性能的耐火材料。如风室选用保温混凝土,主要成分为蛭石或轻质骨料等;燃烧室下部选用高铝质或刚玉质浇注料;燃烧室出口选用高铝质材料即可;旋风分离器宜选用高铝质砖或刚玉砖,也可选用高铝—刚玉复合材料砖;料腿、返料器选用高铝质材料即可。

(2)严格浇注料施工工艺。必须注意以下事项:①所有金属与浇注料接触面均应涂以沥青或缠上陶瓷纤维纸;②拉钩砖的拉钩槽间隙全部用灰浆填满;③砌砖过程中,应保证所有砖相错布置;④靠近止推板的从下至上的所有耐火耐磨砖均应具有拉钩,所有支撑托板上下一层砖均为长条形耐火耐磨砖并配合出膨胀缝,以形成一个砖砌炉墙的稳定体系;⑤不同位置采用不同性能的耐火耐磨浇注料,施工时每个区域所用浇注料的性能不能低于该区规定的要求;⑥浇注料施工时一定要捣实;⑦膨胀缝预留符合要求。

(3)加强烘炉的全程监督,严格执行耐火材料厂家制定的烘炉曲线。最好让浇注料自然风干15天后,再开始烘炉。烘炉前必须在钢制外壳上割排气口。

(4)在浇注料中适量加入钢纤维,改善耐火防磨层的整体性能。注重落煤口浇注料的施工。在屏式过热器底部浇注前最好加长销钉,编成金属网,涂抹沥青,从底部一次成型捣实,可延长该处浇注料的使用寿命。

(5)加强运行管理,严格执行烘炉曲线;在锅炉冷态启动时,严禁快速升温。杜绝野蛮检修进行强制降温。防止浇注料升降温速率过快,发生大面积脱落。

(6)锅炉选用燃料尽量接近设计煤种。使用燃料灰分过大、粒度不符合要求时,会对锅炉受热面和耐火耐磨材料造成严重磨损。尽量不选用高硫煤,避免生成的二氧化硫和三氧化硫对受热面和耐火耐磨料造成腐蚀而发生故障。