1研究背景

循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)鍋爐是目前較為成熟的潔凈煤技術(shù)，具有燃料適應(yīng)性廣、運(yùn)行特性好、環(huán)保性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)矸石發(fā)電、有色冶金、氯堿化工、造紙紡織等行業(yè)中廣泛使用，成為了電力和蒸汽供應(yīng)的重要解決方案。在循環(huán)流化床鍋爐快速發(fā)展的同時(shí)，其也暴露出一些問題，特別是鍋爐廠在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對國內(nèi)煤種和運(yùn)行條件考慮不足，部分循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)磨損嚴(yán)重、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短。

2磨損發(fā)生的機(jī)理

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損由其運(yùn)行機(jī)理所致，在爐內(nèi)“環(huán)-核”流動結(jié)構(gòu)影響下，中心氣流向上運(yùn)動，四周貼壁流向下流動。在貼壁流向下流動的過程中，速度不斷增大(圖1所示)，水冷壁因長期受到?jīng)_刷而磨損嚴(yán)重。

一般認(rèn)為灰對管壁的磨損速率與其速度、灰濃度及灰粒度存在公式(1)的關(guān)系：

式中：E──磨損速率，μm/100h;W──灰速度，m/s;D──灰粒度，mm;U──灰濃度，kg/(m2˙s)。
循環(huán)流化床鍋爐爐膛處于快速流態(tài)化狀態(tài)，爐膛四周近壁區(qū)顆粒團(tuán)沿著水冷壁向下加速流動，并且濃度呈指數(shù)增加。根據(jù)公式(1)灰對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的磨損速率與貼壁流速度的三次方成和貼壁流濃度成正比。循環(huán)流化床鍋爐貼壁流速度高、濃度大是造成水冷壁磨損嚴(yán)重的主要原因，如果燃用的是高灰分劣質(zhì)煤，則水冷壁磨損問題將尤為突出。


循環(huán)流化床鍋爐防磨的重點(diǎn)區(qū)域是密相區(qū)耐火耐磨材料與稀相區(qū)光管水冷壁之間的交界面。密相區(qū)耐火耐磨材料敷設(shè)在水冷壁管上，不會對水冷壁管產(chǎn)生磨損;稀相區(qū)物料濃度較低，且物料流向與水冷壁管方向一致，一般也不會產(chǎn)生大的磨損。在兩者之間的過渡區(qū)域，顆粒濃度相對較高，且管子方向與物料流向不一致，易產(chǎn)生渦流引起磨損。

3研究對象

某電廠8臺240t/h CFB鍋爐鍋爐主要由爐膛、高溫絕熱分離器、自平衡“U”形回料閥和尾部對流煙道組成，采用單爐膛膜式水冷壁，循環(huán)物料的分離采用高溫絕熱旋風(fēng)分離器，過熱器分三級布置，中間設(shè)二級噴水減溫器，尾部煙道設(shè)三級省煤器和一、二級空氣預(yù)熱器。


鍋爐2個(gè)高溫絕熱分離器布置在燃燒室與尾部對流煙道之間，高溫絕熱分離器回料腿下布置一個(gè)非機(jī)械型回料閥，回料為自平衡式，流化密封風(fēng)用高壓風(fēng)機(jī)單獨(dú)供給，分離器及回料閥外殼由鋼板制造，內(nèi)襯絕熱材料及耐磨耐火材料。對于這8臺鍋爐而言，受熱面磨損較重，鍋爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間一般僅為3~4個(gè)月，低于國內(nèi)平均水平。

4防磨隔板技術(shù)應(yīng)用效果

為降低鍋爐磨損，電廠首先選取防磨隔板技術(shù)進(jìn)行了示范鍋爐改造，在爐膛四周沿高度方向呈一定仰角布置了五道防磨隔板(具體如圖4所示)，防磨隔板焊接在膜式水冷壁管中間的鰭片上，與水冷壁管之間留有一定的膨脹間隙。根據(jù)防磨隔板技術(shù)設(shè)計(jì)原理，電廠希望通過此技術(shù)逐級降低貼壁灰流速和濃度，延長了水冷壁的使用周期。

防磨隔板技術(shù)使用后示范鍋爐首次啟動的運(yùn)行時(shí)間提升至5個(gè)月，但此后便每況愈下，期間還曾出現(xiàn)過最短不到60天的停爐紀(jì)錄，每次停爐檢修更換的水冷壁管的數(shù)量也有較大增加，嚴(yán)重影響現(xiàn)場的生產(chǎn)組織。經(jīng)停爐期間入爐觀察，防磨隔板有不規(guī)則的變形及松動脫落現(xiàn)象，防磨隔板脫落后對應(yīng)區(qū)域的磨損較其他區(qū)域明顯增加。測厚記錄則顯示，防磨隔板脫落部位累計(jì)運(yùn)行90天后的局部磨損量就已超過1.5mm，而在第五道防磨隔板上部約1m處還出現(xiàn)了磨損痕跡，磨損發(fā)生了上移。


另外加裝防磨隔板后鍋爐運(yùn)行參數(shù)發(fā)生了一定變化，對比改造前后的歷史數(shù)據(jù)，鍋爐床溫增加了15℃。顯然由于結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)不合理，貼壁灰流速和濃度不合理下降后使得傳熱系數(shù)降低，最終影響了鍋爐的帶負(fù)荷能力，由于防磨保護(hù)時(shí)間較短，防磨隔板未能達(dá)到預(yù)期效果，得不償失。

5防磨梁技術(shù)應(yīng)用效果

與防磨隔板不同，防磨梁技術(shù)主要由抓釘、耐火耐磨可塑料組成防磨凸臺(防磨梁)，貼壁流在下降過程中受到防磨凸臺(防磨梁)阻擋限制了速度和濃度，進(jìn)而減小了磨損。由于構(gòu)成防磨梁的主體是耐火耐磨可塑料，而且整根防磨梁是一次成型，梁本體堅(jiān)固牢靠，由于焊接工作量主要集中在銷釘上，因此施工更為容易。為保證工程質(zhì)量和防磨效果，委托中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院進(jìn)行了設(shè)計(jì)和施工，重點(diǎn)對防磨梁的敷設(shè)高度、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了核算，在保證防磨效果的同時(shí)減少對鍋爐傳熱的影響。



鍋爐應(yīng)用防磨梁技術(shù)時(shí)同步拆除了原有的防磨隔板，從實(shí)際應(yīng)用情況來看，8臺240t/h循環(huán)流化床鍋爐采用防磨梁技術(shù)后連續(xù)運(yùn)行時(shí)間普遍延長至8~10個(gè)月，且停爐檢修水冷壁更換量由之前的60~80根降低至10根以下。對比改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)，在相同工況下床溫增加幅度為5℃，鍋爐運(yùn)行未受影響。


6分析與結(jié)論

1)在改善邊壁流流動特性方面，防磨梁技術(shù)和防磨隔板技術(shù)原理近似，但是由于防磨梁堅(jiān)固耐用，防護(hù)效果優(yōu)于防磨隔板;

2)防磨隔板會使鍋爐運(yùn)行出力受到限制，防磨梁布置方案經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算后對鍋爐運(yùn)行無影響，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定;

3)240t/h循環(huán)流化床鍋爐采用防磨梁技術(shù)后連續(xù)運(yùn)行周期可以從3~4個(gè)月延長至8~10個(gè)月，同時(shí)每次停爐檢修工作量大幅度下降;

4)防磨梁技術(shù)防護(hù)效果優(yōu)良，應(yīng)作為循環(huán)流化床鍋爐防磨治理的首選技術(shù)。