循环流化床锅炉水冷壁防磨技术研究与应用

李景忠，毕加佳，姜军虎

（陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西 渭南 714000）

1 概述

陕西渭河煤化工集团有限责任公司（简称“渭化集团”）是陕西省“八五”时期建设的大型化工企业，是我国现代煤化工发展和新一代煤气化技术应用的先行企业。公司目前拥有一期年产52 万吨尿素的生产装置1 套、二期年产20 万吨甲醇生产装置1 套和三期年产40 万吨甲醇的生产装置1 套以及年产各5 万吨二甲醚的生产装置两套。

二三期装置配套锅炉为无锡华光锅炉厂设计制造的一台UG-220/10.8-M 循环流化床锅炉、两台UG-240/10.8-M 循环流化床锅炉（下称“3#、4#、5#锅炉”）。三台锅炉运行期间的磨损泄漏，导致后续生产装置不能实现长周期稳定运行，因此如何从防磨损机理出发,采取进一步的防磨损措施,对循环流化床锅炉的推广应用和稳定运行是一个十分现实又重要的问题。前期采取的防磨措施为利用检修期间进行超音速电弧喷涂处理，但费用昂贵，运行周期短，经过多方调研和技术交流，最终确定采用主动多阶防磨梁防磨技术先在3#锅炉进行改造试验，效果若显著则在4#5#锅炉进行改造。

2 防磨研究的关键技术

循环流化床锅炉磨损机理：循环流化床锅炉运行中床料分两种方式循环，一种是床料上升至顶部进入分离器后下到返料腿，重新返回炉膛，叫做外循环；一种是床料在炉膛中间上升到炉膛顶部再沿炉膛边壁下降到密相区，叫内循环。内循环的循环量是外循环的3～5 倍。床料及飞灰顺着炉膛四周水冷壁快速下降形成“贴壁流”，这是水冷壁管形成严重磨损的主要原因。

目前研究表明，物料对管壁的磨损速率与速度、浓度及粒度关系为：E=K×U3×d2×μ（式中E 表示磨损速率；K 表示灰特性系数；U 表示物料速度；d 表示物料颗粒直径；μ 表示物料浓度）。磨损速率与物料速度成三次方关系，与颗粒直径成平方关系，与物料浓度成正比。

因此，降低贴壁流的流速，磨损速率就会大幅度的降低。故在锅炉炉膛四周沿炉膛高度每隔一定距离，设置一圈防磨梁，让炉内大量的内循环物料在沿着水冷壁向下流动的过程中发生物料速度的减缓和偏移，从而减轻物料对水冷壁管外壁因速度和浓度叠加引起的冲刷磨损，达到延缓水冷壁管寿命的目的。

3 循环流化床锅炉防磨损现状分析

针对循环流化床锅炉水冷壁管的磨损原因，可以在设计中合理选择流化速度，还要针对磨损的局部涡流采取主动或者被动的防磨措施。主动防磨是破坏产生磨损的涡流，改变流场结构，或者将受热面躲避涡流区布置；被动防磨是在易磨损部位增加管子的壁厚或者加设防磨瓦、金属喷涂等。最初循环流化床锅炉基本都是采取超音速电弧喷涂防磨的方法，它是通过金属热喷涂技术对受热面进行耐磨材料喷涂，是解决循环流化床锅炉水冷壁管磨损的有效方法，但其施工周期长，运行周期较短，一般为2 年，施工费用昂贵。我公司3#锅炉在磨损重要区域进行一次喷涂的面积约450 m2，耗资近百万。

而防磨梁技术是循环流化床锅炉采取的一种新的防磨措施，变被动为主动，以降低贴壁流流速、降低水冷壁管磨损为目的，投资小，维护方便，综合效益突出。

4 主动多阶防磨梁实施方案

多阶防磨梁技术方案优点是多层主动阻挡贴壁灰流，逐级降低贴壁灰流速和浓度，因而大大减轻了管壁的磨损，延长了水冷壁的使用周期。

1）3#锅炉设计在炉膛内部从水冷壁过渡区至炉顶，沿炉膛高度方向共设计5 道防磨梁（凸台），每两道防磨梁间距依次为2m、2.5m、2.8m、3.2m，防磨梁设计标高为：第一道14950mm；第二道16950mm；第三道19450mm；第四道22250mm；第五道25450mm。

2）防磨梁形状与布置：每层凸台宽度为80mm，上边水平，下边倾斜，敷设水冷壁高度为110mm。下部三道防磨梁设计炉膛四周整圈，上部两道防磨梁设计为前墙单侧。防磨梁设计形状呈直角梯形。

3）防磨梁材料：耐磨耐火浇注料是耐火骨料和结合及组成的混合料。未施工前为干态，加水或其他液体调配使用。主要结合剂为水硬化性结合剂，以浇注、振动的方法施工，暴露在高温区域使用合金销钉，施工结束后通过烘炉提高浇注料的物理强度。耐磨耐火浇注料材料成分：33.06%SiO2、1.23%Fe2O3、63.27%Al2O3；性能:耐火度1750℃，1100℃～水冷30 次无破损碎裂现象，常温耐压强度71.9 MPa，常温抗折强度15.3，MPa 耐磨性7.2 cm3，体积密度2.73 g/cm3，0.32%热膨胀率，20%空隙度，热导率1.211 m.k。

4）抓钉材质：Φ8mm 形状为“V”形的不锈钢（304），长度70mm。

5）防磨梁施工要点：V

①“V”形抓钉必须焊于水冷壁管之间鳍片上，严禁在水冷壁管上点焊；

②预制好成型模板并确认好尺寸；

③配置耐磨耐火浇注料时使用专用搅拌机均匀搅拌，确保浇注料性能稳定，水份均匀；

④防磨梁施工队伍必须有大量耐磨耐火浇注料施工经验。

6）为了确保在高温高浓度高磨损环境中防磨梁能安全稳定运行，增强耐磨性能，施工结束后必须进行烘炉，从而保证防磨梁的强度。烘炉前将蒸汽通乳锅炉水冷壁管内，温度控制在100℃到150℃，恒温20h，点火后严格执行浇注料要求的升温速率，不得高于50℃/h。

5 防磨梁改造后经济分析

3#循环流化床锅炉改造后水冷壁喷涂周期由两年延长到四年，年节约喷涂费用25 万元左右；同时降低了因磨损造成爆管停炉检修费用每次约10 万元；每次点炉消耗燃料10 吨费用约8 万元；防磨梁施工材料费用共计24 万元，使用寿命按8年计，直接经济效益按四年一个周期，每年节约费用80 万元左右，对后续装置的间接经济效益就更多了。

6 防磨梁实施后的主要性能指标

防磨梁防磨技术研究的主要目的是彻底解决循环流化床锅炉水冷壁管磨损的问题，从而提高锅炉运行的可靠性和经济型，促使循环流化床锅炉能够安全、稳定、长周期运行，为公司带了来巨大的经济和社会效益。因此实施投运后3#锅炉的负荷、床温、炉膛差压及煤量等参数是本项目最为关键的指标。锅炉负荷在170t/h 至210t/h范围内，床温稳定在930℃至950℃，炉膛差压稳定维持在啊1200Pa 左右，运行工况稳定。

经过约80 天的运行，锅炉负荷、床温、炉膛差压及煤量等运行参数无明显变化，运行半年后对水冷壁管壁测厚验证防磨效果良好，磨损大幅降低，管壁减薄不明显，大大提高了运行周期，后续装置的连续稳定运行有了基础保障。

7 结论

渭化集团3#锅炉运行中存在的水冷壁磨损问题也是循环流化床锅炉行业普遍存在的共性问题。经过改造，3#锅炉运行周期明显增长，水冷壁管壁厚度无明显下降，运行参数无明显变化，效果显著，因此主动多阶水冷壁防磨梁防磨技术，是目前较可靠的、适应性较强的循环流化床锅炉水冷壁防磨技术，有效解决了磨损的问题，从而提高了锅炉运行的可靠性和经济性。公司随后立即在4#5#两台锅炉进行了改造，防磨效果同样明显。