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1、型循环流化床锅炉防磨技术的改进与改造1 前言国内 CFB 锅炉历经十多年的开发、研制和运行单位不断改造，无论在设计、制造和运行方面 都在日渐成熟，基本上解决了 CFB锅炉出力过低达不到额定负荷、点火启动困难、运行中易 超温结焦、安全运行不过关等严重问题，但 CFB 锅炉目前仍存在设备磨损严重、防磨措施不 力的问题，限制了锅炉运行周期，引起非计划停炉率增高，检修工作量增大。因此，CFB 锅 炉能否采用合理的、有效的、经济的防磨技术是关系 CFB 锅炉技术成熟及大型化发展的关键。2 防磨设计思路及结构特点现运行的三台 BG-75/5.29-M1 型 CFB 锅炉是北京锅炉厂引进美国 RELIY 公
2、司技术，自行制造达 到完全国产化的典型 circofluid 型CFB 锅炉，具有以下特点：a.炉膛前竖井采用塔式布置，悬吊结构，燃烧室净高度为15.31 米，下半部炉膛 9.6 米高度 内完全采用倒梯形结构，使密相区被一次风夹带的部分粗灰经扩容后降低上升烟速，形成自 身分离，减少了烟气对粗灰的夹带浓度，有利于降低对流管束的磨损。b.锅炉采用中温分离、低倍率循环的低速床是为了解决高速床的磨损问题，研制单 位通过实验，得出锅炉受热面的磨损有如下关系式：E=f1f2CV3.5式中：E磨损量，f1灰粒特性系数，f2 受热面布置型式及冲刷方式系数，C飞 灰浓度，V烟气速度。可以看出，当煤种和受热面结构
3、型式一定时，其磨损量与飞灰浓度的一次方成正比，与烟气流速的 3.5 次方成正比。说明影响磨损的首要因素是烟气流速，其次 是飞灰浓度。因此，为了解决磨损问题，锅炉设计上采取了如下的标本兼治的防磨措施：大幅度降低烟气流速：对于前竖井上方的对流受热面控制烟气流速在 5.5m/s 以下，降低烟气 流速是最有效的防磨措施。大量试验结果和实践证明，只要控制在 5.5m/s 以下就是安全的。降低烟气中的飞灰浓度：采用 10 倍以下的低倍率循环，流化风速选取 3.54.5m/s 使烟气中 的飞灰浓度降至 12kg/Nm3，是高速床的 1/51/10 其磨损量也大幅度降低。在对流受热面结构设计上均采用顺列管束，
4、第一排管束迎风面设有平防磨板全部保护 ，主要弯头及穿墙管均设置耐热合金钢防磨挡板。c.炉膛水冷壁完全采用耐火材料内衬全部防磨，密相区（二次风口以下）采用氮化硅砖覆 盖，稀相区（二次风口以上）采用高铝质砖覆盖。旋风分离器内加速段冲击区及其入口切向 烟道采用碳化硅砖焊接螺栓来固定，筒体内部采用高铝质砖高温粘合，以上各种衬砖厚度均 为 47mm。3 锅炉暴露的主要设备、部件的磨损与防磨3.1 炉膛上方蒸发管、过热器的磨损分析与防磨改进措施锅炉蒸发管、过热器管束布置在炉膛出口，蒸发管管径为323.5 管束纵向布置 4 列、横向 61 排，材质为 20g，过热器管径 424 横向 61 排，材质为 20
5、g 和 15CrMo，对流受热面结构布 置如图 1 所示。3.1.1 管束磨损严重的原因分析a.锅炉燃烧煤种热值过低，硬度大。烟气中飞灰浓度增大，相当于煤粉炉的十几倍至几十 倍，造成磨损冲刷十分严重。b.防磨措施不完善，主要反映在所有弯头处在炉膛边缘，烟气流速较快且弯管加工时管壁 较薄，防磨挡板也未起到较大防磨作用。蒸发管直管段只有第一排迎风面设防磨板，第二、 三、四排管束磨损也很严重，多次出现爆管。另外，蒸发管纵向顺列管束易出现错乱，也造 成磨损严重。c.运行人员调整一、二次风量过大也造成磨损加剧，内蒙古有一家电厂使用同型锅炉因一 次 风量过大，新炉只运行三个月就出现爆管故障。蒸发管、过热器
6、易磨损部位如图 1 所示。3.1.2 蒸发管、过热器管束防磨措施的改进a.对流受热面所有弯头部位都采用半圆形防磨瓦对扣包裹焊接，材质可选用硅铬铝、铁铝 瓷或耐热铸钢等耐磨耐高温金属,长期运行不会弯曲变形，且防磨瓦厚度不宜超过 4mm，要求 内表面光洁，接触严密不易窜入飞灰，防止防磨瓦厚度增加过大,改变烟气流走向,对其它部 位磨损过大。b.蒸发管管束安装时，仅第一排迎风面带有平板式防磨护瓦，材质为 1Cr20Ni14Si2，长期 运行不耐高温出现弯曲变形，改换为 Cr25Ni20 耐热不起皮钢，蒸发管纵向管束限位的梳形卡 具是保证管束顺列不错乱而采取的防磨措施，也由原来 1Cr20Ni14Si2
7、 改换这种材质，三年来 未发生损坏现象。后来将第 2、3、4 排直管段迎风面也采用半圆形防磨护瓦保护，即使管壁 磨损到 1 mm 厚加上防磨瓦也能保证运行一年不爆管。c.在锅炉运行中，调整好一、二、三次风量配比，控制流化风速在 3.54m/s 较低范围内 ，保证蒸发管处烟速在 5.5m/s 左右。煤种尽量选择 15910kJ/kg 以上中低等磨损的褐煤，有利 于降低飞灰浓度减少管束磨损。d.目前也有一些单位 CFB 锅炉受热面采用金属表面各种喷涂方法，如高温喷涂和低温高压 喷涂技术，防磨效果较理想，但成本较高。3.2 后竖井低温省煤器和空气预热器的磨损与防磨3.2.1 磨损情况分析锅炉的低省为
8、膜片式，由 39 片组成，每片之间由卡具来 固定，烟道两侧弯头处设有防磨瓦。直管段第一排迎风面可方便地安装防磨瓦，能较好的起 到防磨作用，只有烟气流分布不均及分离器满灰未经常排放将造成低省磨损加剧、漏泄。空 预器的磨损与腐蚀问题是较严重的，该炉型空预器分四级卧式布置，其中一四级空预器（走 一次风）磨损严重，主要发生在前排迎风面及烟道两侧排纵向管束，尤其是一级空预器在 12 5135的排烟温度下运行易结露，有低温腐蚀现象，新炉运行两年就有逐渐漏泄的管子， 当漏泄严重时一次风压降低导致炉床结焦。布置在中间的二三级空预器（加热二三次风）磨 损略轻。3.2.2 空预器的改进设想每一级空预器的第一排管束
9、迎风面都应安装 2mm 厚的防磨弧形板， 第二三排管束都应由原来的 401.5 改为 402，烟道两侧排管束也应该为 402，则 使用寿命有望提高两年，第一级空预器处于低温段易结露腐蚀严重，设想采用新型搪瓷钢管 式空预器，外表面光洁摩擦系数小、耐腐蚀，使用寿命有望达 6 年以上，即使设备价格增加 一倍也是可行的。3.3 炉膛防磨内衬砖的脱落与磨损问题的改造3.3.1 问题的提出锅炉的密相区水冷壁采用氮化硅砖，防磨基本是过关的。每块砖尺寸为 180mm200mm，用一个螺栓和螺母来固定，在9001000的高温下出现腐蚀 、过热 、脱落问题，砖与水冷壁间产生间隙，使热灰窜入产生膨胀，尤其在启停炉过
10、程中冷热膨胀 过快，破坏性更大，有时大面积衬砖鼓包、脱落造成流化不良，下渣口被堵塞，不能正常排 渣，导致停炉。稀相区（二三次风口区域内）高铝砖也易磨损，三次风口以上的高铝砖不易磨损。3.3.2 改造方法取消密相区及二次风口上方的氮化硅砖，我们选用刚玉碳化硅耐磨浇注料 ，在水冷壁膜片上焊“V”字型 5 不锈钢抓钉，间距90mm90mm，在炉内支膜板振捣注料 60 mm 厚 。经 6 个月的累计运行考验，无脱落、无深度磨损痕迹，只有裂纹出现，未影响浇注料 牢 固性，还有待长期运行考验。采用浇注料取代氮化硅砖，整体捣打不易脱落，免去因衬砖脱 落造成的锅炉故障，运行可靠性大大提高且浇注料的成本也远低于
11、成型的氮化硅砖制品。二 三次风口间的高铝砖磨损不严重，不必改造可两年更换一次。3.4 旋风分离器内衬防磨绝热砖磨损与脱层的改造3.4.1 问题的提出锅炉采用中温分离，旋风分离器内径只有 2.2 米，由 10 mm 厚20g 的钢板制成，内衬 47 mm 厚的 碳化硅砖和高铝砖，分别用螺栓固定和粘结剂粘结，结构简单。运行中锅炉出口烟温 976 流经蒸发管、过热器、高省后，烟温降至 450，烟气体积大大缩小，但含灰浓度增高，进 入分离器的高速切向气流对分离器内衬及中心筒冲刷磨损相当大，用来固定衬砖的螺母长期 运行易磨掉，尤其是高铝砖不耐磨出现层层脱皮，分离器在启停炉胀缩过程中，下半部的高 铝砖受到
12、挤压大量脱层掉皮，落入返料器中使循环灰中断，锅炉被迫降负荷运行。另一方面 ，旋风分离器的中心筒磨损也相当严重，累计运行半年中心筒下部就磨漏，分离器效率降低 ，同时对尾部受热面磨损也相当严重，必须改造。3.4.2 改造方法取消旋风分离器内衬碳化硅砖和高铝砖，选用刚玉莫来石耐磨浇注料，与炉内浇注料施工方 法相同，厚度为 60mm，不锈钢抓钉分布可密度略大些，施工完成后运行六个月基本完好无损 ，还有待长期运行考验。旋风分离器的中心筒磨损改造方法是将原中心筒=8mm 的普通碳钢 改为 =10mm 的硅铬铝材料，由于中心筒体积大，可分三段铸造再焊接成型。硅铬铝材料耐 磨耐温性远高于一般金属，该项改造在某
13、电厂已完成，并尝试运行一年未发生损坏现象， 取得成功经验，值得推广。3.5 锅炉炉床风帽磨损的改造3.5.1 风帽的结构优势及存在问题风帽是 CFB 锅炉重要燃烧部件，是炉内高温高磨损下的易 损部件，风帽的质量直接影响 CFB 锅炉流化工况、燃烧的稳定性是安全运行的保证。锅 炉的布风装置与国内 CFB 锅炉确有不同，10m 2 的布风板上只布置 242 个大直径圆柱型 风帽，该风帽采用迂回式气流沿下圆周侧向开缝，虽然布风阻力大，但风帽出口风速高，对 炉底部粗颗粒产生强烈扰动，以防止结焦同时也有利于风帽的冷却，不易烧坏风帽，床内细 渣不会漏入风室。该风帽结构由风管、骨架、外罩三部分组成，相互间都
14、采用焊接方式结合 ，原风帽结构如图 3 中 a 所示。运行中出现外罩磨损严重、顶面磨漏，尤其在燃用劣质煤大 负荷运行下，累计运行六个月就需大批更换风帽，外罩与骨架靠 8 个筋板点焊接，有脱落现 象，这样，破坏了炉内流化工况，不利于锅炉安全、稳定运行。3.5.2 炉床风帽的改造首次改造是为解决风帽外罩磨损和脱落问题，一方面取消原结构 外罩与骨架焊接方式，采用整体精密铸造形式将外罩与骨架铸成一体，同时将原外罩壁厚 5m m 增加到 8mm，其结构如图 2 中 b 所示为改进型。另一方面改变原耐热合金钢铸造材质，加入适量的Mo 和 V 元素以提高其高温机械性能和抗磨损、抗氧化性能。新型铸造材质与原材
15、质 的高温机械性能实验对比如表 1。这样，整体铸造的风帽，其防磨性能、耐高温性及抗氧化性大大提高，也避免了风帽外罩的 脱落问题，经实际应用，使用寿命也提高到两年左右，延长了锅炉运行周期，已获国家专利 。为了再次提高风帽的耐磨性，第二次改造仍然保留风帽整体铸造的结构，从外形上由原 来的圆柱型改造成半球型如图 2 中 c 所示为改进型，大大降低了冲刷磨损流动阻力，而且 重量减轻。目前在我公司锅炉内已运行三个月，停炉后经检查，该风帽外形磨损轻微，尺寸 基本无变化，即加强了防磨又减轻重量降低了制造成本。正在各北锅用户中推广应用，该项技术成果已由国家专利局批准为实用新型专利。为降低大修成本及缩短抢修时间
16、，改进型风帽即将研制成功，主要采用风管与风帽螺纹连接方式，更加具有先进性和实用性，不久便可推广使用。4 结束语：国产化 circofluid 型 CFB 锅炉已有十年投运时间，该炉型确有煤种适应性广，燃烧稳定，运 行周期长，热效率较高，负荷调节比大，调节方便、迅速，床温控制稳定，易达到较好的脱 硫效果等优点。但也暴露出一些具体问题，如炉内飞灰浓度高，对流受热面磨损大，浓相区 水冷壁及风帽磨损腐蚀严重，防磨措施不完善等问题，经过生产用户不断的改进和改造，取 得了一些成功的经验，但要真正地解决防磨问题还需从多方面入手，既要治标又要治本，既 要好的防磨效果又要控制成本，使我国 CFB 锅炉的防磨技术达到先进水平，为将来实现大型 化取代煤粉炉打下良好基础。
