CFB 锅炉入炉煤粒径对水冷壁磨损的分析与防护措施

2023-10-27李明军

设备管理与维修 2023年18期

李明军

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江鹤岗 154100）

0 引言

近年来，基于循环流化床（CFB）锅炉燃烧效率高、负荷调节范围大、燃料煤种适应性广、节能环保等特点，在国内被广泛推广应用。但是，由于其工艺特点所致，从而导致对炉内受热面磨损问题较为突出，严重制约着CFB 锅炉长、稳、安、满、优运行。

中海石油华鹤煤化有限公司现有SG-170/9.81-M2801 型循环流化床锅炉3 台，采用流态化燃烧方式，分段送风。一次风从炉膛底部水冷风室经布风板送入炉内，二次风经二次风口送入炉内过渡段和悬浮段。在设计煤种条件下，锅炉达到额定负荷耗煤27.127 t/h，设计入炉煤粒径范围为0～12 mm（1 mm 以下占40%，3 mm 以下占70%，8 mm 以下占85%，10 mm 以下占90%，12 mm 以下占99%）。

1 水冷壁磨损原因分析

1.1 入炉煤粒径影响

锅炉加煤过程中，入炉煤粒径越大，需要床料保持良好流化状态的一次风量就越大，从而导致烟气的流速增加，水冷壁磨损加剧。水冷壁的磨损量与床料颗粒的粒径有很大关系。水冷壁表面发生磨损，与之接触的运动的颗粒就必须有一定的动能。假如在颗粒运动速度一定的情况下，当床料颗粒粒径很小时，其本身具有的动能也很小，对与之接触的水冷壁的冲刷磨损力度也就很小，当其低于受热面管材的弹性形变承受能力时，不足以对受热面构成威胁。但随着煤粒粒径的增大，其动能也增大，对水冷壁表面的冲刷也越严重。假如这些超过入炉煤粒径标准的大颗粒都是含碳量较高的燃煤，它们在炉内要完全燃烧，其循环倍率要远远大于粒径小的燃煤，将加剧受热面的磨损。随着时间的推移，炉内的大颗粒所占比例越来越高，颗粒与颗粒之间的间隙也越来越大，当这些大的颗粒聚集到一起，通过这些大颗粒的一次风的阻力将降低，致使这些部位的一次风流速增加，在布风板上产生不正常的“沟流”现象。机组运行中要保证整个床面良好流化，就必然要增加进入炉内的一次总风量，这会导致产生“沟流”部位的一次风流速继续增加，其携带的物料颗粒将大大加剧对受热面的冲刷、撞击磨损。

图1、图2 是入炉煤粒径和一、二次风量的配比情况。根据上海锅炉厂提供的热力计算技术附件，在设计煤种下，机组75%负荷时，一、二次风校核数据分别为61 151 Nm3/h、51 892 Nm3/h，而实际运行中，一次风量远超设计值，二次风量也远低于设计值，入炉煤粒径也远远超过0～12 mm。虽然粒径超标的煤块入炉煤量占比很小，但是，如果一次流化风量不足以将其床料流化，将很难通过排渣系统排出炉外，随着时间的推移，这种大渣块在床上越积越多，在运行中，为了保持良好的流化状态，就必须增加一次风风量，送入炉内的氧气量就会增加，为了控制烟气残氧量在厂控指标内，就不得不降低二次风量，造成一、二次风配比失调。而二次风设计要求是不仅要有速度，还要有刚度，要有足够的穿透能力，才能对燃烧室密相区形成较强的对冲空气流，抑制物料上行，使燃煤在炉内密相区的破碎更彻底，燃烧更充分。二次风减小，密相区燃烧份额减少，稀相区燃烧份额增加，炉膛上部物料浓度增加，恶化炉内的空气动力场，加剧上部水冷壁磨损。

图1 个别大粒径入炉煤

图2 运行中一、二次风流量

1.2 烟气流速

烟气流速对水冷壁磨损的影响是众多磨损原因中主要的一点。烟气流速越高，对水冷壁磨损越严重。根据相关研究，磨损量与烟气流速的三次方成正比，而烟气流速则与锅炉负荷以及一、二次风量配比有关，一、二次风量越大，对炉内燃烧情况的扰动程度越剧烈，对水冷壁的磨损量也越大。磨损速率与烟气流速、颗粒直径的关系可表达为：δ=k×u3×d3，其中δ 表示磨损速率；u 表示烟气中的固体颗粒速度；d表示颗粒直径，k 为常数。在烟气中固体颗粒速度不变的情况下，磨损速率与颗粒直径的关系见表1；在烟气中固体颗粒直径不变的情况下，磨损速率与颗粒速度的关系见表2。

表1 磨损速率与颗粒直径的关系

表2 磨损速率与颗粒速度的关系

由表1、表2 可见，当颗粒速度和直径都增大1 倍时，对水冷壁磨损速率就会增加32 倍，加剧了对水冷壁的冲刷。因此，在机组运行中，控制好入炉煤粒径，合理调整一、二次风比例和送、引风量，使烟气中过量空气系数在设计范围内，能有效减轻对水冷壁的磨损。

1.3 飞灰中颗粒成分

循环流化床锅炉最大的优点是适应煤种广。为了节能，机组所选用的煤种是热值低、矸石含量高的劣质煤，其物料特性较硬。同时，为了脱硫，还要在燃料中掺烧石灰石粉。飞灰中颗粒的主要成分包含Ca、Si、Al、S、Fe、Mg 等元素，其中Ca、Fe、Al 为金属元素、硬度较大，燃烧后生成具有较高硬度的CaO、FeO、Al2O3、SiO2等物质（表3）。但是飞灰中这些物质含量的增加，会加剧对水冷壁的磨损。试验表明，Si、Al 成分含量较高的床料对水冷壁的磨损程度更强。

表3 飞灰主要颗粒物硬度 HV

1.4 防磨工艺影响

流化床锅炉防磨工艺包括浇注料防磨和金属喷涂防磨两项。在施工中，如果耐磨材料成分的选择不准确，施工质量不合格，将无法做到对水冷壁的有效保护。

2 锅炉运行中受热面易磨损部位及磨损情况

从运行实际情况来看，3 台流化床锅炉易磨损部位主要有：下煤管入炉段、密相区喷涂部位水冷壁、卫燃带过渡区水冷壁、冷渣机入渣口周围浇筑料等（图3～图6）。

图3 下煤管炉内段磨损情况

图4 水冷壁喷涂位置磨损情况

图5 炉内浇筑料与水冷壁过渡区磨损情况

图6 冷渣机入渣口部位磨损情况

3 防磨措施

3.1 严格控制入炉煤粒径

入炉煤粒径对水冷壁磨损的影响是众多影响水冷壁磨损的诱因，其影响是一个不断恶化的过程，不仅是加剧受热面磨损，还会恶化燃烧，增加锅炉的各项热损失，降低燃烧效率。针对入炉煤粒径的建议如下：

（1）增设筛网。可以在现有环锤破碎机下部增设一级筛网，将粒径大于12 mm 的颗粒筛选出来，送回地斗进行二次破碎。

（2）增加除铁设备。停炉后，在清理床料过程中，经常会发现较大的铁质器件，这些大的铁件在经过破碎辊时，会将磁辊间隙撑大，致使大颗粒的煤进入锅炉原煤仓。

（3）合理掺烧一定比例的细炉渣。如果在短期内无法控制入炉煤粒径，可以考虑在燃煤中掺烧一些细炉渣，用以填充大颗粒之间的间隙，使布风板上一次风更均匀，床料保持良好的流态化，降低“沟流”产生冲刷磨损影响。而且炉渣中含有未完全燃烧的碳粒，可以降低燃烧热损失。

3.2 合理调控一、二次风比例

运行中根据入炉煤质、锅炉负荷以及运行工况，及时、合理地调整一、二次风量，使一、二次风充分发挥应有的作用。一次风量的降低可以明显降低烟气流速，同时，提高二次风量可以增加二次风的穿透力和刚性，抑制飞灰颗粒上扬的速度，从而降低对炉内受热面的磨损。

3.3 控制飞灰中颗粒成分

（1）严格控制入炉煤煤质。循环流化床锅炉的煤质适应性广，是指可以根据所用燃煤质量设计出满足用户使用需求的炉型。当一台锅炉被设计完成并投入使用，所用燃煤煤质就应该符合设计要求，否则很难达到额定出力。如果煤质偏差大，为了满足用户负荷需要，就不得不加大投煤量，其后果是一系列的连锁恶化反应，影响锅炉的使用寿命。

（2）合理控制石灰石使用量。通过试验分析得出，石灰石的硬度为130～250 HV，当受热面喷涂层、氧化层依次被破坏后，它对受热面也会产生威胁。因此，应该根据烟气环保指标，合理调整石灰石使用量，降低飞灰中石灰石含量和生产成本。

3.4 严格管控防磨施工质量

（1）严格执行喷涂技术要求。目前采用的喷涂技术是电弧喷涂，其技术原理是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，均匀地喷涂在受热面上。其工艺程序是先采取两次喷砂工艺，对防磨部位进行表面糙化，然后再在洁净的表面进行喷涂。喷涂施工前，一定要将受热面彻底清洁干净（不能过渡糙化，降低金属损耗），喷涂过程中一定要均匀、全面，涂层过薄或不均匀，将降低防护效果。基于目前入炉煤粒径情况，综合受热面磨损实况，将原设计密相区喷涂高度（6.8 m）向上提高1 m，经运行验证防护效果得到提高。

（2）易磨损部位适当加设护板或套筒。针对锅炉下渣口和下煤管入炉段磨损进行工艺改造，在下渣口处增加防护板，用以缓冲物料对布风板水冷壁的冲刷；在下煤管入炉段加设耐磨套筒。经运行验证对磨损部位保护效果良好。