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(jī)械作用，間或伴有化學(xué)或電的作用，物體工作表面材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中不斷損耗、轉(zhuǎn)移或發(fā)生殘余變形的現(xiàn)象。 按磨損機(jī)理不同，可分為粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)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(dāng)流體或固體顆粒以一定的速度或角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。有兩種基本類(lèi)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?；^(guò)固體表面時(shí)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(dāng)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(jīng)過(guò)顆粒反復(fù)撞擊，變形層脫落導(dǎo)致磨損量突升，且磨損速率有隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 通常認(rèn)為，磨損問(wèn)題與床內(nèi)固體物料濃度、速度、顆粒特性及爐膛的幾何形狀有關(guān)。 如循環(huán)流化床的水冷壁與耐火材料分界處形成的凸臺(tái)，受到的沖擊力最大，該處的磨損是十分嚴(yán)重的。 常用磨損量、磨損率、耐磨性等特征量來(lái)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(nèi)襯、旋風(fēng)分離器和回料器等。見(jiàn)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(jī)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(guò)熱器、外置式換熱器、省煤器等。 運(yùn)行實(shí)踐表明，當(dāng)物料

3、流動(dòng)與承壓部件管束表面方向一致，且管束表面光滑時(shí)，磨損速度較慢且均勻；當(dāng)管束表面較粗糙時(shí)，磨損速度加快；當(dāng)物料密度大、粒度大、硬度大時(shí)，磨損速率就大；當(dāng)煙氣及物料流速高時(shí)，磨損加快；管束表面處于較高溫狀態(tài)時(shí)硬度大，耐磨性就好；管束表面與物料流動(dòng)方向有夾角時(shí)，磨損速度明顯加快，而方向垂直時(shí)，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(jiàn)的磨損問(wèn)題，也是磨損最嚴(yán)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(dòng)發(fā)生變化，導(dǎo)致此區(qū)域的水冷壁磨損。 見(jiàn)圖8-2 采用圖8-3右圖的結(jié)構(gòu)形式，使灰料的著力點(diǎn)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(guò)渡區(qū)域的磨損機(jī)理圖。 不規(guī)則管主要包括穿墻管、爐墻開(kāi)孔處的彎管、管壁上的焊縫等，以及一些爐內(nèi)測(cè)試元件，如熱電偶等。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，即使很小幾何尺寸的不規(guī)則也會(huì)造成局部的嚴(yán)重磨損。 圖8-6給出了爐墻開(kāi)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(duì)接水冷壁焊縫的局部磨損。這類(lèi)磨損現(xiàn)象在爐膛的濃相區(qū)相對(duì)較為嚴(yán)重。 對(duì)于測(cè)試用的熱電偶，為測(cè)得爐內(nèi)真實(shí)的溫度而必須插入足夠的深度，也對(duì)局部的流動(dòng)特性造成較大的影響，產(chǎn)生擾流造成鄰近水冷壁管的磨損。 另外，在一些已運(yùn)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(yán)重，這可能是由于角落區(qū)域內(nèi)沿壁

5、面向下流動(dòng)的固體物料濃度比較高，同時(shí)流動(dòng)狀況也受到破壞所致。8.2.1.2 爐內(nèi)受熱面的磨損 爐膛內(nèi)屏式冀形管、屏式過(guò)熱器、水平過(guò)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(jié)構(gòu)和固體物料的流動(dòng)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(fēng)板的高度等有關(guān)。 爐頂受熱面受高濃度、高速度飛灰顆粒的撞擊及流體流動(dòng)轉(zhuǎn)彎的影響，使磨損加劇，可通過(guò)將爐頂與去旋風(fēng)分離器的水平煙道拉開(kāi)足夠的距離來(lái)解決。8.2.1.3 省煤器與空氣預(yù)熱器的磨損 省煤器與空氣預(yù)熱器的磨損主要發(fā)生在省煤器的兩端和預(yù)熱器的進(jìn)口處。產(chǎn)生磨損的主要原因有： 1）分離器效率達(dá)不到設(shè)計(jì)

6、值； 2）設(shè)計(jì)上考慮不周； 3) 安裝上出現(xiàn)誤差； 4）受熱面材質(zhì)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(yùn)行在鼓泡床工況，但磨損問(wèn)題較鼓泡流化床鍋爐及爐內(nèi)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(jī)理 8.2.1.1 沖刷磨損 1）煙氣、物料流動(dòng)方向與管束布置方向總體一致，但在某部位發(fā)生跳躍，對(duì)該部位造成快速磨損。這是由于物料流動(dòng)在凹或凸部位時(shí)改變方向所致。 2）物料下落過(guò)程中某一部位因有凸臺(tái)和物料堆積而突然發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，物料在該部位將發(fā)生渦流而造成嚴(yán)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(shí)，磨損程

7、度與物料流動(dòng)方向和速度關(guān)系較大。如爐膛出口側(cè)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(nèi)襯磨損及磨損機(jī)理 耐火材料設(shè)置的主要目的是為了防止鍋爐高溫?zé)煔夂臀锪蠈?duì)金屬構(gòu)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(xì)線表示關(guān)鍵耐火材料襯里區(qū)域。8.3.1 內(nèi)襯磨損的主要部位 8.3.1.1 燃燒室 磨損原因：由于負(fù)荷調(diào)節(jié)而經(jīng)常發(fā)生的熱和溫度的循環(huán)變化，或由于調(diào)峰需求而進(jìn)行啟動(dòng)或停爐

8、，燃燒室內(nèi)溫度的變化對(duì)耐火材料造成熱沖擊和熱應(yīng)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(guò)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(lái)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(jīng)久耐用，常用于修補(bǔ)有缺陷的區(qū)域。 爐膛上部的稀相區(qū)，常用碳化硅瓦來(lái)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(xiāo)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(fēng)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(fēng)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(zhuǎn)，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(guò)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(fēng)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(fēng)筒采用分層分塊澆注，各層均用銷(xiāo)釘固定于金屬結(jié)構(gòu)上。爐膛頂部及分離器入口，使用含密實(shí)且含有不銹鋼纖維的抗磨材料。 旋風(fēng)分離器筒體與錐體，采用超強(qiáng)澆注料?；蚩赡苁褂脽崤蛎浵禂?shù)低的薄襯里。 圖8-9為旋風(fēng)分離器的易磨損區(qū)域。 8.3.1.3 立管及返料器 采用密細(xì)保溫澆注料，襯里澆注料保溫層采用振動(dòng)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(fēng)分離器進(jìn)口膨脹節(jié)。當(dāng)膨脹超過(guò)設(shè)計(jì)間隙或間隙內(nèi)進(jìn)入高溫物料時(shí)，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(nèi)襯磨損的機(jī)理 8.3.2.1 熱應(yīng)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(dòng)時(shí)，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(nèi)應(yīng)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(nèi)的應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度而剝落。機(jī)械應(yīng)力造成的耐火材料的破壞則主要是由于耐火材料與穿過(guò)耐火材料內(nèi)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(duì)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(gè)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(zhì)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(zhì)破壞等，均屬耐火材料性質(zhì)變化而引起的破壞。8.3.3 對(duì)內(nèi)襯材料的性能要求 （1）內(nèi)循環(huán)渦流型湍流床內(nèi)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(nèi)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(diǎn)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(nèi)襯材料耐磨性能最直接的因素是抗壓強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度高于80MPa時(shí)，磨

12、損量較低；高于120 MPa時(shí)，磨損量可確保低于12cm3 ；高于140 MPa時(shí)，磨損量低于4 cm3； 一般磨損部位，其材料的冷態(tài)抗壓強(qiáng)度達(dá)到80 MPa就足夠了；嚴(yán)重磨損部位，其抗壓強(qiáng)度最好能達(dá)到140 MPa左右，磨損量可低于4 cm3；對(duì)于耐磨澆注料，強(qiáng)度應(yīng)選得更高些。 湍流床部位，內(nèi)襯材料應(yīng)有高耐磨、耐溫及抗折耐壓性，導(dǎo)熱系數(shù)低、容重小；如SiC、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(yīng)選耐磨材料；分離器筒體部分內(nèi)襯要耐高溫。8.3.4 內(nèi)襯材料的實(shí)際應(yīng)用 8.3.4.1 內(nèi)襯材料的選擇 要從材料的物化性質(zhì)著手，兼顧經(jīng)濟(jì)性。一般采用幾種不同材料進(jìn)行分層敷設(shè)。 內(nèi)襯材

13、料有定型制品與不定型制品。定型制品以預(yù)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(nèi)襯材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 循環(huán)流化床鍋爐中主要采用的三種型式的襯里設(shè)計(jì)：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(shè)在爐膛和高溫旋風(fēng)分離器區(qū)域。 薄襯里較厚襯里更經(jīng)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(tái)機(jī)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(jīng)其表面的固體物料運(yùn)行形式密切相關(guān)。爐內(nèi)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(fēng)板送入的一次風(fēng)、爐膛中部送入的二次風(fēng)和三次風(fēng)、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(jiàn)循環(huán)流化床鍋 爐爐內(nèi)總體氣固流動(dòng)形式圖8-13 單側(cè)回料循環(huán)流化床 循環(huán)物料的總體流動(dòng)形式 圖8-14給出了受熱面溫度對(duì)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(gè)很窄的范圍內(nèi)

15、發(fā)生突變。8.4.2 運(yùn)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(huì)影響到管壁金屬材料的機(jī)械強(qiáng)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(guān)系。溫度磨損速率圖8-14 受熱面溫度對(duì)磨損的影響8.4.2.2 氣流湍流強(qiáng)度的影響 有人用數(shù)值模擬方法得出，隨著湍流強(qiáng)度的增加，壁面的磨損量減少。而在工程實(shí)際計(jì)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(zhǎng)（n3.34.0）8.4.3 燃料特性的影響 奧斯龍公司總結(jié)其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將循環(huán)流化床燃用的不同燃料情況分為五類(lèi)：1）無(wú)磨損燃料：運(yùn)行中不產(chǎn)生可視和可測(cè)的

16、磨損2）低磨損燃料：受熱面防磨保護(hù)元件的局部維護(hù)不少于2年3）中等磨損燃料：受熱面防磨保護(hù)元件的局部維護(hù)不少于1年4）高磨損燃料：受熱面防磨保護(hù)元件必須每年進(jìn)行維護(hù)和更換5）嚴(yán)重磨損燃料：受熱面防磨保護(hù)元件甚至受熱面本身的維護(hù) 周期少于12個(gè)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(shí)，受熱面所受沖蝕磨損小。隨粒徑的增大，磨損量隨之增加。達(dá)到一臨界值后，變化便十分緩慢。 圖8-15 給出了沖蝕磨損時(shí)磨損量和顆粒直徑的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果。8.4.4.2 顆粒形狀的影響 一般認(rèn)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(duì)磨損的影響

17、一般趨勢(shì)如圖8-16所示。8.4.4.4 顆粒成分的影響 實(shí)驗(yàn)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(duì)受熱面的磨損性更強(qiáng)一些。8.4.5 受熱面特性的影響 8.4.5.1 受熱面材質(zhì)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(guān)，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(guān)。 熱物理性能：試驗(yàn)表明，材料抗沖蝕能力與熔點(diǎn)有關(guān)。 8.4.5.2 受熱面結(jié)構(gòu)布置的影響 管束結(jié)構(gòu)：順排與錯(cuò)排。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，橫埋管宜用順列結(jié)構(gòu)。管束的橫向節(jié)距和縱向節(jié)距對(duì)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(lái)頂排管磨損速率變大?？v向節(jié)

18、距對(duì)底排管磨損影響很小。 管束布置： 底排管距風(fēng)帽小孔的距離L和管子的安裝傾角是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。隨著L的增加，磨損顯著加快。 對(duì)管束而言，距離L的變化對(duì)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(shí)，往往導(dǎo)致第二排或第三排管件的磨損最為嚴(yán)重。 管束的安裝傾角在3060度的范圍內(nèi)，傾角越大，磨損越明顯。 8.5 循環(huán)流化床鍋爐的防磨技術(shù)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(jìn)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(shù)防磨 4) 其它表面防磨處理技術(shù)防磨 8.5.2 結(jié)構(gòu)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(duì)表面的沖擊；二是隔斷了顆粒沿表面的滑動(dòng)，減弱埋管表面顆粒流化強(qiáng)度。 循環(huán)流化床采用的鰭片形式見(jiàn)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