循環(huán)流化床鍋爐的磨損及防磨措施

1、8 循環(huán)流化床鍋爐的磨損及防磨措施 8.1 概述 磨損是由于機械作用，間或伴有化學或電的作用，物體工作表面材料在相對運動中不斷損耗、轉移或發(fā)生殘余變形的現(xiàn)象。 按磨損機理不同，可分為粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損、氣蝕或沖蝕磨損等。在循環(huán)流化床鍋爐中，部件的磨損主要表現(xiàn)為沖蝕磨損。 沖蝕磨損沖蝕磨損：是指當流體或固體顆粒以一定的速度或角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。有兩種基本類型：沖刷磨損和撞擊磨損。 沖刷磨損，顆粒與固體表面的沖擊角較小，甚至接近平行，顆?；^固體表面時起到一種刨削作用，固體表面的磨損速率較均勻。 撞擊磨損，顆粒相當于固體表面的沖擊角較大，或接近于垂直，

2、使固體表面出現(xiàn)塑性變形或顯微裂紋，經過顆粒反復撞擊，變形層脫落導致磨損量突升，且磨損速率有隨時間增長而增長的趨勢。 通常認為，磨損問題與床內固體物料濃度、速度、顆粒特性及爐膛的幾何形狀有關。 如循環(huán)流化床的水冷壁與耐火材料分界處形成的凸臺，受到的沖擊力最大，該處的磨損是十分嚴重的。 常用磨損量、磨損率、耐磨性等特征量來表征磨損的大小及耐磨性能。 循環(huán)流化床鍋爐的主要磨損部位有承壓部件、內襯、旋風分離器和回料器等。見圖8-1所示。8.2 循環(huán)流化床鍋爐承壓部件的磨損及磨損機理 8.2.1 承壓部件的磨損 循環(huán)流化床鍋爐承壓部件主要包括水冷壁、過熱器、外置式換熱器、省煤器等。 運行實踐表明，當物料

3、流動與承壓部件管束表面方向一致，且管束表面光滑時，磨損速度較慢且均勻；當管束表面較粗糙時，磨損速度加快；當物料密度大、粒度大、硬度大時，磨損速率就大；當煙氣及物料流速高時，磨損加快；管束表面處于較高溫狀態(tài)時硬度大，耐磨性就好；管束表面與物料流動方向有夾角時，磨損速度明顯加快，而方向垂直時，磨損速度最快。8.2.1.1 爐膛水冷壁的磨損 水冷壁的磨損是循環(huán)流化床鍋爐中常見的磨損問題，也是磨損最嚴重的部位之一。（1）水冷壁與耐火材料交界處的磨損： 由于交界處氣固兩相流動發(fā)生變化，導致此區(qū)域的水冷壁磨損。 見圖8-2 采用圖8-3右圖的結構形式，使灰料的著力點不在膜式壁上，防磨損效果十分明顯。 圖8

4、-5為循環(huán)流化床鍋爐耐火材料與水冷壁過渡區(qū)域的磨損機理圖。 不規(guī)則管主要包括穿墻管、爐墻開孔處的彎管、管壁上的焊縫等，以及一些爐內測試元件，如熱電偶等。運行經驗表明，即使很小幾何尺寸的不規(guī)則也會造成局部的嚴重磨損。 圖8-6給出了爐墻開孔處彎管的磨損區(qū)域。8.2.1.2 不規(guī)則管壁的磨損 圖8-7給出了對接水冷壁焊縫的局部磨損。這類磨損現(xiàn)象在爐膛的濃相區(qū)相對較為嚴重。 對于測試用的熱電偶，為測得爐內真實的溫度而必須插入足夠的深度，也對局部的流動特性造成較大的影響，產生擾流造成鄰近水冷壁管的磨損。 另外，在一些已運行的循環(huán)流化床鍋爐中，已發(fā)現(xiàn)爐膛角落水冷壁磨損比較嚴重，這可能是由于角落區(qū)域內沿壁

5、面向下流動的固體物料濃度比較高，同時流動狀況也受到破壞所致。8.2.1.2 爐內受熱面的磨損 爐膛內屏式冀形管、屏式過熱器、水平過熱器管屏的磨損與水冷壁的磨損相似，主要處決于受熱面的具體結構和固體物料的流動物性等。 爐膛濃相區(qū)布置的埋管受熱面，與流化速度、床料特性、埋管特性、埋管溫度、埋管距布風板的高度等有關。 爐頂受熱面受高濃度、高速度飛灰顆粒的撞擊及流體流動轉彎的影響，使磨損加劇，可通過將爐頂與去旋風分離器的水平煙道拉開足夠的距離來解決。8.2.1.3 省煤器與空氣預熱器的磨損 省煤器與空氣預熱器的磨損主要發(fā)生在省煤器的兩端和預熱器的進口處。產生磨損的主要原因有： 1）分離器效率達不到設計

6、值； 2）設計上考慮不周； 3) 安裝上出現(xiàn)誤差； 4）受熱面材質不好。8.2.1.4 外置式換熱器的磨損 循環(huán)流化床鍋爐的外置式換熱器運行在鼓泡床工況，但磨損問題較鼓泡流化床鍋爐及爐內受熱面相比要輕得多，主要是由微振磨損造成的。 8.2.1 承壓部件的磨損機理 8.2.1.1 沖刷磨損 1）煙氣、物料流動方向與管束布置方向總體一致，但在某部位發(fā)生跳躍，對該部位造成快速磨損。這是由于物料流動在凹或凸部位時改變方向所致。 2）物料下落過程中某一部位因有凸臺和物料堆積而突然發(fā)生轉向時，物料在該部位將發(fā)生渦流而造成嚴重的沖刷磨損。8.2.1.2 沖擊磨損 1）物料與管束呈切向或一定角度相碰時，磨損程

7、度與物料流動方向和速度關系較大。如爐膛出口側水冷壁。 2）物料與管束垂直相碰，磨損速度是所有磨損中速度最快的。8.2.1.3 微振磨損 微振磨損主要發(fā)生在外置式換熱器中。8.3 循環(huán)流化床鍋爐內襯磨損及磨損機理 耐火材料設置的主要目的是為了防止鍋爐高溫煙氣和物料對金屬構件的高溫氧化腐蝕和磨損，并具有隔熱作用。 循環(huán)流化床鍋爐使用耐火材料的主要區(qū)域有：燃燒室、高溫分離器、外置式換熱器、煙道及物料回送器等。如圖8-8所示，圖中粗黑細線表示關鍵耐火材料襯里區(qū)域。8.3.1 內襯磨損的主要部位 8.3.1.1 燃燒室 磨損原因：由于負荷調節(jié)而經常發(fā)生的熱和溫度的循環(huán)變化，或由于調峰需求而進行啟動或停爐

8、，燃燒室內溫度的變化對耐火材料造成熱沖擊和熱應力，使耐火材料受到破壞。 爐膛部分采用75150mm的厚爐襯，通常由于過度的裂縫和擠壓剝落而引起破壞。不銹鋼纖維有助于減少裂縫。 燃燒室常用襯里材料：磷酸鹽粘合的莫來石基耐火可塑料由于具有體積穩(wěn)定及良好的耐磨性能而經久耐用，常用于修補有缺陷的區(qū)域。 爐膛上部的稀相區(qū)，常用碳化硅瓦來減少水冷壁管的磨損。在瓦的后面使用金剛砂灰漿改善管子傳熱。 在焊有銷釘?shù)墓茏由鲜褂锰蓟杌鶟沧⒘?。如床料或循環(huán)灰含堿比較高，推薦使用磷酸鹽粘合料。 8.3.1.2 旋風分離器入口及筒體 磨損原因：爐膛頂部及分離器入口段，旋風筒弧面與煙道平面相交部位是主要部位，由于煙氣發(fā)生

9、旋轉，物料方向改變，速度高且粒度粗、密度大，磨損就快。加之溫度梯度不均，過度的熱沖擊引起襯里材料的裂縫。造成耐磨材料的破壞。 旋風分離器下部錐體，由于面積縮小，物料匯集密度增大且粒度最大，加上物料下落速度快，必然造成快速磨損。 常用的耐火材料： 旋風筒采用分層分塊澆注，各層均用銷釘固定于金屬結構上。爐膛頂部及分離器入口，使用含密實且含有不銹鋼纖維的抗磨材料。 旋風分離器筒體與錐體，采用超強澆注料?；蚩赡苁褂脽崤蛎浵禂?shù)低的薄襯里。 圖8-9為旋風分離器的易磨損區(qū)域。 8.3.1.3 立管及返料器 采用密細保溫澆注料，襯里澆注料保溫層采用振動澆注法施工。 8.3.1.4 膨脹節(jié)的磨損 包括回料腿膨

10、脹節(jié)和旋風分離器進口膨脹節(jié)。當膨脹超過設計間隙或間隙內進入高溫物料時，造成膨脹節(jié)耐火材料摩擦或受力擠壓而損壞，甚至燒壞金屬物件。8.3.2 內襯磨損的機理 8.3.2.1 熱應力和熱沖擊造成的破壞 這是耐火材料破壞的第一原因。溫度循環(huán)波動時，由于耐火材料骨料和粘合料間熱膨脹系數(shù)不同而形成內應力從而破壞耐火材料層。溫度快速變化造成的熱沖擊可使耐火材料內的應力超過抗拉強度而剝落。機械應力造成的耐火材料的破壞則主要是由于耐火材料與穿過耐火材料內襯金屬件間熱膨脹系數(shù)不同造成的。 8.3.2.2 固體物料的沖刷造成的破壞 固體物料對耐火材料的沖刷造成耐火材料的磨損，是耐火材料破壞的第二個原因。一般地，耐

11、火材料磨損隨沖擊角的增大而增加。 8.3.2.3 耐火材料性質的變化造成的破壞 如因堿金屬的滲透而造成耐火材料漸衰失敗和滲碳而造成的耐火材料的變質破壞等，均屬耐火材料性質變化而引起的破壞。8.3.3 對內襯材料的性能要求 （1）內循環(huán)渦流型湍流床內襯，要求高耐磨、耐高溫、抗沖刷； （2）高溫外循環(huán)分離器入口段內襯，要求高耐磨、高耐溫； （3）中、高溫外循環(huán)分離器入口，要求高耐磨、高耐溫； （4）中、高溫外循環(huán)分離器筒體，要求高耐熱、保溫、熱惰性?。?（5）點火燃燒室煙道，要求耐熱； （6）懸浮室要求耐熱、耐磨、熱惰性?。?影響內襯材料耐磨性能最直接的因素是抗壓強度?？箟簭姸雀哂?0MPa時，磨

12、損量較低；高于120 MPa時，磨損量可確保低于12cm3 ；高于140 MPa時，磨損量低于4 cm3； 一般磨損部位，其材料的冷態(tài)抗壓強度達到80 MPa就足夠了；嚴重磨損部位，其抗壓強度最好能達到140 MPa左右，磨損量可低于4 cm3；對于耐磨澆注料，強度應選得更高些。 湍流床部位，內襯材料應有高耐磨、耐溫及抗折耐壓性，導熱系數(shù)低、容重?。蝗鏢iC、黑體硅酸鋯。 外循環(huán)流化床鍋爐分離器入口處為易磨損區(qū)，應選耐磨材料；分離器筒體部分內襯要耐高溫。8.3.4 內襯材料的實際應用 8.3.4.1 內襯材料的選擇 要從材料的物化性質著手，兼顧經濟性。一般采用幾種不同材料進行分層敷設。 內襯材

13、料有定型制品與不定型制品。定型制品以預制品和磚為主。不定型制品有噴涂料、耐磨耐火可塑料、耐磨耐火搗打料、耐磨耐火澆注料等。 8.3.4.2 內襯材料的結構設計 循環(huán)流化床鍋爐中主要采用的三種型式的襯里設計：水冷壁襯里、薄的或厚的非水冷壁襯里。水冷壁襯里主要敷設在爐膛和高溫旋風分離器區(qū)域。 薄襯里較厚襯里更經得起快速熱沖擊。薄襯里的厚度一般為150mm，通常分兩層，即致密的工作層和保溫層。 厚襯里分二或三層，總厚度為300400mm。最里面是一層致密的耐熱工作表面，打底的保溫材料可減少熱損失，提高整臺機組效率。 8.3.4.3 常用耐火材料的特性 常用的耐磨耐火材料品種有：磷酸鹽磚和澆注料、硅線

14、石磚和澆注料、碳化硅磚和澆注料、剛玉磚和澆注料等8.4 影響循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損的主要因素8.4.1 物料總體循環(huán)形式的影響 在循環(huán)流化床鍋爐中，受熱面的磨損與流經其表面的固體物料運行形式密切相關。爐內物料總體循環(huán)形式由鍋爐系統(tǒng)的幾何形狀和各種射流方式所決定，這些射流包括布風板送入的一次風、爐膛中部送入的二次風和三次風、燃料給入方式、石灰石給入方式以及循環(huán)物料流等。圖8-12 常見循環(huán)流化床鍋 爐爐內總體氣固流動形式圖8-13 單側回料循環(huán)流化床 循環(huán)物料的總體流動形式 圖8-14給出了受熱面溫度對磨損的影響。由圖可知，循環(huán)流化床鍋爐受熱面的壁溫與磨損在管壁溫度接近400 一個很窄的范圍內

15、發(fā)生突變。8.4.2 運行參數(shù)的影響 8.4.2.1 床溫的影響 循環(huán)流化床鍋爐床溫的雖不影響飛灰本身的磨損性能，溫度的變化會影響到管壁金屬材料的機械強度。金屬壁面的耐磨性與壁面形成氧化膜的厚度及其硬度有密切關系。溫度磨損速率圖8-14 受熱面溫度對磨損的影響8.4.2.2 氣流湍流強度的影響 有人用數(shù)值模擬方法得出，隨著湍流強度的增加，壁面的磨損量減少。而在工程實際計算中未加考慮。 8.4.2.3 煙氣速度的影響 磨損量隨煙氣速度的n次方增長（n3.34.0）8.4.3 燃料特性的影響 奧斯龍公司總結其運行經驗，將循環(huán)流化床燃用的不同燃料情況分為五類：1）無磨損燃料：運行中不產生可視和可測的

16、磨損2）低磨損燃料：受熱面防磨保護元件的局部維護不少于2年3）中等磨損燃料：受熱面防磨保護元件的局部維護不少于1年4）高磨損燃料：受熱面防磨保護元件必須每年進行維護和更換5）嚴重磨損燃料：受熱面防磨保護元件甚至受熱面本身的維護 周期少于12個月8.4.4 床料特性的影響8.4.4.1 床料粒徑的影響 床料粒徑小時，受熱面所受沖蝕磨損小。隨粒徑的增大，磨損量隨之增加。達到一臨界值后，變化便十分緩慢。 圖8-15 給出了沖蝕磨損時磨損量和顆粒直徑的數(shù)值試驗結果。8.4.4.2 顆粒形狀的影響 一般認為，帶有棱角的顆粒比近似球形的顆粒更具有磨損性。8.4.4.3 床料硬度的影響 顆粒硬度對磨損的影響

17、一般趨勢如圖8-16所示。8.4.4.4 顆粒成分的影響 實驗研究表明，含Si和Al成分比較高的床料比含Ca和S成分較高的床料對受熱面的磨損性更強一些。8.4.5 受熱面特性的影響 8.4.5.1 受熱面材質的影響 材料硬度：被磨材料的磨損不僅與顆粒的硬度Hp有關，更主要的還與被磨材料的硬度Hd和顆粒的硬度Hp之間的比值有關。 熱物理性能：試驗表明，材料抗沖蝕能力與熔點有關。 8.4.5.2 受熱面結構布置的影響 管束結構：順排與錯排。根據(jù)運行經驗，橫埋管宜用順列結構。管束的橫向節(jié)距和縱向節(jié)距對管束磨損影響也較大。橫向節(jié)距增大有利于減輕管束底部一、二排管的磨損，但帶來頂排管磨損速率變大?？v向節(jié)

18、距對底排管磨損影響很小。 管束布置： 底排管距風帽小孔的距離L和管子的安裝傾角是兩個關鍵參數(shù)。隨著L的增加，磨損顯著加快。 對管束而言，距離L的變化對底排管磨損的影響最大。在距離L較低和橫向節(jié)距不太小時，往往導致第二排或第三排管件的磨損最為嚴重。 管束的安裝傾角在3060度的范圍內，傾角越大，磨損越明顯。 8.5 循環(huán)流化床鍋爐的防磨技術和措施 8.5.1 材料防磨 材料防磨主要指選擇合適于流化床鍋爐使用的防磨金屬和非金屬材料、噴涂料，或采用金屬表面滲氮處理的材料進行防磨。 1) 選擇適合于循環(huán)流化床鍋爐使用的金屬材料防磨 2) 選擇適合于循環(huán)流化床鍋爐的耐火材料防磨 3) 采用金屬表面熱噴涂技術防磨 4) 其它表面防磨處理技術防磨 8.5.2 結構防磨 1) 防磨鰭片 鰭片的作用：一是阻礙氣泡與埋管表面直接接觸，減輕氣泡尾渦粒子對表面的沖擊；二是隔斷了顆粒沿表面的滑動，減弱埋管表面顆粒流化強度。 循環(huán)流化床采用的鰭片形式見圖8-17、圖8-18 由于埋管彎頭部分磨損很明顯，可采用圖8-19所示的