循环流化床锅炉水冷壁磨损机理及控制措施浅析

2018-04-19薛永涛

石油化工应用 2018年3期

薛永涛

(国能宁煤集团煤制油化工安装检修公司，宁夏银川 750000)

循环流化床锅炉又称为沸腾炉，具有效率高、污染小、调节灵活、煤种适应广、炉渣综合利用率高等特点。尤其是环保方面的实用性，使得这种锅炉近些年来在煤制油化工及电力行业应用广泛。该类型锅炉的底部为一多孔的布风板，空气以高速穿过孔眼，均匀进入布风板上的床料层中。锅炉床层上的物料为炽热的固体颗粒和少量煤粒，当空气高速穿过床层使床料上下翻滚，水冷壁受热面受到运动的颗粒物不同程度的磨损时，易导致膜式水冷壁局部发生磨损严重，水冷壁受磨损部位的强度降低，从而使该区域发生破裂导致泄漏。循环流化床锅炉停炉由磨损原因造成的事故率达45%～50%，对企业的经济效益影响。本文从检修工艺和运行调整两方面分析原因，采取相应的控制对策，减小磨损速度，提高锅炉运行效率[1-4]。

1 设备结构简述

循环流化床锅炉一般由炉膛、高温过热器、低温过热器、省煤器、空预器及旋风分离器组成，其结构(见图1)。

图1 循环流化床锅炉结构简图Fig.1 Schematic diagram of circulating fluidized bed boiler

2 常见的磨损部位

循环流化床锅炉炉膛水冷壁管的磨损是锅炉受热面磨损严重的部位之一。由图1可见，循环流化床锅炉水冷壁的磨损，最严重的区域在炉膛下部水冷壁与耐火浇注料交界处、炉膛四周密相区域以及一些不规则的管壁如管壁上焊缝处等。

3 磨损机理分析

3.1 磨粒磨损

物体表面与磨粒相互摩擦引起表面材料损失的现象叫磨粒磨损。它是指一个表面与硬质物体或硬质颗粒接触，产生切削或刮擦作用，引起材料表面破坏。在流化床系统中，磨粒磨损十分普遍。磨粒磨损的机理是磨料颗粒的机械作用，它与磨粒的相对硬度、大小、形状、固定程度以及载荷作用下磨粒与被磨表面的力学性能有关。由于影响因素众多，很难对于循环流化床锅炉水冷壁管受磨粒磨损情况建立起一个完备系统性的数学模型，故很难定量讨论，只能定性分析[1]。在一次风机与二次风机开动的条件下，循环流化床物料在锅炉炉膛中心区域以上升流为主，四周边壁区以贴壁下降流为主，正常运行时炉膛内部流体流动(见图2)。

图2 循环流化床内部流体流动示意图Fig.2 Schematic diagram of fluid flow inside circulating fluidized bed

3.2 耐火浇注料与水冷壁管交界处磨损原因分析

循环灰沿锅炉内壁下落到水冷壁与耐火浇注料交界处上部堆积，形成约45°的自然堆积角，之后下落的灰沿坡面下滑，避免冲刷水冷壁管，可以起到减小磨损的作用。在水冷壁与耐火浇注料交界上部的过渡区内，由自然下落的积灰在耐火浇注料上部形成斜坡，称为“软着陆”区域(见图3)。沿锅炉内壁炉内向上运动的固体颗粒与向下流动的固体颗粒运动方向相反，这样使得“软着陆”区域的细颗粒减少，大颗粒增多，导致“软着陆”的效果减弱，沿炉膛壁面向下流动的固体颗粒在交界处流动方向发生了改变，因而对水冷壁管产生冲刷磨损(见图4、图5)。

图3 设计工况Fig.3 Design conditions

图4 实际工况Fig.4 Actual working conditions

图5 耐火浇注料与水冷壁管交界处磨损Fig.5 Abrasion of refractory castings and water wall pipes

3.3 炉膛四角的管壁磨损原因分析

炉膛水冷壁四个角落区域的管壁磨损(见图6)，主要原因是由于在四角产生的叠加作用使该区域内壁面向下流动的固体物料密度增加，流动状态也发生了改变[2]。

图6 炉膛四角的磨损Fig.6 Wear of four corners of the hearth

假设在炉膛的四个内壁面上向下的颗粒层厚度为a，则在四角处，有部分重叠区域，其密度为每个壁面中间的2倍，故在炉膛的四角处，会形成较为严重的磨损。

3.4 不规则区域管壁磨损原因

不规则区域管壁如炉墙开孔处的弯管(见图7)，管壁上的焊缝(见图8)，原因主要是不规则管壁对局部的流动特性造成较大的扰动。运行经验表明，即使很小的几何尺寸的不规则也会造成局部的严重磨损，图7给出了炉墙开孔处的弯管区域发生了不同程度的磨损，其中开孔上部的弯管磨损较轻，而开孔下部的弯管则磨损比较严重[3]。

图7 弯管区域发生磨损的情况示意图Fig.7 Shows the abrasion of the elbow area

图8 管壁上的焊缝磨损Fig.8 Weld wear on the tube wall

4 采取的控制措施

4.1 检修工艺方面

由磨粒磨损机理可知可以从两方面采取控制措施，一方面增强材料的抗磨性能；另一方面是防止或减少磨粒进入摩擦表面。

4.1.1 膜式水冷壁局部热喷涂采用先进的电弧喷涂技术，施工过程由两部分组成，首先进行表面预处理，然后进行耐磨防护喷涂[4]。注意喷砂除锈后，要及时进行喷涂。喷涂至少5次以上，使涂层厚度至少达到0.5 mm。施工完的喷涂层表面应均匀光滑，无麻面、开裂、起皮、脱落等现象，涂层边缘平滑过渡。

图9 电弧喷涂Fig.9 Arc spraying

4.1.2 加装防磨挡板在炉膛密相区的浇注料上方，间隔3 m～3.5 m，可以加装一层防磨挡板(见图9)。这样使运行中防磨挡板上形成物料堆积，使沿炉膛壁面下流的固体颗粒在下落时实现软着陆，减小其向下流动的动能，从而减小了固体颗粒对水冷壁的局部冲刷作用的力度，同时也阻挡一部分固体颗粒与水冷壁的接触，这样就减小了对水冷壁的磨损(见图10)。

4.1.3 减小对接焊缝的余高及错口量一般在焊接中要求焊缝余高要小于2 mm，但在水冷壁管中，由于焊缝处存在形状突变，导致磨粒磨损加剧，为了保证较好的受力所用，减小摩擦，要将焊缝打磨平整，最好是小于0.5 mm，可以有效的减少焊缝处的磨损。同时，管口组对时，错口量要控制在0.5 mm以内。