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，具有燃料適應性廣、運行特性好、環(huán)保性能強等優(yōu)點，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的重要解決方案。在循環(huán)流化床鍋爐快速發(fā)展的同時，其也暴露出一些問題，特別是鍋爐廠在進行設計時對國內(nèi)煤種和運行條件考慮不足，部分循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)磨損嚴重、連續(xù)運行時間短。

2磨損發(fā)生的機理

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁磨損由其運行機理所致，在爐內(nèi)“環(huán)-核”流動結構影響下，中心氣流向上運動，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)_刷而磨損嚴重。

一般認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重的主要原因，如果燃用的是高灰分劣質煤，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分離器，過熱器分三級布置，中間設二級噴水減溫器，尾部煙道設三級省煤器和一、二級空氣預熱器。


鍋爐2個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非機械型回料閥，回料為自平衡式，流化密封風用高壓風機單獨供給，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)運行時間一般僅為3~4個月，低于國內(nèi)平均水平。

4防磨隔板技術應用效果

為降低鍋爐磨損，電廠首先選取防磨隔板技術進行了示范鍋爐改造，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)防磨隔板技術設計原理，電廠希望通過此技術逐級降低貼壁灰流速和濃度，延長了水冷壁的使用周期。

防磨隔板技術使用后示范鍋爐首次啟動的運行時間提升至5個月，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運行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℃。顯然由于結構和設計不合理，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荷能力，由于防磨保護時間較短，防磨隔板未能達到預期效果，得不償失。

5防磨梁技術應用效果

與防磨隔板不同，防磨梁技術主要由抓釘、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，進而減小了磨損。由于構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。為保證工程質量和防磨效果，委托中國華能集團清潔能源技術研究院進行了設計和施工，重點對防磨梁的敷設高度、結構尺寸進行了核算，在保證防磨效果的同時減少對鍋爐傳熱的影響。



鍋爐應用防磨梁技術時同步拆除了原有的防磨隔板，從實際應用情況來看，8臺240t/h循環(huán)流化床鍋爐采用防磨梁技術后連續(xù)運行時間普遍延長至8~10個月，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。對比改造前后運行數(shù)據(jù)，在相同工況下床溫增加幅度為5℃，鍋爐運行未受影響。


6分析與結論

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

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

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

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