循环流化床锅炉水冷壁管防磨效果研究.pdf

1 1 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 循环流化床锅炉水冷壁管防磨效果研究 剃泽坤，吴树辉，黄料峰，叶袜，史一岭，尹嵩 苏州热工研究院有限公司，苏州，2 1 5 0 0 4 攘要奔缀了循嚣涟琵凑链妒零冷壁易密搂逸域泼及磨攫静撬攥。对害震零冷鏊耱瘗蘩莲 包话越巍速 电弧喷涂，覆盖耐火耐蘑浇筑瓣，采用防磨护嚣，调整运行参数等 进行了跑较。 关键词水冷壁；磨损；防磨措施 中图分类碍T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 l S o 0 1 1 6 - - 0 4 S t u d yo nA n t i W e a r i n gE f f e c to fC i r c u l a t i n gF l u i d i z e dB e dB o i l e r L I UZ e - k u n ，W US h u - h u i ，H U A N GK e - f e n g ，Y EL i n ，S H IY i ～l i n ，Y I NS o n g S u z h o uN u c l e a rP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t eC o ．，L t d ，S u z h o u2 1 5 0 0 4 。C h i n a A b s t r a c t T h ee a s yw o r no u tr e g i o no fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e ra n dt h em e c h a n i s mo fw e a r - o u tarei n - t r o d u c e d ．Ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h ew a l lo fc o m m o n l yu s e da n t i w e a rm e a s u r e s i n c l u d i n gs u p e r s o n i ca r c s p r a y i n g ，c o v e r i n gf i r ef o rw e a r r e s i s t a n tp o u r i n ge x p e c t e d ，t h eu s eo fa n t i w e a rf o rW a t t s ，a d ju s t e do p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，e t c ． h a db e e ns t u d i e d ． K e y w o r d s W a t e r - c o o l i n gw a l l ；C o r r o s i o n ；A n t i w e a rm e a s u r e s 由于近段时间发电用煤的供求关系导致的煤价 上涨，使得各热电厂的燃煤质量下降，电厂有时不得 不使用指标劣予锅炉设计规定的燃煤，这就使褥德 嚣流化床锅炉 C F B 豹蘑损蘑题进一步魏尉，瑟翦 所燃烧的劣质煤含灰量高，飞灰粒子尺寸又大，分离 器对煤灰分离并循环燃烧，使得烟气中飞灰浓度很 菇，出现了飞灰粒子对炉内受热蕊及内衬的碰撼和 i 搴镶瘗损阕题。承冷壁等受热蘑的褰温磨损减薄阕 题非常严重，蘑损爆管事敌严重威胁着C F B 锅炉豹 安全运行。因此，有时单一的防磨措施往往不能达 到更好的防磨效果，因此在针对每台不同型号的循 环流纯床锅炉时，针对不同的磨损区域，采惩不阏鳇 秘磨措施，局部笏磨损区域涛多项防磨措蓬结会起 来以达到最佳的防磨效果。 1 水冷壁磨损类型分析 1 ．1 妒膛下部密捆区防磨掰灸浇注辩过渡区域磨 掇 作者简介刘泽坤 1 9 8 4 一 男，湖南人，助理工程师。工学学士． 水冷壁管与炉膛下部密相区防磨耐火浇注料过 渡区域发生磨损的主要原因是沿炉膛壁面下流的固 体物料猩交界区域产生流动方向的改变，因面对水 冷壁管产生} 誊霉l j 。另一个原因是过渡酝域内麦子沿 壁面下流的固体物料与炉内向上运动的阉体物料的 运行方向相反，因而在局部产生涡流，这个因素导致 的磨损存在于整个炉膛内，在一般区域的作用并不 显著，只是在炉艟煮落熬域会产生较显著戆瘗损，其 原因是角落区域内沿壁断向下流动的弱体物料浓度 比较高，受到扰动后对水冷壁炉管的冲刷作用更强； 另外，这类磨损的速率会随着炉膛高度的增加而减 小，既越接近密檀区酶承冷壁，瘗损会越严重。承冷 壁不规英| { 管壁区域的磨攒原因也主要是第一个。 1 ．2 炉膛四角区域磨搅 磨损主要集中在炉臆下部未燃带与水冷壁管交 界处，以及炉膛四角；其原因是颗粒浓度廉中心到边 壁憝逐渐增黧，蘧着辘融高度懿增蕊，鬏粒浓度呈现 逐渐减小的趋势。这与气流的分布特性有关，中心 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 1 1 7 区域的高速度气流使得其携带的颗粒速度较大，同 时由于气流速度较大，使得一部分颗粒被吹散，沿径 向方向向两侧的边壁附近移动。而边壁处的低气流 速度使得颗粒速度较小n ] 。同时由于边壁的摩擦以 及颗粒直接的相互作用使得颗粒能够更多的聚集在 一起，加上由中心区域沿径向向边壁移动的颗粒，使 得边壁处的颗粒浓度较大。 1 ．3 不规则区域管壁的磨损 在水冷壁安装过程中，未能将焊在水冷壁鳍片 上的支吊点清除干净，未清除的支吊点相邻两侧水 冷壁管将发生冲刷磨损，严重时可在短时间内 一个 星期 导致爆管。其原因是炉膛内部有大量的物料 在进行内循环，当大量物料沿着水冷壁进行不断的 内循环时候，沿鳍片沟流下的物料量往往大于沿水 冷壁管外弧面流下的物料。鳍片与水冷壁所形成的 凹槽好似水渠，如果“水渠”被堵塞，“水”便从两侧溢 出。同样道理，如果鳍片内被浇筑料、焊瘤等堵塞， 物料就向一侧或两侧流出，从而对水冷壁管进行冲 刷。这样的冲刷速度是非常快的。 同时在水冷壁更换的过程中，未能将水冷壁上 的焊缝做圆滑处理，存在严重的错口，形成了微型台 阶。事实证明，在水冷壁管外弧面大量物料下流过 程中所遇上台阶，就似一拦隔坝，流体物料反复在这 一位置做重复冲刷磨损，将会使台阶落差与水冷壁 外弧面近一步加大，由于下流物料在水冷壁外弧面 两侧流速大于弧顶流速，这就会形成物料的旁流通 道，在这样的通道作用下，将很容易造成附近水冷壁 管的临侧面发生爆管。 2水冷壁管的防磨措施 针对以上水冷壁磨损情况，我们结合实际条件 可以采用相应的防磨措施来减小磨损量。首先，可 以采用超音速电弧喷涂技术在易磨损区域制备耐磨 涂层，对管材实施保护。工艺设计合理，选材适当， 涂层与锅炉管的结合强度均能控制在4 0M P a 以 上，涂层的硬度也能达到为4 0 H R C 维氏硬度 1 0 0 0 以上，其热膨胀系数与炉管材料接近，这保证 了涂层在运行过程中或频繁启停后不会脱落。因此 针对水冷壁每年的常规磨损量而言，超音速电弧喷 涂耐磨涂层能起到一个很好的防磨保护，以水冷壁 的年平均磨损量L0m m 为基准，耐磨涂层可提供 损耗性防磨损保护2 年，既2 年内水冷壁基材不受 磨损。 其次，可以采用耐火耐磨浇筑料对管材实施保 护。由于耐磨可塑料是由高铝矾石熟料、刚玉和碳 化硅等耐磨原料为骨料，以铝酸盐水泥为粘结剂，外 掺若干添加剂配制而成的，高温下耐磨性能优良，因 此将密相区磨损严重区域覆盖浇筑料也能起到防磨 效果。但是，由于浇筑料的热传导性能较差，在保证 水冷壁热交换率不受影响的条件下，耐火耐磨浇筑 料不利于大范围使用。 再次，可以在易磨处采用厚壁管，铺设防磨护 瓦，或者安装防磨梁。采用厚壁管的原理也于上述 两种方案相同，既提供损耗性防磨保护。但采用此 法会带来内径变小、水阻增大的缺点，所以一般不宜 对整组管器使用厚壁管，但是在锅炉密相区四角磨 损特别严重的区域加大管材壁厚还是可以起到一定 防磨效果。 采用防磨护瓦，其原理是相当于提供了一个磨 损替代体。一般用来提供在引风面水冷壁的防磨保 护，使用防磨瓦时，其厚度不宜超过规定尺寸，要求 内表面光洁，接触严密不易窜人飞灰，防止防磨瓦厚 度过大，改变烟气走向，对其他部位磨损过大。采用 防磨梁进行防磨保护，是利用人造台阶，改变物料流 向，从而保护防磨梁以下部水冷壁管不受磨损，同时 防磨梁上由飞灰所形成的软着陆环境，能有效吸收 物料的冲击能量，减少水冷壁的磨损。 最后，可以采用调整运行参数的方式达到减小 磨损的效果。由于磨损量与烟气浓度、烟气流速、颗 粒的直径大小，床料的高度有关。当颗粒很小时，材 料所受的冲蚀磨损很小，随着颗粒直径的增大，灰粒 质量随之增加，撞击动量也随着增大，磨损量随之增 加。当颗粒直径达到某一临界值后，磨损量几乎不 变或者变化十分缓慢。对于这种现象，一般认为，在 相同的颗粒浓度下，颗粒直径越大，单位体积内颗粒 数就越少，虽然大颗粒冲击管壁的磨损能力较大，但 由于冲击到壁面的总的颗粒数降低，故材料的磨损 量仍变化不大[ 2 ] 。另外，由于磨损量与烟气速度成 3 次方的关系，既烟气速度的提高，会导致冲蚀磨损 迅速加剧。因此，调整运行参数可以达到减小磨损 的效果。 3水冷壁管的防磨措施效果分析 在实际运行中，针对水冷壁与炉膛下部密相区 防磨耐火浇注料过渡区域发生的磨损，一般采用超 音速电弧喷涂进行防磨处理，同时辅助以让管技术， 如果过渡区磨损特别严重时也可考虑利用防磨梁来 转移易磨损区域，从而达到减少磨损的效果。南京 万方数据 1 1 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 某电厂1 ～2 0 炉在密相区浇筑料上一米处使用防 磨梁对下部水冷壁进行防磨保护，在锅炉型号相同， 使用的燃煤一样，运行参数一致的情况下，2 。炉防 磨梁在使用了2 个月的情况下，发现在与防磨梁的 连接处的水冷壁外侧磨损量偏大，局部磨损以1m m 厚度为标准，平均磨损量为0 ．6 5m m ，最大磨损量 甚至达到1 ．0m m ，而1 8 炉在运行一年后经检查并 没有这种情况的出现。经分析，这是由于防磨梁制 作工艺的差别所导致，两台炉所采用的防磨梁在角 度上和宽度规格上都有一定的差异，这也导致了不 同的磨损效果。针对这种情况，电厂决定采用超音 速电弧喷涂技术对2 8 炉防磨梁以上区域水冷壁管 进行防磨保护，利用涂层的高硬度提供损耗性防护， 在0 ．8m m 厚超音速电弧喷涂涂层的保护下，以该 部位既定的磨损量不变的情况下，根据磨损量损减 计算，涂层可以提供对基材的有效保护时间为8 个 月。 因此绝大多数电厂在此部位采用的都是超音速 电弧喷涂技术进行防磨处理，一般使超音速电弧喷 涂涂层超过密相区，同时在涂层结束处制作1 0c m 的涂层过渡区，使得具有一定厚度的涂层与水冷壁 形成平滑过渡，从而达到消除台阶的目的。嘉兴某 电厂1 0 、2 。、3 02 2 0t ／h 锅炉在密相区均采用了超 音速电弧喷涂防磨处理，经过2 年运行发现涂层的 磨损量为0 ．5 ～O ．6m m 。即喷涂0 ．8m m 厚度的 超音速电弧喷涂涂层可以使水冷壁基材不被磨损。 在今年节能减排的大环境下，该电厂3 。炉超负荷运 行6 个月，停炉检查后发现，超音速电弧喷涂涂层的 磨损量加大到每年0 ．7m m 厚度，既超负荷运行一 年时间后，涂层基本完好仍能有效的保护水冷壁基 材不受磨损。 针对炉膛四角区域磨损，由于物料内循环沿内 壁表面向下流动的固体物料浓度比较高，一般采用 浇筑料进行覆盖，但实际磨损情况表明在覆盖浇筑 料与水冷壁管的交界处边缘处的磨损会较大，因此 对于此种状况，一般可以采用先用超音速喷涂进行 处理后，再覆盖浇筑料。在安装浇筑料时，膨胀缝的 切割深度一定要控制好，不要切在管壁上，否则会引 起烘炉时膨胀缝裂开漏出受热面管，运行时床料或 飞灰极易磨损管子。对于磨损特别严重的炉管必要 时也可采用厚壁管进行防磨处理，如扬州某电厂4 8 1 3 0t ／h 循环流化床锅炉的东南角高为1 ．5m 的4 根水冷壁磨损特别严重，因此采用了厚壁管并加以 超音速电弧喷涂技术加以处理后，平均每6 个月停 炉进行一次打磨平滑处理，至目前止已良好运行1 5 个月。 针对不规则区域管壁的磨损，由于沿壁面下流 的高温灰在下流的过程中，碰到水冷壁管的台阶处， 如吊点、筋板的凸凹等处，物料的流动方向发生了改 变，不再与水冷壁表面平行，从而对临近水冷壁产生 冲蚀磨损，这类磨损量非常大，可以在短时间内磨穿 炉管。因此，水冷壁管的更换对接时，产生的焊缝要 经过打磨处理，尽量避免水冷壁管台阶的出现。同 时采用超音速电弧喷涂进行防磨处理，江苏某电厂 2 、3 8 、4 82 2 0t ／h 循环流化床锅炉均在焊缝处喷 涂了上下各5 0m m 的涂层，经过2 年时间后检查发 现，平均磨损量为0 ．2 5m m ，焊缝处的涂层起到了 良好的防磨效果。 另外在炉膛出口处的水冷壁的磨损，可以采用 超音速电弧喷涂及安装防磨瓦进行防护。如神东某 电厂3 4 炉就是在炉膛出口磨损严重的左侧壁采用 防磨护瓦进行防护，在运行一段时间后，防磨护瓦下 部与水冷壁管交界处水冷壁管出现了较大程度的磨 损，与同水平线未采用防磨护瓦的水冷壁相比，要多 出0 ．7 ～O ．8m m 磨损量。而相比同等部位采用的 超音速喷涂后的水冷壁平均磨损量为0 ．2 5m m 。 这种情况的出现是由于采用防磨护瓦变相的导致了 水冷壁上台阶的出现，从而使得台阶处的磨损量变 大。而采用超音速电弧喷涂涂层则很好的起到了保 护作用，这是因为超音速电弧喷涂时通过采用喷涂 过渡区达到涂层与管壁有平滑过渡的效果，从而达 到消除台阶的目的。 在使用调整运行参数达到减小磨损的效果时， 一般从以下几个方面进行调整。 1 降低烟气浓度运行调整要根据不同负荷、 不同煤质，在保证适当飞灰可燃物的同时，保持合适 的过剩空气系数，另外还要防止局部烟气浓度过大， 这就要求合理的配风[ 3 ] 。 2 适当控制烟气流速烟气流速与锅炉负荷有 关，与流化风量和二次风量配比有关，在能满足床料 良好流化的情况下，流化风量不易保持过大，燃烧过 程所需的氧量应该由二次风补充，由于在二次风的 作用下可适当降低密相区的高度，适当的延长燃煤 颗粒在炉内的停留时间也就减小了对水冷壁的磨 损。 3 灰粒的物理特性造成对水冷壁磨损的大小 取决于燃煤颗粒大小的配比，循环流化床锅炉中，上 升烟气到一定高度沿四壁回流的煤粒与灰粒混合形 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 1 1 9 成二次磨损，因此燃煤颗粒细面越多，燃烧越充分， 烟气携带能力越强，从而使烟气浓度变小，减少磨损 量。 4 床料的高度床料越高所需的流化风量越 大，密相区的高度越高，在能够保持床温的情况下， 床料应该保持较低的位置，也就是适当降低了密相 区的高度，让密相区尽可能在耐磨可塑料范围内，以 达到减轻水冷壁磨损的效果[ 2 ] 。 因此，调整运行参数，使一次风量达到可以使颗 粒趋于临界值，并在保证正常运行需要的前提下，降 低一次风量。在运行中尽可能地采用较低的过量空 气系数，尽量避免炉墙漏风和炉内过大的负压运行， 以避免增大尾部烟气流速。从而起到减小管壁磨损 量的效果。 综上所述，如果按照耐磨能力，则耐火耐磨浇筑 料 防磨护瓦 热喷涂耐磨涂层 厚壁管；如果按 照不损失热交换率，则热喷涂耐磨涂层 厚壁管 防磨护瓦 耐火耐磨浇筑料；如果按照可使用面积， 则热喷涂耐磨涂层 耐火耐磨浇筑料 防磨护瓦 厚壁管。 4结论 针对循环流化床锅炉的运行机理及长期的跟踪 检测，锅炉的磨损集中体现在水冷壁管上，其中密相 区的磨损率相对较大，管材损耗率最高处发生在锅 炉四角。因此，在保证热传导率的基础上，进行密相 区及焊缝处的超音速电弧喷涂耐磨涂层，并在锅炉 四角通过厚壁管以及耐磨浇筑料的防磨强化，同时， 适当调整运行参数，可以达到最好的防磨效果。 参考文献 [ 1 ] 方梦祥、程乐鸣．循环流化床锅炉炉内磨损的试验与仿 真研究[ A ] ．／／全国电力行业C F B 第五届年会技术交 流论文集E c - I ．2 0 0 6 ． E z - 1 倪明江，骆仲泱，严建华．循环流化床锅炉理论设计与运 行[ M ] ．北京中国电力出版社，1 9 9 8 ． E 3 2 林宗虎，魏敦崧，李茂德．循环流化床锅炉E M ] ．北京 化学工业出版社，2 0 0 4 ． 万方数据