茆浪　汤瑞

摘 要：燃料燃烧，尤其是固态燃料燃烧时，因为灰分的存在，锅炉各受热面，尤其是尾部低温受热面的外部工作条件特别恶劣。大量的灰粒流经受热面，势必对受热面造成磨损。文章剖析了锅炉尾部低温受热面的磨损机理及其影響要素，给出了降低受热面飞灰磨损的对策，防止出现因磨损造成的泄露爆管事故，提高低温受热面使用寿命，保证锅炉安全、高效地运行。

关键词：锅炉；低温受热面；磨损；对策

1 锅炉尾部低温受热面防磨的重要性

在燃煤锅炉中，飞灰跟随着烟气进入尾部受热面，由于温度已经降到很低，飞灰的硬度提高，冲刷受热面管排时，在切向力的作用下会削去受热面管壁最外层的微小金属块，这就形成了磨损，受热面管壁因此变薄，造成泄露或爆管事故，锅炉不能安全运行。对流受热面设计寿命一般为10万小时，而由于某些锅炉设计、运行不当，仅在运行近1万小时后，尾部受热面就出现了较重的飞灰磨损，直接影响受热面的安全运行。因此，了解尾部低温受热面飞灰磨损的形成机理以及防磨措施显得尤为重要。

2 锅炉尾部低温受热面飞灰磨损机理分析

图1为飞灰切削微小金属块的示意图，飞灰撞击管壁，在管壁上的M点施加力F，F可分解为法向力Fn和切向力Fz，若飞灰的速度、粒径一定，Fn和Fz主要随α角（即碰撞角）而变化。

法向力Fn能克服金属粒子之间的结合力，提高M点的温度，使得M点处金属变软。切向力Fz为切削力，能撕下M点处变软的金属。在F不变的情况下，若碰撞角α变大，Fn随着变大，该点的温度升高，微小金属块越容易被撕下来；Fz随着变小，切削微小金属块能力减小。

3 磨损的影响因素

3.1 烟气速度的影响

管子的磨損量理论上与灰粒撞击管壁的速度成三次方关系。当烟气流经受热面管排时，飞灰与烟气之间有很大的滑移速度，所以很难求得飞灰的撞击速度，为计算方便，使用烟气速度来替代飞灰速度。实验表明撞击磨损量与烟气速度的n次方成正比，且n>3，烟气在10～30m/s范围时，n=3～4。容易看出，烟气速度的变化对磨损量影响极其明显。

3.2 飞灰粒径的影响

若灰粒的粒径比较小，管壁的撞击磨损量也较小。若粒径增大，磨损量也随之增大。粒径增大到某一临界值后，磨损量不增加或增加较为缓慢。其原因为：在飞灰浓度不变的情况下，飞灰粒径越大，单位容积内飞灰颗粒数目越少，虽然粒径大的灰粒磨损能力强，但因为撞击管壁的灰粒数降低，所以磨损量变化较小。

3.3 飞灰浓度的影响

烟气中飞灰浓度升高，那么单位时间内撞击在管壁上的灰增加，磨损加剧，管子的磨损量与飞灰浓度成正比。

3.4 管壁材料硬度的影响

管子的磨损量与管子材料硬度Hb和灰粒硬度Hh的比值关系密切。当Hb /Hh较小时，磨损量较大，当Hb /Hh增大到某一临界值后，磨损量将迅速降低。当Hb /Hh<0.5～0.8时，灰粒硬度远大于管壁硬度，管壁极易被磨损。当Hb /Hh≥0.5～0.8时，提高管壁的硬度将会使耐磨性迅速提高。

3.5 气流方向的影响

当烟气自上而下流动时，灰粒受重力作用，速度增加，使得磨损量增加。而烟气自下向上流动时，灰粒所受重力使其速度逐渐降低，灰粒越大，速度降低越明显，从而降低了灰粒对管壁的磨损。因此，受热面采用烟气上行布置时可以延长使用寿命。

3.6烟气成分的影响

当烟气中含有腐蚀性气体，如SO2、O2、H2O、H2S等时，若烟气温度低于250℃，腐蚀性气体将对管壁产生腐蚀作用。若管壁温度高于250℃，烟气中的SO2、O2将与壁面的氧化层反应生成SO3，对管壁产生硫酸盐型腐蚀。这些硫酸盐型腐蚀产物很容易被飞灰冲刷掉，裸露的管子表面再进行腐蚀。因此，腐蚀与磨损交替进行，使总的磨损速度加快。

3.7 烟气走廊

在对流受热面的布置过程中，为消除热膨胀的影响，蛇形管弯头与炉墙之间有一定的距离。由于间隙处的阻力比管排之间的阻力小，烟气流速远大于截面平均流速。蛇形管弯头与炉墙之间的间隙即为烟气走廊。

4 锅炉尾部低温受热面的防磨措施

4.1 设计时应合理限制烟气流速

由以上讨论可知，飞灰速度对磨损量的影响较大，所以降低飞灰速度可以有效地降低飞灰对受热面的磨损。最大允许烟速推荐值见表1。

但也并不是说烟气速度越低越好，烟气速度降低，受热面积灰问题严重，而且对传热也不利。磨损、积灰和传热均与烟气流速有密切关系，所以合理确定烟气流速显得尤为重要。

4.2 降低烟气中飞灰浓度、烟气中飞灰浓度不均匀

锅炉尾部烟道中飞灰速度和飞灰浓度的分布一般都不均匀，飞灰速度大与浓度大往往同时出现，导致局部管壁剧烈磨损。安装除尘设备，可以使一部分飞灰在进入竖井烟道前被清除，尤其是粒径较大的灰粒，减轻管壁磨损效果较好。在烟气走廊中，烟气平均流速是水平烟道内烟气平均流速的3倍，即使水平烟道中烟气平均流速仅为3m/s，但靠近炉墙一侧的平均流速将达到9m/s，使得管壁磨损率高出平均值的几十倍。因此，烟气走廊的存在加剧了管壁的磨损。为减少烟气走廊的危害，可在烟气走廊区加装护瓦，使流动阻力增大，降低流速。

4.3 在磨损剧烈的部位安装防磨装置

在管子易受磨损的地方安装防磨件，目的是将磨损转移到防磨件上，维护时仅需要更换保护件。例如，在省煤器弯头外侧安装集中的防磨板、在烟气走廊中安装防磨的阻流板等。

4.4 优化结构设计

省煤器适宜选用较大直径的管子，管子直径增大，灰粒冲击管壁的概率降低，造成的磨损降低。例如，将管径由32mm改为42mm，飞灰的撞击概率约下降到10%。但是管子直径降低，其刚性变差，造成管子布置不整齐，管束之间易出现烟气走廊。目前省煤器普遍采用44～51mm的管子，再加之合适的管夹定距和支撑结构，尽管烟速有所提高，但省煤器磨损问题并不严重。相对节距s/d>2.5越大，灰粒冲击管壁的概率就越低，对于灰分较高的煤种，建议。通常顺列管排的磨损较错列管排轻。选用膜式或螺旋管式省煤器可以减轻和防止管壁的磨损。

4.5 使烟气自下而上流过受热面

若燃用灰分含量较高的煤种，锅炉适宜采用塔式或半塔式布置结构，使烟气自下而上流过受热面，利用飞灰的重力，使其速度降低，以减少磨损。

5 结语

总之，进入尾部受热面的烟气流速、烟气中飞灰浓度应控制在合适的范围内，通过优化结构设计也可减轻磨损。锅炉尾部低温受热面的磨损与许多因素相关，从设计、运行等各个方面都需要引起高度重视，这样才能提高尾部低温受热面的寿命，保证锅炉安全、高效地运行，发挥其最大的经济效益。

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