循環(huán)流化床鍋爐選型中的水冷壁磨損與煤的燃燒效率問題

1、循環(huán)流化床鍋爐選型中的水冷壁磨損與煤的燃燒效率問題曾榮鵬【摘要】循環(huán)流化床鍋爐的水冷壁磨損對鍋爐的可靠性和經(jīng)濟運行起著決定性的作用，煤的燃燒效率則直接決定鍋爐性能的優(yōu)劣。在設備選型階段對該問題的正確處理可有助于提高鍋爐機組投產(chǎn)后的可用率與經(jīng)濟性。 【Abstract 】The abrasion of water wall of the circulating fluidized bed boiler has decisive function to the reliability and economic operation, the combustion efficiency of coal

2、 directly determine boiler performance. On equipment selection phase, the correct treatment can help to improve the availability and economy of boiler after operation.【關(guān)鍵詞】循環(huán)流化床鍋爐 水冷壁磨損 燃燒效率 鍋爐選型【key words 】Circulating fluidized bed boiler Abrasion of water wall Efficiency of combustion Selection of

3、 the boiler model一、前言能源與環(huán)境是影響當今社會發(fā)展的兩個重要問題。目前煤炭的消耗已占到我國一次能源消耗的76%，在今后的若干年內(nèi)還會呈現(xiàn)上升的趨勢。我國煤炭大部分是直接用于燃燒的，由燃料所產(chǎn)生的大氣污染物還沒有得到有效的控制，因此, 發(fā)展高效、低污染清潔燃燒技術(shù)是當前急待解決的問題。循環(huán)流化床是近年來發(fā)展起來的新一代高效低污染清潔燃燒技術(shù)，它兼有鏈條爐的床上分布燃燒、顆粒排渣和煤粉爐的飛灰燃燼技術(shù)與懸浮燃燒的特點，爐內(nèi)湍流運動強烈。燃料和石灰石在爐內(nèi)多次循環(huán)，反復地進行低溫燃燒和脫硫反應。它因具有NO X 排放量低、脫硫效率高、與煤粉爐相近的燃燒效率、燃料適應性廣等優(yōu)點而得

4、到了迅速的發(fā)展。二、研究的背景由于循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)流動與燃燒的復雜性，目前有關(guān)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損與煤的燃燒效率研究文章很多，主要是關(guān)于設備運行調(diào)試和檢修，而關(guān)于該問題在設備選型階段中的討論并不多見。本文旨在通過我公司在廣東省江門市的粵新熱電聯(lián)供有限熱電廠工程中對濟南鍋爐集團有限公司（原濟南鍋爐廠）130t/h循環(huán)流化床的設備選型，來研究水冷壁磨損與煤的燃燒效率對提高鍋爐機組的可用率的影響，希望能給其他循環(huán)流化床鍋爐用戶在設備選型時提供些有價值的參考。我公司的鍋爐設備采用的是濟南鍋爐集團有限公司和中科院熱物理所共同開發(fā)的130T/H流化床鍋爐:鍋爐型號 YG-130/9.8-M；額定蒸

5、發(fā)量 130t/h；額定主汽壓力9.81MPa ；額定主汽溫度540；給水溫度 215；排煙溫度140；鍋爐熱效率.90.9%；碳未燃燼熱損失 1.3%；一次風溫度150；二次風溫度150。三、磨損機理對于水冷壁的磨損按磨損機理不同，一般可分為沖刷磨損和撞擊磨損。沖刷磨損是顆粒相對固體表面沖擊角較小，甚至接近平行。顆粒垂直于固體表面的分速度使得它楔入被沖擊物體，而顆粒與固體表面相切的分速使得它沿物體表面滑動，兩個分速合成的效果即起一種刨削作用，如此經(jīng)過大量、反復的作用，固體表面將產(chǎn)生磨損。撞擊磨損是指顆粒相對于固體表面沖擊角度較大，或接近于垂直時，以一定的運動速度撞擊固體表面使其產(chǎn)生微小的塑性

6、變形或顯微裂紋，在長期、大量的顆粒反復撞擊之下，逐漸使塑性變形層整片脫落而形成的磨損。1四、水冷壁磨損問題注意的幾個方面在爐膛中磨損相對嚴重的部位主要有爐膛出口、衛(wèi)燃帶與水冷壁管過渡區(qū)域、不規(guī)則的水冷壁管和布風板上風帽的磨損。其防治措施主要采用敷設澆注料、噴涂耐磨金屬層、采用水冷壁讓彎結(jié)構(gòu)和提高材質(zhì)等來防止和減輕磨損。另外，研究表明 ,磨損與物料流速的 3次方、濃度成正比。物料濃度范圍的變化直接影響顆粒的運動規(guī)律既顆粒與顆粒、顆粒與管壁、顆粒與氣流之間的碰撞和摩擦等的劇烈程度。同時由于燃料粒徑的增大 ,將不可避免的加大一次風的使用 , 因此在滿足燃燒的同時 , 要嚴格控制燃料的粒徑 ,努力減少

7、風量與風速 ,從運行調(diào)整上降低水冷壁管束磨損。1、爐膛出口管壁對于爐膛出口管壁的磨損主要是以撞擊磨損為主，當物料與管束成切向或一定角度相碰時 ,其磨損程度與其物料流動方向和速度關(guān)系較大 ,因其位置較高 ,不易檢查 ,往往會造成意外爆管事故。該處的防磨措施必須實施得當，一般采用焊接立式耐熱鋼護板 ,防止物料從切向或角向撞擊爐膛出口對流管束 。另外 可采用將爐膛出口對流管束整體澆筑 (出口左右兩側(cè)各兩根管 ,沿出口上約 600 兩種方案進行預防。22、爐膛直管段的水冷壁管磨損目前發(fā)現(xiàn)除衛(wèi)燃帶和水冷壁過渡區(qū)和局部的開孔區(qū)域，水冷壁的直管部分磨損并不是很嚴重 ,只發(fā)現(xiàn)直管段的水冷壁被磨得發(fā)亮 ,其磨損

8、還沒有成為一個嚴重問題。這主要是由于物料的運動方向與水冷壁管中心線互相平行時 ,產(chǎn)生的磨損量最小且均勻，對爐子的安全運行影響不大。3、衛(wèi)燃帶與水冷壁管過渡區(qū)域的管壁的磨損爐膛下部敷設衛(wèi)燃帶與水冷壁管過渡區(qū)域的管壁的磨損的機理有以下兩個方面 ,一是由于局部結(jié)構(gòu)的變化和物料流內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的渦流；二是沿爐膛壁下流的固體物料在交界區(qū)域產(chǎn)生流動方向的改變對水冷壁管產(chǎn)生的沖刷。如圖1所示： 圖1衛(wèi)燃帶與水冷壁管過渡區(qū)域的管壁的磨損及其原理圖為減輕衛(wèi)燃帶與水冷壁過渡區(qū)域的管壁磨損 ,可采用讓管設計 ,把位于水冷壁與衛(wèi)燃帶交接處易受磨損的管段向外彎曲 ；在水冷壁局部噴涂金屬耐磨料；保持衛(wèi)燃帶過渡非常平緩；采用垂

9、直角變截面的澆注方式, 采取以“灰治灰”的措施，利用積灰緩沖灰粒的磨損。爐膛下部衛(wèi)燃帶的錐角大小也是關(guān)系管壁磨損的因素之一 ,錐角越小其磨損越小。但過小的錐角使衛(wèi)燃帶變薄，容易脫落 。為此，在水冷壁下部焊有銷釘用以固定高強度耐高溫防磨耐火材料。保障該區(qū)域水冷壁安全可靠地工作。 圖2采用水冷壁讓彎結(jié)合澆注料的結(jié)構(gòu)處理模式 圖3 直接敷設耐磨澆注材料的結(jié)構(gòu)處理模式我們在選型時采用了水冷壁讓彎結(jié)合澆注料的結(jié)構(gòu)處理模式，利用以“灰治灰”的方法；為了進一步提高膜式水冷壁耐磨性能，在澆注料頂端以上水冷壁150噴涂耐磨合金涂層。該方法可使水冷壁管本體在三年之內(nèi)不磨損，可將水冷壁壽命提高3倍。而且該種噴涂也可

10、在大修期間進行，從而最大限度地延長水冷壁的使用壽命。4、不規(guī)則管壁的磨損不規(guī)則管壁包括穿墻管 ,爐墻開孔處的彎管 ,管壁上的焊縫等 ,此外 ,還有一些爐內(nèi)的測試元件 ,如熱電偶等。運行經(jīng)驗表明 ,即使 很小的幾何尺寸的不規(guī)則也會造成局部的嚴重磨損 ,圖 4給出了爐墻開孔處的彎管區(qū)域發(fā)生了程度不同的磨損 ,其中開孔上部的彎管磨損較輕 ,而開孔下部的彎管則磨損比較嚴重。3圖4 彎管區(qū)域發(fā)生磨損的情況示意圖5、 布風板及風帽的磨損在布風板上的風帽出口處一次風速很高 ,可達30-35/，由于磨損與風速的3次方成正比，所以設計時采用成熟的爐膛布風裝置-水冷布風板，選取適當?shù)牟硷L板阻力，使布風更均勻。采用

11、合理的風帽布置及結(jié)構(gòu)是減少布風的偏流現(xiàn)象的重要措施，本循環(huán)流化床爐采用的是水冷布風板，在其上分布有1006個材質(zhì)為ZG8Cr33Ni9N 菌狀風帽。材質(zhì)是影響耐磨性的重要因素之一，材質(zhì)為ZG4Cr26NiMn3Nre 的鐘罩風帽的耐磨性是材質(zhì)為ZG8Cr33Ni9N 菌狀風帽的1.2倍以上，且裂紋率僅為菌狀風帽的12%。另外，風帽間距的大小也會影響到風帽，間距為161mm ×45 mm的錯列風帽的耐磨性是間距為161mm ×80 mm風帽耐磨性的87%，但風帽間距不能無限的增大，流化風速和爐膛結(jié)構(gòu)制約了該值的擴大，還有煤種的不同對風帽間距的布置節(jié)距要求也不同。再有，一次風速

12、加大會使得風帽小眼風速高出設計值較多，致使相鄰風帽小孔氣流方向改變和加大相鄰風帽的頂部風速，使得帽頂磨損加劇?？梢酝ㄟ^二次風口下移并以一定角度下傾以實現(xiàn)二次風補氧作用，相應減少一次風量從而減輕風帽磨損程度。對于風帽頂部為平頂且較薄，建議采用鐘罩式風帽，以減輕風帽頂部磨損；也可以對一般磨損風帽的帽頂進行堆焊處理。五 、煤的燃燼與燃燒效率的提高飛灰中含碳量主要與循環(huán)倍率和飛灰中所含碳的活性有關(guān)，但主要還是取決于飛灰中所含碳的活性。理論上循環(huán)倍率越大，飛灰中所含碳的活性越大，飛灰含碳量就越低。但若飛灰中所含碳的活性低于給煤活性，采用高循環(huán)倍率，飛灰中含碳量不降反增。這是因為在循環(huán)流化床燃燒（900）

13、條件下，使焦碳明顯失活的時間為1030S 。對于爐膛中的較細的煤顆粒來講，由于停留時間較短，不會明顯失活，所以非活性組分來源于在爐膛中停留時間較長的大焦碳顆粒。并且由于大顆粒的溫度比爐膛溫度還要高50200，這就使反應性下降更大。4因此，即使對這部分飛灰碳增加其在爐內(nèi)停留時間，燃燼仍有難度。因此，一次燃燼度決定了機械不完全燃燒損失，這也是提高分離器效率在減少飛灰含碳量方面作用不是很明顯的癥結(jié)所在。1、 煤的種類比較循環(huán)流化床鍋爐帶負荷不是靠多送風強化燃燒來實現(xiàn) ,而是主要靠調(diào)整循環(huán)物料濃度 ,保持合適的爐膛溫度來實現(xiàn)的。循環(huán)物料濃度越高爐膛的壓差越大，爐內(nèi)傳熱系數(shù)越高，爐膛溫度也就越高。循環(huán)物

14、料濃度主要取決于煤的粒度范圍，煤的粒度范圍主要由原煤的揮發(fā)份含量和循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)倍率決定的，表1 關(guān)于煤值分析報告的數(shù)據(jù)比較 YG-130/9.8-M型循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量7%-10%、爐渣含碳量0.5%-1.2%，其熱效率為90.52%。廣東江門市粵新熱電聯(lián)供有限公司熱電廠YG-130/9.8-M設計數(shù)值為碳未燃燼熱損失為1.3% ，鍋爐熱效率為91.04%，灰與渣的比率為5.5:4.5 。通過數(shù)據(jù)對比分析可以看到廣東江門市粵新熱電聯(lián)供有限公司熱電廠的煤質(zhì)與山東臨河熱電有限責任公司的煤質(zhì)差別不是很大，其實際運行的數(shù)據(jù)對廣東江門市粵新熱電聯(lián)供有限公司熱電廠的數(shù)據(jù)分析有借鑒價值。通過山

15、東臨河熱電有限責任公司的數(shù)據(jù)可以看到Y(jié)G-130/9.8-M型循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量7%-10%、爐渣含碳量0.5%-1.2%，說明未燃燒損失主要存在于飛灰當中，這就說明高溫旋風分離器分離效率比較低，這是因為山東臨河熱電有限責任公司的循環(huán)流化床鍋爐采用的是“H ”型返料閥，因其立管料腿高度不足，密封差，造成爐內(nèi)煙氣反竄進入分離器，使循環(huán)灰不能有效送入爐內(nèi)循環(huán)燃燒。因此我們提出了采用 U 型返料器代替結(jié)構(gòu)設計不合理簡易的“H”型返料閥，該結(jié)構(gòu)的嚴格密封，合理的料 腿差壓、 送風壓力使長期安全可靠運行。 運行中靠料腿壓差信號通過調(diào)節(jié)返料風量來調(diào)整返 灰量。 2、 煤的粒度影響 燃料的粒徑對鍋爐的

16、經(jīng)濟性有著極其重要的關(guān)系， 燃料的粒徑越小 ,越有利于燃燼和提 高鍋爐熱效率 ,但同時也意味著碎煤設備和能耗的增加。 高循環(huán)倍率的循環(huán)流化床鍋爐燃用 高揮發(fā)份煤時，煤的粒徑可以大些，反之則要小些。 六、結(jié)論 1、循環(huán)流化床鍋爐的磨損是不可避免的 ,但對于鍋爐使用單位來說 ,完全可以使用一些必 要的預防手段（采用敷設澆注料、噴涂耐磨金屬層、采用水冷壁讓彎結(jié)構(gòu)和提高材質(zhì)等）來 減少甚至控制一些部位的磨損的發(fā)生 ,從而減少鍋爐的停爐次數(shù) ,提高電廠的安全經(jīng)濟效 益。 2、煤質(zhì)的成分決定了灰中含碳量的多少，同時分離器的效率和返料器的性能好壞也對提高 燃燒效率至關(guān)重要，在設備選型時應加強這方面的關(guān)注。 3、煤的顆粒度和循環(huán)倍率也會對水冷壁的磨損與煤的燃燼產(chǎn)生巨大影響，在設備選型時應 予以充分重視。 參考文獻 1 岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論設計與運行(第三版 （）.北京:中國電力出版社 , 2002 2 吳吉華等.循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管束的磨損及預防.節(jié)能技術(shù).第 23 卷,總第 133 期, 2005 年 9 月 3 趙 斌 .130T/h 循環(huán)流化床鍋爐的磨損治理.甘肅科技.第 20 卷,第 6 期 ,2004 年