循环流化床锅炉磨损防护技术与应用进展

发布时间：2023-09-19 02:51:29

循环流化床锅炉是中国燃煤火力发电的重要组成部分，目前我国投产的100 MW以上容量等级机组已超过90GW，除电力及热力供应外，循环流化床锅炉在石油石化、冶金造纸等行业也有广泛应用。

但相较于传统煤粉锅炉，循环流化床锅炉在运行可靠性上还存在一定差距，这是由于磨损是造成循环流化床锅炉非计划停运的重要因素。

美国Nucla电厂420 t/h循环流化床锅炉最初运行的15700h中，由磨损造成的事故接近事故停炉总数的50%；国内某厂3台135 MW循环流化床锅炉投产11a内总计停机125次，其中计划停机38次、故障停机87次，炉内水冷壁泄漏故障高达66次，占故障次数的75.8%。

炉内磨损的主要区域

水冷壁管的磨损受多因素、多作用机理同时支配，且炉内气固两相动力学特性的复杂性，不同区域受磨损程度各异。一般而言，磨损大多集中在以下区域：炉膛下部密相区、过渡区、屏式受热面连接区、四角区、炉顶区、炉膛出口区域、不规则区(测点区)。

1、密相区磨损

炉膛密相区布置有一、二次风口以及进煤口、返料口，密相区气固扰动最强烈，涡流最明显。密相区一般覆盖有耐火耐磨材料，通常不会产生显著磨损，如果耐火耐磨材料脱落，则该脱落区域会快速磨损并可能引发停炉，图1为给煤口区域的磨损。

图1 给煤口区域磨损

2、过渡区磨损

水冷壁与耐火耐磨材料的交界区域磨损较严重，过渡区域磨损机理示意如图8所示。造成这种磨损的原因为：① 高速边壁流受下方耐火耐磨材料阻碍，流动方向被迫发生剧烈改变，形成由截面突变导致的台阶效应；② 边壁流在此处遇到上行固体物料流，局部产生涡流加剧磨损。

图2 过渡区域磨损机理示意

此外，由于此处靠近炉膛底部的布风板，原先垂直下降进入炉内的固体颗粒流还会与斜向扩散的一次风气流发生碰撞，在炉膛前后墙形成碰撞，造成磨损。

3、屏式受热面连接区磨损

屏式过热器、屏式再热器安装在炉膛中上部。其下端连接区易受边壁下降流与核心区上升流产生涡流的影响，底部浇注料在长时间冲刷下有可能脱落，失去保护后，受热面管将直接暴露在高速运动的固体颗粒中，如图3所示。

图3 屏浇注料脱落引起的磨损

4、四角区域磨损

在炉膛顶部的四角区域，相邻边壁流在此处叠加、混合，颗粒浓度几乎增加1倍。有学者指出，矩形、方形截面的流化床锅炉角落效应更明显，即边角更易形成高浓度颗粒层。顶部过渡范围较小，水平方向的不平滑转角使得气流在此易形成局部涡流，因此四角区域的磨损在循环流化床锅炉中也较为明显，如图4所示。

图4 炉膛四角区域磨损

5、炉顶和炉膛出口区域磨损

烟气离开炉膛时，颗粒与气流在出口区域发生分离，转弯处的离心力作用将大量颗粒甩向布置在炉顶区域以及炉膛出口区域的受热面，进而产生磨损，炉顶与炉膛出口区域的磨损如图5所示。

图5 炉顶与炉膛出口区域磨损示意

6、不规则区域磨损

炉内一般还设有大量开孔结构，如温度压力测量点、人孔门、给煤口、返料口、床上燃烧器风口及二次风口等。不规则的凸起导致流场发生突变，引起固体颗粒流局部流动不良，造成对周围水冷壁的磨损，图6为热电偶及开孔处磨损。

图6 炉膛不规则区域磨损

减轻炉内磨损的设计措施

循环流化床锅炉通常使用让管设计作为减轻磨损的技术措施，让管法通过将水冷壁管向外弯成勺形（图7），耐火耐磨材料与上部水冷壁管保持平直（或耐火耐磨材料面低于水冷壁管）。在这种结构设计下，边壁流沿壁面平直下落，固体颗粒流因受耐火层阻碍形成的局部涡流磨损减轻。

图7 让管结构示意

对于采用让管结构的锅炉，炉膛锥段上部1～2 m区域(原磨损严重区域)磨损一般较轻。云南某300 MW CFB锅炉将凸台软着陆改为让管技术后，机组连续运行时间明显提升。但该技术对设计要求较高，部分电厂也曾出现过因设计不当造成磨损上移的问题。

炉内防磨技术措施及应用效果

由前文可知，受热面磨损严重的问题制约着流化床燃烧技术的进一步发展，鉴于此，国内科研人员与应用单位在主动防磨与被动防磨领域进行了诸多尝试。前者从炉内气固两相流体动力学特性入手，以疏导炉内固体颗粒为切入点，减小边壁流对炉内受热面的冲击碰撞；后者通过合成硬度更高、耐磨性更好的原材料敷设于易磨损部位，代替其与炉内固体颗粒流接触。

主动防磨

1、防磨护瓦

防磨护瓦为直条、U型或S型瓦状物，截面通常为半圆形，将其罩在受热面易磨损部位。护瓦在中小型循环流化床锅炉上使用广泛。云南某小型循环流化床锅炉对四角区域第2根管道焊接防磨瓦，解决了该处磨损严重的问题。

护瓦会在水冷壁上形成凸台，对未安装护瓦的部位造成涡流磨损；护瓦内表面与水冷壁表面之间存在空气隙热阻，影响传热过程，因此该技术在大型循环流化床锅炉上很少采用。图8为工程改造中使用的直条护瓦。

图8 直条护瓦

2 、防磨梁

防磨梁技术，也称主动多阶防磨梁技术，指在炉膛水冷壁面沿高度方向以一定间距水平或倾斜布置多层环绕全炉膛的防磨梁，旨在破坏稳定的边壁流，降低边壁流的浓度及速度。防磨梁一般为耐火耐磨材料浇注而成的凸台，由销钉固定在水冷壁上，防磨梁结构如图9所示。

图9 防磨梁结构示意

防磨梁能降低边壁流的整体速度，部分工程项目显示，边壁流到达密相区时的速度甚至可以降至1 m/s；固体颗粒受到防磨梁的阻挡后，颗粒团被分散，部分形成斜射流转向炉内运动(图10)，重新进入核心区参与燃烧，边壁颗粒流浓度因此降低。此外，防磨梁上方形成的自然积灰会对边壁流形成软着陆，也能减轻因冲击转向形成的涡流磨损。

图10 炉膛内部流场示意

但防磨梁的设计方案对使用效果产生重要影响，部分机组在实际运行过程中出现了磨损上移的现象，如内蒙古某440 t/h循环流化床锅炉安装9道防磨梁后，检修期间发现防磨梁根部出现不同程度的磨损。

还有部分机组使用防磨梁后出现床温升高和锅炉出力下降的问题，如山东某循环流化床锅炉在炉内加装8道防磨梁，试运行期间发现排烟温度提升超过30 ℃，低负荷与高负荷条件下均出现蒸汽压力、蒸汽流量波动较大等问题，最终不得不拆除其中3道防磨梁，并在原位置作喷涂处理；河北某循环流化床锅炉采用防磨梁技术后，发现额定负荷下床温上升14 ℃，一定程度上影响了降低污染物排放和锅炉运行带负荷能力。

分析认为，尽管防磨梁在炉内受热面磨损方面应用效果较好，但使用过程中需覆盖一定面积的水冷壁，同时还会对边壁流动及传热产生不利影响，设计不当的防磨梁很容易造成锅炉运行参数波动、热效率下降以及防磨梁根部等局部区域磨损加剧。

因此，防磨梁使用前必须进行设计计算，尽可能避免这些负面影响。

3、格栅防磨

格栅防磨（有时也称防磨隔板、防磨导流板、梳型板）的防护原理与防磨梁相似，通过在炉膛前后墙与侧墙分层安装横向、竖向隔板，形成格栅式防护，减轻物料涡流、物料斜向流动对水冷壁管正面及侧面的冲击磨损(图11)。

由于格栅采用金属材质且本体较窄，具有良好的导热能力，因此对边壁区流动结构及传热影响也较小。

陕西某480 t/h循环流化床锅炉安装格栅防磨后，每个检修周期内实测磨损量仅0.1 mm。

国内大量350 MW超临界循环流化床锅炉也将格栅防磨作为主要防磨技术。如广西某厂3台350 MW循环流化床锅炉，在水冷壁标高22.6 m以上的整个炉膛安装格栅防磨，安装区域内水冷壁管防护良好，未见磨损。

图11 金属格栅安装

采用格栅防磨替换防磨梁也是近年来较普遍的技术方式。

内蒙古某厂在炉内加装防磨梁后发现由于边壁层对水冷壁辐射面积减少导致锅炉负荷降低，改装为格栅防磨后，负荷恢复正常水平；

河北某300 MW循环流化床锅炉拆除水冷壁上部炉膛防磨梁后将其改装成格栅防磨，防磨效果良好且锅炉带负荷能力有所提升；

陕西某300 MW循环流化床锅炉将后墙防磨梁拆除后降低了床温且炉膛上部磨损减轻。

被动防磨

1、金属喷涂

金属喷涂法分为超音速火焰喷涂和超音速电弧喷涂。

该项技术以燃气燃烧或高温电弧为热源，凭借其释放的热量将粉末状或丝状的特殊金属材料加热至半熔融或熔融状态，再通过压缩空气或燃气压力，以超音速气流将处于熔融状态下的金属雾化，喷射到水冷壁表面，最终形成厚度0.3～0.8 mm的金属涂层。处于高温环境下的涂层会生成致密、稳定性较好的氧化膜，在水冷壁表面上形成硬度更大的防磨损层，以达到局部防磨的作用。金属喷涂后的水冷壁管如图12所示。

图12 金属喷涂后的水冷壁管

河南某440 t/h循环流化床锅炉，对密相区耐火耐磨材料以上1.0～1.5 m区域，以及屏式过热器、屏式再热器耐火耐磨材料以上1～2 m区域实施超音速电弧喷涂，使管壁寿命延长4～6倍。但对于燃用劣质煤的循环流化床锅炉，该技术保护周期一般小于6个月，每年需重新喷涂1～2次。

此外，金属喷涂因厂家不同，质量良莠不齐，往往会加剧磨损。江苏某循环流化床锅炉检修期间发现水冷壁鳍片上的喷涂涂层出现大范围磨损和鼓泡，通过扫描电镜及能谱仪发现，涂层与管材基体之间被腐蚀渗透，随腐蚀产物增加，涂层逐渐向外凸起形成鼓泡，局部凸起最终加速了涂层脱落，引发新的磨损。

2、激光熔敷（熔覆）

激光熔敷（熔覆）是近年来广泛使用的新技术，使用激光熔敷技术处理后的水冷壁管如图13所示，其选用高温抗磨、抗热、抗蚀、抗疲劳的复合材料为原材料，激光熔敷（熔覆）层与基材之间通过原子或分子间结合和交互扩散结合，致密性较高。

图13 使用激光熔敷技术处理后的水冷壁管

新疆某热电厂将原水冷壁管更换为激光熔敷管后，经过3a检验，激光熔敷层完好，大幅延长了水冷壁的使用寿命；

新疆某小型循环流化床锅炉对浇注料以上约4 m区域的水冷壁进行熔敷处理，杜绝了之前的非正常停炉现象；

青海某240 t/h循环流化床锅炉对浇注料以上1.5 m区域进行防磨技术升级，以熔敷层取代耐火材料层，实施完成后，不仅提高锅炉的防磨能力，风机电耗及燃料消耗量也相应降低。

但该技术施工成本较高，进行全炉膛防护时为防磨梁和金属隔板技术的2～3倍，此外技术施工不当易在水冷壁管上形成细小裂纹，对操作水平要求较高。

综合评述

总体而言，前文所述防磨技术各具优缺点，传统被动式防磨的技术有金属喷涂、防磨梁等，在格栅防磨技术没被推出之前这些技术都是最主流的水冷壁防磨技术。