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循环流化床锅炉水冷壁防磨、防爆分析

发表时间：2021/5/27 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李满

[导读] 摘要：新疆中泰圣雄能源股份有限公司热电厂。

        中泰圣雄能源股份有限公司热电厂发电车间
        摘要：新疆中泰圣雄能源股份有限公司热电厂。锅炉选用的四川东方锅炉厂制造的DG-17.44/1065-Ⅱ18型循环流化床锅炉，简称CFB锅炉。该炉型循环流化床锅炉受热面磨损严重，经常出现爆管。
        我厂锅炉运行从投产到目前，水冷壁磨损严重，需要进行防磨处理，通过对国内同类型机组调研，国内通用的防磨技术有水冷壁喷涂、水冷壁熔覆技术、水冷壁加装防磨梁、水冷壁加装防磨格栅。
        关键词：循环流化床锅炉；锅炉水冷壁防磨；防爆技术分析
        一、循环流化床锅炉水冷壁磨损机理
        流化床锅炉是固体颗粒在流体作用下表现出类似流体状态的一种现象。固体颗粒、流体以及完成流态化的设备称为流化床。流体作为流化介质，一般有气体和液体两大类，在锅炉燃烧中，流化介质为气体，固体颗粒以及煤燃烧后的灰渣（床料）被流化，称为气固流态化。流化床锅炉与其他类型燃烧锅炉的根本区别在于燃料处于流态化运动状态，并在流态化过程中进行燃烧。
        现在运行循环流化床锅炉机组中因水冷壁磨损泄露被迫停炉的次数占锅炉总停炉次数的40%以上，锅炉的防磨措施正确与否，直接影响锅炉机组的可用率，一方面大量烟气和固体颗粒在上升过程中对水冷壁管进行冲刷；另一方面由于内循环的作用，大量固体颗粒沿炉膛四壁重新回落，对水冷壁管进行剧烈冲刷。特别在水冷壁管和耐火材料层过渡区的凸出部位。因没有上行气流，沿水冷壁管下来的固体颗粒形成涡流，对局部水冷管壁起到一种刨削作用。
        炉膛水冷壁常见的磨损为高速的灰粒子冲刷碰撞而引起的管子减薄，根据有关资料，磨损量与颗粒速度的3.3次方成正比，并随灰粒子的浓度增大而增大。循环流化床锅炉炉膛中存在一个高浓度、沿水冷壁向下流动的边壁灰流区，水冷壁的均匀磨损主要是由向下流动的灰粒磨损所致，炉膛中心区的灰浓度从上到下有很大降低，但稳定的边壁灰流区向下流动的灰浓度接近于最大浓度往下流动，水冷壁的磨损主要是由边壁区的颗粒引起的。
        炉膛内水冷壁管磨损主要表现在水冷壁管与耐磨材料交接及以上1～5m处、炉膛四角、返料口上部及炉膛出口烟气转弯等处。因对循环流化床锅炉水冷壁进行防磨处理是保证机组可靠运行的重要条件。
        二、循环流化床锅炉水冷壁防磨技术比较
        1、水冷壁喷涂技术
        针对循环流化床锅炉炉膛水冷壁常见的磨损问题，尤以耐火材料交接区、炉膛四角、变形凸出部位磨损最为严重。为提高循环流化床锅炉运行可靠性，确保锅炉长期安全稳定运行，喷涂是流化床锅炉常用的防磨措施，喷涂防磨技术包括电弧喷涂防磨技术和超音速火焰（HVOF）喷涂防磨技术。电弧喷涂技术具有喷涂速度高、涂层化学成分和硬质相含量易调整、沉积效率高、价格相对便宜等优点，尤其适宜于现场大面积磨损较轻部位的施工，金属涂层施工时一般只有0.5-0.8mm的厚度，分子结合强度低，涂层不能太厚，厚一点就会出现脱落现象；实践证明其耐磨寿命为 0.5 ～1.5年，对于燃用劣质煤（低热值、高灰分）的锅炉，一般耐磨寿命为3~12个月；喷涂后容易出现褶皱翘起，运行中容易脱落，成为新的磨损爆管点；此外机械粒子挤压式结合的涂层形成松散的陶瓷相，破坏水冷壁管焊接特性；超音速火焰（HVOF）喷涂高耐磨的涂层，防磨效果较好，但该法成本较高、设备体积大、现场作业不便、沉积效率低且对粉末要求苛刻等不利因素影响了市场应用，没有形成规模化效应，因此该技术逐渐应用在减少。
        2、水冷熔敷技术
        针对循环流化床锅炉炉膛水冷壁常见的磨损问题，尤以耐火材料交接区、炉膛四角、变形凸出部位磨损最为严重。为提高循环流化床锅炉运行可靠性，确保锅炉长期安全稳定运行，熔敷再造+合金熔敷防磨工艺来解决CFB锅炉磨损，可将锅炉水冷壁管的使用寿命延长到3年以上，且不发生母管的磨损，避免了锅炉爆管、换管。

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合金熔敷工艺是最新的全自动合金熔敷技术的工业应用，熔敷具有熔深浅，其熔深不大于0.5mm，对母材影响小，熔敷产生热量较少，加上分片施工，可以有效避免热变形，熔敷防磨合金材料为合金粉末药芯，熔敷后为珠光体结构，其硬度HRC≥45-55，具有很强的耐磨性能，其耐磨性可以达到超音速喷涂的6倍。等离子熔敷防磨还有最大的好处是可以直接在现场进行施工。目前该技术施工周期较长，一次性投资较大。
        3、水冷壁加装防磨梁技术
        针对循环流化床锅炉炉膛水冷壁常见的磨损问题，尤以耐火材料交接区、炉膛四角、变形凸出部位磨损最为严重。为提高循环流化床锅炉运行可靠性，确保锅炉长期安全稳定运行防磨梁技术也是以前循环流化床锅炉水冷壁应用较广的防磨技术，该防磨装置由销钉和耐火耐磨浇注料形成凸台，凸台沿水冷壁高度方向以一定间距水平或倾斜多阶布置，多阶梯布置通过延缓贴壁流速度和剥离贴壁流来达到防磨效果，循环灰贴壁下落到水冷壁防磨板上部堆积，形成约45°的堆积角，剩余循环灰沿坡面下滑，避免冲刷水冷壁管，达到减小磨损的目的。在水冷壁防磨板上部过渡区内，由自然下落的循环灰在防磨板上形成斜坡，称为“软着陆”区域，由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，在局部很容易产生涡旋流，使循环灰堆积角减小，“软着陆”区细颗粒较少，大颗粒偏多，导致“软着陆”效果欠佳，沿炉膛壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁管很容易产生冲刷磨损，一般运行2-3年后会出现此问题；防磨梁施工后后会使床温升高，锅炉出力下降等问题。
        4、水冷壁防磨格栅技术
        导热型格栅防磨技术是在水冷壁表面沿水平方向和垂直方向，装设合金格栅板形成网格式格栅，优化水冷壁表面流场，消除局部涡流，降低气固两相流贴壁运动速度，减小物料颗粒对水冷壁的切削力，从而有效控制水冷壁磨损问题的一种主动防磨技术。
        （1）设计新颖、防磨彻底
        该技术是一种主动式稳流防磨技术，区别于被动式增厚防磨，通过优化表面流场消除局部涡流实现有效防磨。施工方案根据不同锅炉磨损特点而设计，对循环流化床锅炉炉内磨损能起到标本兼治的作用。保证锅炉在高负荷下长周期运行，并增加锅炉的燃料适应性
        （如加大矸石等掺烧比例）。
        （2）格栅使用寿命长
        防磨格栅板由我司研发的新型稀土合金材料精密铸造而成，焊接指数高，达到与焊接母材的等强匹配，1200℃高温下依旧稳固可靠。抗拉强度≥500MP，格栅板抗高温磨损，抗高温氧化，抗高温蠕变。
        （3）导热性能良好
        防磨格栅板用的是金属合金，尺寸小（厚度仅几毫米，只高出水冷壁管约3CM）炉内空间占比小，并且是直接焊接在鳍片上，具有良好的吸热和导热性能，对于炉内热交换影响极小。
        （4）施工周期短、可交叉作业
        我司施工技术人员均经过专业技能培训，能熟练掌握施工工艺，能短时期内高效快捷保质保量的完成施工炉内施工作业面友好，施工过程中无噪音污染，无粉尘污染，空间需求不大，可交叉施工。
        三、结语
        综上所述：新疆中泰圣雄能源股份有限公司热电厂DG-17.44/1065-Ⅱ18型东方锅炉生产的循环流化床锅炉水冷壁磨损问题，需根据不同部位的磨损原因，采取有针对性的防磨措施，保证锅炉长周期运行。
        参考文献：
        [1]《循环流化床锅炉检修》
        [2]《循环流化床技术问答》
        [3]《循环流化床锅炉优化改造技术》