75t/h循环流化床锅炉炉膛受热面磨损原因分析及防治

2010-02-14周红兰

中国设备工程 2010年12期

雷健，周红兰，魏丽

（山东省特种设备检验研究院东营分院，山东东营 257091）

某石油化工公司热电厂建有三台75t/h循环流化床锅炉，型号为YG-75/5.3-M12，额定蒸发量75t/h，过热蒸汽出口压力5.3MPa，过热蒸汽出口温度450℃，给水温度150℃。该厂循环流化床锅炉投运以来，炉膛水冷壁管等炉内受热面的磨损很严重，经统计，因受热面磨损泄漏而被迫停炉的故障率一度高达21.2%，水冷壁的磨损严重影响了锅炉的长周期安全经济运行。该厂水冷壁的磨损主要发生在两个区域：一是炉膛下部密相区防磨耐火浇注料（卫燃带）与水冷壁管过渡区域；二是不规则管壁区域。该厂锅炉卫燃带敷设在高度为4.52～9.335m，即布风板往上4.815m的区域。金属件严重磨损的区域高度在9.335～9.635m，即从卫燃带与水冷壁管的过渡区域开始，向上0.3m的区域为水冷壁管的严重磨损区。不规则管壁区域的磨损也是一个严重的问题，这些区域包括布置在膜式水冷壁上的温度测点、压力测点、取样点、吊点、筋板的凸凹或裂缝处。

一、循环流化床锅炉受热面磨损原因分析

1.循环流化床锅炉炉膛受热面磨损的原因

循环流化床锅炉内的受热面包括炉膛水冷壁管、炉内受热面（包括屏式翼形管、屏式过热器、水平过热器管屏）、尾部对流烟道受热面等，造成循环流化床锅炉受热面产生磨损的原因有：①烟气中颗粒对受热面撞击产生磨损，这一点与煤粉锅炉尾部受热面的冲刷磨损相似。②受热面表面受运动速度相对较慢的颗粒冲刷所造成的磨损。③沿受热面运动的固体物料受其他颗粒的作用，利用贴壁的固体颗粒作为磨损介质，使受热面产生磨损，这也就是三体磨损。④随气泡快速运动的颗粒对受热面产生磨损。⑤气泡破裂后颗粒被喷溅到受热面表面从而对受热面产生磨损。⑥炉内局部射流造成受热面的磨损，循环流化床锅炉中的各种射流包括给料（燃料和脱硫剂）口射流、固体物料再循环口射流、布风板风帽的空气射流、二次风空气射流以及因管道泄漏而造成的射流等。射流卷吸的床料对相邻的受热面形成直接的冲刷而造成磨损。⑦伴随着炉内和炉外固体物料整体流动形式所造成的受热面的磨损。⑧由于几何不规则造成的受热面的磨损，例如若床内布置有一根带有焊缝的垂直传热管，由于在焊缝附近产生局部的涡流，从而使焊缝以上的受热面产生磨损。

2.循环流化床锅炉炉膛受热面的磨损机理

（1）浓相区内气泡及颗粒对水平埋管的磨损机理

循环流化床锅炉浓相区内埋管的磨损由以下三个原因引起：①颗粒团（乳化相）对受热面表面的冲刷磨损。由于床内颗粒浓度很高，不可能出现类似于稀相流中分散的自由运动颗粒，因而受热面的磨损不可能是由分散的自由运动颗粒对金属表面撞击而成。此外对磨损试样的微观分析表明，金属表面的变形十分严重，在试样的边缘呈现凸边，这也表明磨损是由颗粒团对表面反复冲击所致。②由于床内气泡的生成、长大、上升、合并和破裂等导致床料的扰动和夹带以及喷溅等，造成埋管受热面的磨损。当气泡出现并上升时，把动能传给颗粒，使其具有撞击埋管受热面的潜能，同时气泡尾涡携带的颗粒随气泡向上加速运动，也会撞击到埋管受热面。③由局部射流所引起的磨损。在密相区内存在局部的高速射流，如蒸汽或空气埋管的泄漏、煤或脱硫剂的底饲喷口、飞灰再循环入口等，射流卷吸的床料颗粒对相邻的受热面表面形成直接的冲刷而导致磨损。运行中一旦埋管管束中某根管道因壁面磨穿造成高压蒸汽或空气的泄漏，则很快会导致相邻埋管因局部射流磨损而泄漏，并引起连锁反应，从而造成大量管子损坏，后果十分严重。

（2）炉膛水冷壁管的磨损机理

在循环流化床锅炉炉膛内，典型的流体动力学结构为环—核结构。在内部核心区内，颗粒团向上流动，而在外部环状区，固体物料沿炉膛水冷壁面往下回流。环状区的厚度从床底部到顶部逐渐减薄，环状区的平均厚度从实验室装置的几毫米一直变化到大型循环液化床锅炉的几十厘米。固体物料沿炉膛水冷壁面的向下回流是水冷壁管产生磨损的主要原因。炉膛水冷壁管的严重磨损通常与回流物料突然改变方向有关。回流物料突然改变方向的部位有：水冷壁与卫燃带的分界面处、膜式水冷壁的表面缺陷处和焊接缺陷处、水冷壁其他凸出的部位。

炉膛水冷壁管的磨损有双体磨损和三体磨损两种方式。双体磨损是由于固体物料与水冷壁相接触，水冷壁受到向下回流物料的冲刷。在三体磨损中，沿炉膛壁面运动的固体物料受到颗粒团的碰撞，利用贴壁的固体颗粒作为磨损介质使水冷壁管产生磨损。在上述两种作用方式中，三体磨损是循环流化床锅炉炉膛水冷壁管产生磨损的主要形式。

（3）炉膛水冷壁管及金属件磨损的原因分析

水冷壁管与炉膛下部密相区防磨耐火浇注料过渡区域发生磨损的主要原因是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，因而对水冷壁管产生冲刷。另一原因是过渡区域内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行方向相反，因而在局部产生涡旋流，这个因素导致的磨损存在于整个炉膛内，在一般区域的作用并不显著，只是在炉膛角落区域会产生较显著的磨损作用，因为角落区域内沿壁面向下滚动的固体物料的浓度比较高，受到扰动后对水冷壁的冲刷作用更强。另外，这类磨损的速率会随着炉膛高度的增加而减小，即越接近密相区的水冷壁，磨损会越严重。水冷壁不规则管壁区域的磨损也主要是由第一个原因引起的。该厂锅炉的水冷壁管吊装过程完毕后，焊接在水冷壁上的吊环没有取下，锅炉运行不久后，即出现了水冷壁泄漏，经查是吊点处的水冷壁管被磨穿。分析其原因，就是沿壁面下流的高温灰在下流的过程中，碰到了吊环，流动方向发生改变，不再与水冷壁表面平行，从而对临近水冷壁产生冲蚀磨损。

二、循环流化床锅炉受热面磨损防治措施

针对炉内受热面的严重磨损问题，制定实施了以下防治措施：①加强来煤管理，控制矸石含量，及时进行煤质化验，控制进料粒度不大于10mm。其中8mm及以下要占燃料的90%，1.5mm及以下要占燃料的50%，1.0mm及以下要占燃料的30%，尽量减少因燃料品质造成的磨损。②科学进行风量的控制与调整，严格控制漏风。满负荷运行时一次风量在满足流化及控制床温的前提下尽可能小一些，其比例占总风量的55%，二次风比例为45%。③在炉膛下部的水冷壁管等重点磨损部位浇注防磨砼，此措施成本低廉而且防磨效果好。④在循环流化床锅炉的埋管受热面焊接防磨鳍片。杜绝水冷壁管屏表面的凸起现象，检修结束后将水冷壁管焊口打磨圆滑，水冷壁管鳍片应该满焊，不能留下缝隙或漏洞。⑤改变水冷壁管的几何形状，耐火材料结合简易弯管，使卫燃带区域与上部水冷壁管保持平直，这样固体物料沿壁面平直下流。⑥在对流受热面的迎风面管排加焊防磨护瓦。