锅炉燃用印尼煤后造成风帽磨损问题分析与处理

2012-06-25李骏

电力安全技术 2012年7期

李骏

(广东粤嘉电力有限公司，广东梅州 514733)

1 锅炉简介

广东粤嘉电力有限公司梅县电厂5号锅炉为上海锅炉厂有限责任公司生产的SG-440/13.7-M566型超高压、中间再热、单汽包自然循环、循环流化床锅炉，与上海汽轮机厂生产的N135-13.24/535/535型(K151机型)汽轮机和济南发电设备厂生产的QFS-135-2型发电机相匹配，设计燃料为无烟煤。

锅炉采用二次配风，一次风从炉膛底部布风板风帽进入炉膛，二次风从燃烧室锥体部分进入炉膛。锅炉共设有4个给煤点和4个石灰石料口，均匀布置在炉前。炉膛底部设有钢板式一次风室，整个布风板共有T型风帽365个。锅炉采用床上启动点火方式。锅炉采用循环流化床燃烧方式，实现炉内脱硫。

2 改烧印尼煤后出现的问题

近年来无烟煤价格一路攀升，且供应紧张。为解决电厂燃煤短缺，拓宽锅炉对煤种的适应性，电厂进行了无烟煤改烧印尼煤的试验和测试。锅炉从2011年6月开始改烧印尼煤，经过半年的改烧调整后，于2011年10月停炉进行检修。在此过程中遇到的问题主要有：

(1)局部风帽磨损严重，出现前后墙中部第1排风帽磨穿的现象；

(2)旋风分离器进口的耐火料磨损严重；

(3)运行中经常出现床压维持不住、床温偏高、一次风量偏大的情况。

炉膛T型风帽磨损情况尤为严重，因此解决风帽磨损严重的问题成为诸多问题的关键。

3 循环流化床锅炉磨损的机理

由于循环流化床锅炉运行在高温条件下且温度变化频繁，炉内有大量高速运动的固体物料。这种燃烧特性决定了循环流化床内的受热面及耐火材料很容易磨损。循环流化床锅炉由于其特定的燃烧方式，炉内的固体物料密度为煤粉炉的几十倍甚至上百倍，其受热面和耐火材料受到大量固体物料的不断冲刷。

影响循环流化床锅炉磨损的主要因素有：运行参数、燃料特性、床料特性、物料循环方式、受热面结构和布置方式等，涉及设计、安装、运行、维护等方面。

3.1 烟气流速和粒子浓度

烟气流速是影响炉内壁磨损的最主要因素。根据实验结果,颗粒的机械冲蚀磨损量W可表示为：

式中：W为磨损量；up为烟气中的固体粒子速度；dp为固体粒子粒径；C为烟气中的固体粒子浓度；K为比例常数，代表物料和气体的磨蚀特性；τ为运行时间；g为重力加速度。

由上式可见，磨损量与固体粒子速度的n次方成正比关系。n值的大小与固体粒子的粒径、速度等有关，不同工况下n值也有所不同，在3.0～4.3之间。烟气流速大小直接影响流动飞灰的运动动能和单位时间内冲击到炉内壁的灰粒量。烟速越大，可认为固体粒子速度也越大，从而导致磨损迅速增加。

从上式可以看出，磨损量与粒子浓度成正比，粒子浓度越大，粒子碰撞受热面的几率越大，磨损越严重。灰浓度又与循环倍率和分离器的分离效率、烟气的均衡度有关。较高的循环倍率将导致含灰烟气流对炉内壁的严重磨损。如果运行时负荷过高，煤质较差，燃烧料量大，将会导致烟气中的物料浓度增大而使磨损加剧。同时，金属管壁与烟气热交换加剧，金属管子外壁结构发生变化，也会导致磨损加剧。

3.2 床温

循环流化床锅炉运行床温直接影响烟气的温度和受热面的温度。当运行床温升高时，烟气温度和受热面的温度随之升高；反之亦然。

运行经验表明，在绝大部分情况下，循环流化床锅炉受热面的管壁与磨损在管壁温度接近400 ℃的范围内发生变化，如图1所示。当壁温低于此温度时，管壁上未形成氧化膜，磨损速率较大，但基本不随温度发生变化。当壁温达到此温度时，管壁上形成了硬度较高的Fe2O3、Fe3O4及FeO氧化膜，使受热面的磨损急剧降低。当壁温继续增加时，由于热应力的产生，氧化膜和金属的热膨胀系数不同及高温腐蚀的影响等，磨损又会有所增加。

印尼煤因挥发分高、易着火，进入炉膛后马上着火燃烧，这使得在相同的一、二次风比例下，床温会更高。若印尼煤灰分少，炉膛灰浓度低，则更易出现床温高的问题。

图1 受热面温度对磨损的影响

3.3 锅炉负荷

长期超负荷、超煤量运行也会加剧炉内磨损。煤量的大小与热负荷、煤质及锅炉效率有关。一般同等负荷下的锅炉效率变化不大，而煤量仅与煤质相关。在煤质一定的情况下，负荷与煤量基本成正比。而磨损率与物料质量浓度密切相关，长期超负荷运行会使密相区附近的炉壁磨损速率相对加快。

长时间的单侧运行给煤机或落煤斗产生堵煤、配风不当等运行问题，也会加快炉内受热面的磨损速度。

3.4 一、二次风量配比

当一次风量过大时，粗颗粒床料上升，高度增加，密相区上移，容易加重密相区部位的磨损。因此，在不影响流化质量和床温控制的条件下，应尽量降低一次风流量，增加二次风比例。

3.5 燃料特性的影响

一般入炉燃料中含有大量SiO2，A12O3、黄铁矿等矿物质，这些物质对炉壁的不断冲刷和撞击，会造成磨损。另外，物料(煤粒、灰粒、床料、石灰石等)的粒径、颗粒形状对磨损特性也有影响。燃料的成分对烟气成分有一定影响，如S会生成腐蚀性气体如SO2，SO3，H2S等，在一定的条件下会对金属管壁产生腐蚀作用，而腐蚀产物又易被灰粒冲刷掉。这样磨损和腐蚀交替进行，会使管子的总磨损速度大大加快。

3.6 床料特性

图2是冲蚀磨损时磨损量与颗粒直径关系的数值试验结果。从实验结果可以看出，床料粒径较小时，受热面所受的冲蚀磨损较小；在低浓度时粒径达到某一临界值(约100 μm)后，磨损量几乎不变。这可解释为，虽然大颗粒冲刷管壁的磨损能力较大，但在相同颗粒浓度下，冲刷管壁的大颗粒总数减少了，故磨损量变化仍可不大。在高浓度时，磨损量随颗粒粒径的增大而增加。

3.7 颗粒形状

带棱角的床料颗粒比球形颗粒对锅炉的磨损影响大，而流化床中新鲜的不规则颗粒与已磨成球形的颗粒并存，受热面的磨损速率可能并不随时间的增加而减少。

3.8 床料硬度

颗粒硬度对磨损影响的一般趋势如图3所示。当颗粒硬度接近或高于被磨材料时，磨损率会迅速增加；在颗粒硬度比被磨材料低时，磨损率通常很低。在运行中，床料不断循环，较软的物料会逐渐被磨损掉，只有那些性质稳定(硬度比较大不易损耗)的颗粒累积下来，其硬度大大高于新鲜床料。

另外，床料颗粒在炉内停留一段时间后，其表面会形成一膜层，其硬度会高于新添的床料，甚至高于金属硬度，对金属造成较大磨损。

图2 磨损与颗粒直径(浓度)的关系

图3 颗粒硬度对磨损的影响

风帽的磨损情况主要有2种：一种是风帽外部的磨损，另一种是风帽小孔被磨损扩大。发生风帽外部磨损的最严重区域在排渣口和循环物料回料口附近。风帽小孔被磨损扩大后，将改变布风特性，同时造成风室漏灰。

风帽磨损的原因之一是物料水平方向冲刷风帽，循环物料随入炉煤一起进入炉膛，较高浓度的颗粒以较大的平行于布风板的速度分量冲刷风帽，造成风帽磨损。风帽磨损的另一个原因是涡流磨损，当气流喷出风帽小孔时，形成回流区，把物料带回风帽周边表面，气流自转，带动物料螺旋旋转。在上述条件同时作用下，有的物料紧贴风帽周边表面旋转上升；有的物料在风帽顶部形成旋转的物料气柱，该气柱在风帽顶部随机移动。这样，风帽周边表面有螺旋磨损沟痕，风帽顶部有斜向冲刷痕迹。另外，当风室静压小于风室差压时，床料会进入风帽出风口。如果床料粒径偏大，会堵住出风口，造成风帽小孔通道堵渣严重，使风帽缺少冷却介质，极易烧坏风帽。