循環流化床鍋爐磨損防護技術與應用進展

發布時間：2023-09-19 02:51:29

循環流化床鍋爐是中國燃煤火力發電的重要組成部分，目前我國投產的100 MW以上容量等級機組已超過90GW，除電力及熱力供應外，循環流化床鍋爐在石油石化、冶金造紙等行業也有廣泛應用。

但相較于傳統煤粉鍋爐，循環流化床鍋爐在運行可靠性上還存在一定差距，這是由于磨損是造成循環流化床鍋爐非計劃停運的重要因素。

美國Nucla電廠420 t/h循環流化床鍋爐最初運行的15700h中，由磨損造成的事故接近事故停爐總數的50%；國內某廠3臺135 MW循環流化床鍋爐投產11a內總計停機125次，其中計劃停機38次、故障停機87次，爐內水冷壁泄漏故障高達66次，占故障次數的75.8%。

爐內磨損的主要區域

水冷壁管的磨損受多因素、多作用機理同時支配，且爐內氣固兩相動力學特性的復雜性，不同區域受磨損程度各異。一般而言，磨損大多集中在以下區域：爐膛下部密相區、過渡區、屏式受熱面連接區、四角區、爐頂區、爐膛出口區域、不規則區(測點區)。

1、密相區磨損

爐膛密相區布置有一、二次風口以及進煤口、返料口，密相區氣固擾動最強烈，渦流最明顯。密相區一般覆蓋有耐火耐磨材料，通常不會產生顯著磨損，如果耐火耐磨材料脫落，則該脫落區域會快速磨損并可能引發停爐，圖1為給煤口區域的磨損。

圖1 給煤口區域磨損

2、過渡區磨損

水冷壁與耐火耐磨材料的交界區域磨損較嚴重，過渡區域磨損機理示意如圖8所示。造成這種磨損的原因為：① 高速邊壁流受下方耐火耐磨材料阻礙，流動方向被迫發生劇烈改變，形成由截面突變導致的臺階效應；② 邊壁流在此處遇到上行固體物料流，局部產生渦流加劇磨損。

圖2 過渡區域磨損機理示意

此外，由于此處靠近爐膛底部的布風板，原先垂直下降進入爐內的固體顆粒流還會與斜向擴散的一次風氣流發生碰撞，在爐膛前后墻形成碰撞，造成磨損。

3、屏式受熱面連接區磨損

屏式過熱器、屏式再熱器安裝在爐膛中上部。其下端連接區易受邊壁下降流與核心區上升流產生渦流的影響，底部澆注料在長時間沖刷下有可能脫落，失去保護后，受熱面管將直接暴露在高速運動的固體顆粒中，如圖3所示。

圖3 屏澆注料脫落引起的磨損

4、四角區域磨損

在爐膛頂部的四角區域，相鄰邊壁流在此處疊加、混合，顆粒濃度幾乎增加1倍。有學者指出，矩形、方形截面的流化床鍋爐角落效應更明顯，即邊角更易形成高濃度顆粒層。頂部過渡范圍較小，水平方向的不平滑轉角使得氣流在此易形成局部渦流，因此四角區域的磨損在循環流化床鍋爐中也較為明顯，如圖4所示。

圖4 爐膛四角區域磨損

5、爐頂和爐膛出口區域磨損

煙氣離開爐膛時，顆粒與氣流在出口區域發生分離，轉彎處的離心力作用將大量顆粒甩向布置在爐頂區域以及爐膛出口區域的受熱面，進而產生磨損，爐頂與爐膛出口區域的磨損如圖5所示。

圖5 爐頂與爐膛出口區域磨損示意

6、不規則區域磨損

爐內一般還設有大量開孔結構，如溫度壓力測量點、人孔門、給煤口、返料口、床上燃燒器風口及二次風口等。不規則的凸起導致流場發生突變，引起固體顆粒流局部流動不良，造成對周圍水冷壁的磨損，圖6為熱電偶及開孔處磨損。

圖6 爐膛不規則區域磨損

減輕爐內磨損的設計措施

循環流化床鍋爐通常使用讓管設計作為減輕磨損的技術措施，讓管法通過將水冷壁管向外彎成勺形（圖7），耐火耐磨材料與上部水冷壁管保持平直（或耐火耐磨材料面低于水冷壁管）。在這種結構設計下，邊壁流沿壁面平直下落，固體顆粒流因受耐火層阻礙形成的局部渦流磨損減輕。

圖7 讓管結構示意

對于采用讓管結構的鍋爐，爐膛錐段上部1～2 m區域(原磨損嚴重區域)磨損一般較輕。云南某300 MW CFB鍋爐將凸臺軟著陸改為讓管技術后，機組連續運行時間明顯提升。但該技術對設計要求較高，部分電廠也曾出現過因設計不當造成磨損上移的問題。

爐內防磨技術措施及應用效果

由前文可知，受熱面磨損嚴重的問題制約著流化床燃燒技術的進一步發展，鑒于此，國內科研人員與應用單位在主動防磨與被動防磨領域進行了諸多嘗試。前者從爐內氣固兩相流體動力學特性入手，以疏導爐內固體顆粒為切入點，減小邊壁流對爐內受熱面的沖擊碰撞；后者通過合成硬度更高、耐磨性更好的原材料敷設于易磨損部位，代替其與爐內固體顆粒流接觸。

主動防磨

1、防磨護瓦

防磨護瓦為直條、U型或S型瓦狀物，截面通常為半圓形，將其罩在受熱面易磨損部位。護瓦在中小型循環流化床鍋爐上使用廣泛。云南某小型循環流化床鍋爐對四角區域第2根管道焊接防磨瓦，解決了該處磨損嚴重的問題。

護瓦會在水冷壁上形成凸臺，對未安裝護瓦的部位造成渦流磨損；護瓦內表面與水冷壁表面之間存在空氣隙熱阻，影響傳熱過程，因此該技術在大型循環流化床鍋爐上很少采用。圖8為工程改造中使用的直條護瓦。

圖8 直條護瓦

2 、防磨梁

防磨梁技術，也稱主動多階防磨梁技術，指在爐膛水冷壁面沿高度方向以一定間距水平或傾斜布置多層環繞全爐膛的防磨梁，旨在破壞穩定的邊壁流，降低邊壁流的濃度及速度。防磨梁一般為耐火耐磨材料澆注而成的凸臺，由銷釘固定在水冷壁上，防磨梁結構如圖9所示。

圖9 防磨梁結構示意

防磨梁能降低邊壁流的整體速度，部分工程項目顯示，邊壁流到達密相區時的速度甚至可以降至1 m/s；固體顆粒受到防磨梁的阻擋后，顆粒團被分散，部分形成斜射流轉向爐內運動(圖10)，重新進入核心區參與燃燒，邊壁顆粒流濃度因此降低。此外，防磨梁上方形成的自然積灰會對邊壁流形成軟著陸，也能減輕因沖擊轉向形成的渦流磨損。

圖10 爐膛內部流場示意

但防磨梁的設計方案對使用效果產生重要影響，部分機組在實際運行過程中出現了磨損上移的現象，如內蒙古某440 t/h循環流化床鍋爐安裝9道防磨梁后，檢修期間發現防磨梁根部出現不同程度的磨損。

還有部分機組使用防磨梁后出現床溫升高和鍋爐出力下降的問題，如山東某循環流化床鍋爐在爐內加裝8道防磨梁，試運行期間發現排煙溫度提升超過30 ℃，低負荷與高負荷條件下均出現蒸汽壓力、蒸汽流量波動較大等問題，最終不得不拆除其中3道防磨梁，并在原位置作噴涂處理；河北某循環流化床鍋爐采用防磨梁技術后，發現額定負荷下床溫上升14 ℃，一定程度上影響了降低污染物排放和鍋爐運行帶負荷能力。

分析認為，盡管防磨梁在爐內受熱面磨損方面應用效果較好，但使用過程中需覆蓋一定面積的水冷壁，同時還會對邊壁流動及傳熱產生不利影響，設計不當的防磨梁很容易造成鍋爐運行參數波動、熱效率下降以及防磨梁根部等局部區域磨損加劇。

因此，防磨梁使用前必須進行設計計算，盡可能避免這些負面影響。

3、格柵防磨

格柵防磨（有時也稱防磨隔板、防磨導流板、梳型板）的防護原理與防磨梁相似，通過在爐膛前后墻與側墻分層安裝橫向、豎向隔板，形成格柵式防護，減輕物料渦流、物料斜向流動對水冷壁管正面及側面的沖擊磨損(圖11)。

由于格柵采用金屬材質且本體較窄，具有良好的導熱能力，因此對邊壁區流動結構及傳熱影響也較小。

陜西某480 t/h循環流化床鍋爐安裝格柵防磨后，每個檢修周期內實測磨損量僅0.1 mm。

國內大量350 MW超臨界循環流化床鍋爐也將格柵防磨作為主要防磨技術。如廣西某廠3臺350 MW循環流化床鍋爐，在水冷壁標高22.6 m以上的整個爐膛安裝格柵防磨，安裝區域內水冷壁管防護良好，未見磨損。

圖11 金屬格柵安裝

采用格柵防磨替換防磨梁也是近年來較普遍的技術方式。

內蒙古某廠在爐內加裝防磨梁后發現由于邊壁層對水冷壁輻射面積減少導致鍋爐負荷降低，改裝為格柵防磨后，負荷恢復正常水平；

河北某300 MW循環流化床鍋爐拆除水冷壁上部爐膛防磨梁后將其改裝成格柵防磨，防磨效果良好且鍋爐帶負荷能力有所提升；

陜西某300 MW循環流化床鍋爐將后墻防磨梁拆除后降低了床溫且爐膛上部磨損減輕。

被動防磨

1、金屬噴涂

金屬噴涂法分為超音速火焰噴涂和超音速電弧噴涂。

該項技術以燃氣燃燒或高溫電弧為熱源，憑借其釋放的熱量將粉末狀或絲狀的特殊金屬材料加熱至半熔融或熔融狀態，再通過壓縮空氣或燃氣壓力，以超音速氣流將處于熔融狀態下的金屬霧化，噴射到水冷壁表面，最終形成厚度0.3～0.8 mm的金屬涂層。處于高溫環境下的涂層會生成致密、穩定性較好的氧化膜，在水冷壁表面上形成硬度更大的防磨損層，以達到局部防磨的作用。金屬噴涂后的水冷壁管如圖12所示。

圖12 金屬噴涂后的水冷壁管

河南某440 t/h循環流化床鍋爐，對密相區耐火耐磨材料以上1.0～1.5 m區域，以及屏式過熱器、屏式再熱器耐火耐磨材料以上1～2 m區域實施超音速電弧噴涂，使管壁壽命延長4～6倍。但對于燃用劣質煤的循環流化床鍋爐，該技術保護周期一般小于6個月，每年需重新噴涂1～2次。

此外，金屬噴涂因廠家不同，質量良莠不齊，往往會加劇磨損。江蘇某循環流化床鍋爐檢修期間發現水冷壁鰭片上的噴涂涂層出現大范圍磨損和鼓泡，通過掃描電鏡及能譜儀發現，涂層與管材基體之間被腐蝕滲透，隨腐蝕產物增加，涂層逐漸向外凸起形成鼓泡，局部凸起最終加速了涂層脫落，引發新的磨損。

2、激光熔敷（熔覆）

激光熔敷（熔覆）是近年來廣泛使用的新技術，使用激光熔敷技術處理后的水冷壁管如圖13所示，其選用高溫抗磨、抗熱、抗蝕、抗疲勞的復合材料為原材料，激光熔敷（熔覆）層與基材之間通過原子或分子間結合和交互擴散結合，致密性較高。

圖13 使用激光熔敷技術處理后的水冷壁管

新疆某熱電廠將原水冷壁管更換為激光熔敷管后，經過3a檢驗，激光熔敷層完好，大幅延長了水冷壁的使用壽命；

新疆某小型循環流化床鍋爐對澆注料以上約4 m區域的水冷壁進行熔敷處理，杜絕了之前的非正常停爐現象；

青海某240 t/h循環流化床鍋爐對澆注料以上1.5 m區域進行防磨技術升級，以熔敷層取代耐火材料層，實施完成后，不僅提高鍋爐的防磨能力，風機電耗及燃料消耗量也相應降低。

但該技術施工成本較高，進行全爐膛防護時為防磨梁和金屬隔板技術的2～3倍，此外技術施工不當易在水冷壁管上形成細小裂紋，對操作水平要求較高。

綜合評述

總體而言，前文所述防磨技術各具優缺點，傳統被動式防磨的技術有金屬噴涂、防磨梁等，在格柵防磨技術沒被推出之前這些技術都是最主流的水冷壁防磨技術。