1、循环流化床锅炉水冷壁管防磨效果研究摘 要: 本文分析了循环流化床锅炉中水冷壁管的磨损机理, 以及各种防磨措施, 总结了国内外经验。作者认为, 循环流化床锅炉的磨损是燃料的性质、流化速度和收缩对段结构决定的, 在燃烧灰比较硬的煤种时, 应该高度重视水冷壁防磨问题。 关键词: 热能工程; 循环流化床; 水冷壁管; 磨损; 中图分类号： TK11 文献标识码： A 1 前 言 循环流化床是国内当前发电机组推广的一种洁净煤燃烧技术, 可燃用烟煤、贫煤、褐煤、无烟煤、煤矸石等各种燃料, 燃料适应性好, 锅炉负荷调节范围广, 低成本、低污染排放。在循环流化床锅炉中, 有许多部件工作在高温、高固体颗粒不断冲
2、刷环境下, 虽然已采取了一些防磨损措施, 但循环流化床锅炉的运行结果表明, 锅炉设备的磨损仍是十分严重的, 经常由于磨损问题造成停炉。由于循环流化床锅炉水冷壁管受到炉膛中气固两相流的冲刷, 磨损严重, 是引起水冷壁管爆管的主要原因, 因此如何从防磨损机理出发, 采取进一步的防磨损措施,对循环流化床锅炉的推广应用和稳定运行是一个十分现实又重要的问题。 2 循环流化床水冷壁的磨损 2. 1 水冷壁管耐火材料过渡区域的磨损 在循环流化床锅炉中, 炉膛的上部稀相区是快速床, 在一定条件下, 稀相区的颗粒发生团聚,细颗粒聚集成大颗粒团后, 颗粒团重量增加, 自由沉降速度提高, 一旦大于流化速度, 颗粒团
3、不是被吹上去而是逆着气流向下运动。下降过程中, 被上升的气流打散成细颗粒, 再被气流带动向上运动, 又再聚集成颗粒团, 再沉降下来。这种颗粒团不断聚集、下沉、吹散、上升又聚集形成的物理过程, 使循环流化床内气固两相间发生强烈的热量和质量交换。由于颗粒团的沉降和边壁效应, 循环流化床内气固流动形成靠近炉壁处很浓的颗粒团以旋转状向下运动, 炉膛中心则是相对较稀的气固两相向上运动, 产生一个强烈的炉内循环运动, 大大强化了炉内传热和传质过程, 有效地延长了包括焦炭颗粒在内的固体物料的停留时间, 并保证了整个炉膛内纵向及横向都具有十分均匀的温度场。 2. 2 炉膛角落区域水冷壁磨损 循环流化床锅炉炉膛
4、内部存在着大量的床料内循环, 延长了煤粒的炉膛内停留时间。内循环粒子流多为贴壁粒子流, 其循环量要比外循环量大得多。炉膛近壁区物料浓度较高, 在水平方向上, 物料浓度的分布是中间低、近壁区高，见图 1。在两面墙组成的角度, 流动发生叠加, 出现了角部浓度更高的现象, 这是角部磨损严重的物理基础。 图 1 燃烧室近壁区物料浓度分布示意图 2. 3 不规则区域管壁的磨损 不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上焊缝、管壁间的鳍片、焊缝不平整以及有关安装剩余的铁件等。即使很小的几何尺寸不规则也会造成局部的严重磨损。炉膛部分设有入孔门、观火孔等圆孔处也是易磨损的部件之一。测炉温时, 炉内插入足够
5、深的热电偶也会对局部颗粒和流动特性造成较大影响, 造成附近水冷壁管的磨损。 3 循环流化床水冷壁磨损机理分析 循环流化床锅炉内的炉膛水冷壁管的磨损过程是十分复杂的。在循环流化床锅炉中, 烟气中颗粒对受热面撞击产生的磨损, 与煤粉锅炉尾部受热面的冲刷磨损相类似。这种磨损的形式大致可以分为 2 类: 一类是在碰撞过程中由于材料的反复变形引起的疲劳磨损, 另一类是材料在自由运动的颗粒的切削作用下引起的破坏, 称之为凿削式磨损。磨损的程度与颗粒的冲击角度有很大的关系。冲击角为 90 b 时, 没有凿削式磨损, 仅是疲劳磨损, 磨损很轻微; 当冲击角度为 20 b 50 b 时, 磨损最严重。一般而言,
6、 循环流化床锅炉中的疲劳磨损非常小, 主要是凿削式磨损。 循环流化床锅炉本身的特性决定了气固两相流动对受热面的作用是必然存在的。较大的物料浓度是锅炉性能的基本要求, 是燃烧、传热和脱硫的必要条件。在两相流动中, 绝大部分颗粒与受热面表面的相对速度比较慢, 与受热面接触的颗粒, 无论是上升流还是下降流, 通常速度在 2m/s 以下, 这些颗粒的磨损非常小, 主要是产生均匀磨损。但是当与受热面接触的颗粒受到其他来自于主流区的颗粒或者气流的作用, 可能会迅速改变方向, 成为磨损介质, 这就是所谓的三体磨损。 循环流化床实际上还是依赖于气泡的生成与碎裂, 才能形成扬析夹带, 而起爆的碎裂会以高达数十米
7、的速度将颗粒抛向上部空间, 而这些颗粒的方向是不规则的, 这是产生改变与受热面直接接触颗粒方向的重要动力之一。当然, 炉内局部射流, 包括给料射流( 燃料和脱硫剂) 、固体物料回送口射流、布风板风帽的空气射流、二次风射均会流等, 射流卷吸的床料对射流口附近的受热面形成直接的冲刷而造成磨损。 4 循环流化床 CFB 水冷壁防磨措施与实践 因此, 针对循环流化床锅炉水冷壁管的磨损原因, 可以在设计中合理选择流化速度, 还要针对磨损的局部涡流采取主动或者被动的防磨措施。主动防磨是破坏产生磨损的涡流, 改变流场结构, 或者将受热面躲避涡流区布置; 被动防磨是在易磨部位增加管子的壁厚或者加设护瓦、金属喷
8、涂等。通常这 2 种措施结合使用, 并且根据不同部位的具体情况有所区别。 4. 1 水冷壁管耐火材料过渡区域 一种方法是破坏旋流, 典型的是切涡片结构。由于该方法是从根本上消除产生磨损的旋涡, 因此防磨效果非常明显。 切涡片结构的设计应根据受热面的结构和气流方向确定。因此, 不同的受热面结构和不同的炉膛下部收缩段结构, 切涡片的布置和形状不同。另外, 其使用效果与流化速度密切相关。 另一种方法是承认旋流的客观存在, 但是受热面管子布置要躲避旋流产生处, 典型的是踢出管结构。沿着收缩段耐火材料的角度流动的上升气流决定了旋涡的大小, 因此应该按着气流的流速和方向进行计算, 来确定踢出管的结构。实践
9、表明, 合理的踢出管结构的防磨效果是非常有效的, 在没有任何其它措施的条件下,最长时间运行已经达到了 10 年。但是, 踢出管的防磨效果严重依赖于锅炉的流化速度和收缩段结构, 因此设计非常困难。 4. 2 炉膛角落区域水冷壁管 炉膛角落区域水冷壁管的磨损也相当严重,特别是由于安装原因, 造成密封鳍片的上下重叠, 凹凸不平, 运行中不仅磨损鳍片也冲刷管壁,此处防磨的最有效措施是将角落的鳍片焊上销钉, 浇注上耐火耐磨材料, 运行效果较好。 4. 3 不规则区域管壁 不规则水冷壁管的磨损和爆管仅次于炉膛下部耐火材料与水冷壁管过渡区域壁管的磨损和爆管。由于压力测孔、入孔等处的水冷壁管不规则, 气- 固
10、两相流很容易在此处造成涡流冲刷和磨损 , 如不采取措施, 一般在运行 3000 h 后,就会发生严重的磨损和爆管 , 为此可以采用喷涂硬质合金或浇注耐磨耐火浇注料的方式来达到防磨的目的。运行表明, 采用浇注耐磨耐火浇注料对不规则水冷壁管可起到很好的防磨作用, 另外由于安装原因造成安装焊缝特别是密封鳍片的上下重叠、凹凸不平等原因造成壁面不光滑,很容易在运行中导致水冷壁管严重磨损, 直至爆管。其防磨的有效办法就是将凸起的焊缝磨平,凹进的焊补平直, 安装过程中遗留下来的焊件清除干净并打磨光滑。 4. 4 一般水冷壁管 目前尚未发现炉膛水冷壁管直管严重磨损的情况, 一般仅发现水冷壁管被磨亮。此区域水冷
11、壁管的防磨, 要从运行方面调整, 在确保流化风量和氧量的前提下, 尽量降低流化风量, 炉膛出口负压不要过大; 其次, 要从入炉煤粒度入手,确保循环流化床锅炉的给煤粒度要求, 粒度减小后, 不仅可以减少用电量, 减轻锅炉磨损, 同时也可以提高床温并能降低灰渣可燃物含量。 5 结论 循环流化床锅炉水冷壁管的磨损是影响循环流化床锅炉运行的一个主要因素。总结了循环流化床锅炉中水冷壁管的磨损情况, 根据其磨损机理分析了预防磨损的措施。磨损的根本原因是气固两相流场造成的, 因此改善易磨损部位的流场可以减轻磨损。采用厚壁水冷壁管、降低流化速度, 也可以有效防止磨损爆管。运行经验表明, 这些措施能大大地改善磨损情况, 延长水冷壁管的使用寿命。
