主动多阶式防磨技术在循环流化床锅炉上的应用

平顶山市瑞平煤电有限公司 秦先卫 王 刚

中平能化集团天成公司 王讲义

主动多阶式防磨技术在循环流化床锅炉上的应用

平顶山市瑞平煤电有限公司 秦先卫 王 刚

中平能化集团天成公司 王讲义

目前，磨损严重、水冷壁频繁爆管的问题是影响CFB锅炉稳定运行的最主要原因之一，由于磨损(受热面、耐火材料、风帽等) 造成的事故接近事故停炉总数的30%～50%。当燃用劣质煤（煤矸石掺烧比例大、灰分高）时该问题更加突出，给电厂带来很大的经济损失，成为电厂最为棘手的问题之一。

一、循环流化床锅炉水冷壁的磨损机理及现状

在循环流化床锅炉炉膛内，典型的流体动力学结构为环－核结构。在内部核心区内，颗粒团向上流动；而在外部环状区，固体物料沿炉膛水冷壁往下凹流。颗粒以一定的速度和角度对水冷壁表面进行冲击造成冲蚀磨损。冲蚀有两种基本类型，一种叫冲刷磨损，另一种叫撞击磨损，这两种磨损的冲蚀表面流失过程的微观形貌是不完全相同的。冲刷磨损是颗粒相对固体表面冲击角较小，甚至接近平行。颗粒垂直于固体表面的分速使得它揳入被冲击物体，而颗粒与固体表面相切的分速使得它沿物体表面滑动，两个分速合成的效果即起一种刨削作用。如果被冲击物体经不起这种作用，固体表面将产生磨损。撞击磨损是指颗粒相对于固体表面冲击角度较大，或接近于垂直时，以一定的运动速度撞击固体表面，使其产生微小的塑性变形，呈显微裂纹。在长期、大量的颗粒反复撞击之下，逐渐使塑性变形层整片脱落而形成磨损。一般在循环流化床锅炉受热面和耐火材料的磨损中，床粒颗粒与受热面和耐火材料的冲击角度为0～90°，因此循环流化床锅炉受热面和耐火材料的磨损是上述两类磨损基本类型的综合结果。实际运行中，炉膛水冷壁严重磨损主要表现为以下几种情况。

1.炉膛密相区浇注料与水冷壁管交界区域管壁的磨损。由于过渡区内沿壁面下流的固体物料（以下简称贴壁流）与炉内向上运动的固体物料运动方向相反, 因而在局部产生涡旋流, 同时沿炉膛壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变, 对水冷壁管产生冲刷。

2.炉膛四角水冷壁的磨损。这是由于炉膛四角区域内贴壁流的物料浓度比较高造成的。

3.炉膛出口两侧水冷壁管的磨损。炉顶受热面的磨损主要是由于气、固流在离开炉膛进入转弯烟道时流向发生转变, 气、固流的流通面积缩小, 因而造成对两侧壁管的磨损加大。

4.不规则管壁的磨损。不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上的焊缝等。这主要因为不规则部位的贴壁流被改变，容易形成涡流，从而导致磨损的发生。一般地，物料对管壁的磨损速率与其速度、浓度及粒度关系为：

E∝W3D2U。 （1）

式（1）中，E 为磨损速率，单位是μm/100h；W为物料速度，单位是m/s；D为物料粒度，单位是mm；U为物料浓度，单位是kg/(m2·s)。由式（1）可知，物料对管壁的磨损速率与其流速的三次方成正比，与其浓度成正比。从流体动力特性看，循环流化床锅炉炉膛处于快速流态化状态。在快速床中，贴壁流沿着将近30 m高的炉膛从炉顶向炉底加速流动，其末端速度比较高，并且浓度成指数增加。贴壁流速度高和浓度大是造成水冷壁过渡区域磨损严重的主要原因。

二、主动多阶式防磨技术在平顶山瑞平电厂480t/h CFB锅炉上的应用

平顶山瑞平电厂采用的锅炉是东方锅炉厂生产的DG480/13.7-II2自然循环、超高压、一次中间再热循环流化床锅炉。考虑到水冷壁磨损严重的问题，在锅炉安装阶段，电厂同时完成了主动多阶式防磨装置的安装。该防磨装置由销钉和耐火耐磨浇注料形成凸台，并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。具体布置在循环流化床锅炉炉膛中密相区的上方，每隔两米沿炉膛四周布置一圈，从下至上共14层。

该防磨装置的优点在于：从磨损机理入手，显著降低炉膛贴壁流的速度和浓度；安装简单方便，不需对炉膛水冷壁进行大量改造；运行可靠，检修简单方便；水冷壁上加装防磨台阶后不会对炉内传热造成影响。

三、防磨效果

电厂1#锅炉于2007年1月3日投入运行，2#锅炉于2007年5月15日投入运行，截至2008年3月25日1#锅炉已经累计运行7 446小时（1#锅炉自2007年11月3日至2008年3月25日已连续运行141天），2#锅炉已累计运行5 387小时，水冷壁未曾发生一次爆管事故。2007年12月份，利用2#机组检修的时间，电厂会同西安热工院对2#锅炉的水冷壁进行了全面检查，并对2#锅炉水冷壁的壁厚进行了详细的测量，测量结果证明，采用了该防磨装置后，减缓了炉内固体颗粒的运动速度，改变了颗粒运动的轨迹，大量的物料在沿着水冷壁向下流动的过程中，每隔一段距离就会发生一定的偏移，从而减轻了固体物料对水冷壁管子的直接冲刷，有效地延缓了水冷壁的磨损。

按测点尽量覆盖所有水冷壁的原则，测量了65个有代表性的测点，测量结果见表1。双面水冷屏的测点数量为10个，壁厚测量结果见表2。

表1 水冷壁厚测量结果

表2 双面水冷屏厚测量结果

以135 MW CFB锅炉机组为例，水冷壁总受热面积约1 600 m2，加装防磨内衬的被覆盖受热面积约70m2，仅占4.4%左右。另外，防磨台阶增加了对贴壁流的扰动，有利于炉内传热。因此，水冷壁上加装防磨台阶后不会对炉内传热造成影响，现场运行实践也说明了这一点。

四、结论

目前已投运的循环流化床锅炉均存在水冷壁磨损严重的现象，这是由循环流化床燃烧方式决定的，其主要原因在于贴壁流浓度较高，物料流动速度较高造成的。

瑞平电厂安装的主动多阶式防磨装置对减轻或者预防水冷壁的磨损有显著效果，对保证锅炉的稳定安全运行起到了重要作用；瑞平电厂安装的主动多阶式防磨装置未影响炉膛的传热。