130t/h循环流化床锅炉磨损分析与措施

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  摘 要:本文针对热电厂锅炉车间新系统(9#~11#)循环流化床锅炉的风帽磨损、蒸发管束受热面(水冷壁)磨损、对流烟道受热面磨损、旋风分离器磨损情况、原因分析,以及采取相应的防磨措施进行总结,以进一步提高CFB锅炉运行的安全可靠性。
  关键词:循环流化床磨损原因措施
  中图分类号:TK22 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)01(c)-0045-02
  
  循环流化床(CFB)锅炉是近几年在我国发展起来的一种新型燃烧设备。在环保要求日趋严格的今天,CFB锅炉已成为当前最有前途的锅炉燃烧设备,但是CFB锅炉与其它锅炉相比,其磨损比较严重。循环流化床锅炉内的高颗粒浓度和高烟气流速的运行特点,决定了炉内部件都会受到含尘烟气的高速冲刷,磨损问题显得较为突出,尽管锅炉厂家在设计时采取了许多有效的防磨措施,但由于循环流化床锅炉内的固体颗粒浓度为煤粉炉的几十倍甚至上百倍,加上设计、制造和安装原因以及运行情况的复杂性,受热面要受到大量固体物料的不断冲刷,严重的磨损问题有待解决。
  热电厂锅炉车间新系统(9#~11#)循环流化床锅炉额定蒸发量为130t/h,过热蒸汽压力9.8±0.3MPa,过热蒸汽温度540±10℃,汽包工作压力10.94MPa。燃料(煤)颗粒度范围0.425-8mm,单炉累计运行时间约为28000h(9#、10#锅炉于2001年10月正式投产),现对该锅炉的风帽磨损、水冷壁磨损、对流烟道受热面磨损、旋风分离器磨损情况及原因分析,并对采取的防磨措施进行总结(主视图见图1)。
  
  1 蒸发管束受热面(水冷壁)的磨损
  1.1 炉膛下部敷设耐磨料与水冷壁过度(交界)区域的管壁磨损
  
  这类磨损方式比较严重,危害之大,且较难处理,其磨损的机理有两方面:一是在过渡区内由于沿管壁向下流动的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反因而在局部区域产生涡流;二是沿炉膛面向下运动的固体物料的运动方向发生了改变,从而对水冷壁产生冲刷,该区域的磨损并不是在炉膛四周均匀发生的,而是和炉内物料的总体流动形式有关。
  为了减轻该区域的磨损,我厂最初采取的措施是将凹沟补焊磨平后,贴紧管壁加焊防磨盖板和采用电弧喷涂等方法,但采用这种方法也只能运行三四周就会出现水冷壁泄漏,有时侯运行周期只有15天,看来加盖板的方法效果是有限的,不能保证锅炉的运行周期,需要频繁维护和修补,从而影响生产和增加运行费用。于是重新寻找新方法:将膜式水冷壁向外折弯(让管),使该处浇注料与膜式水冷壁肋片形成上下一致的整体平面(如图2),这样物料流沿壁面平直下滑,消除了局部涡流区,使磨损量大大减轻,甚至在该处基本上看不出磨损。但在打浇注料时,在浇注料施工完毕后拆模板时,一定要检查浇注料与折弯管上部膜式壁肋片过渡平滑,不能出现台阶或渗浆造成的棱角(凸台),否则达不到防磨的效果。经过2~3年的运行情况观察,该方法效果比较显著。
  1.2 炉膛四角区域水冷壁磨损
  在我厂运行的CFB锅炉中发现炉膛四个角落区域水冷壁磨损也比较严重,其原因是角落区域内沿壁面向下流动的固体物料浓度比较高,同时在锅炉四壁处物料流动状态也受到了破坏。从而使循环流化床锅炉炉膛角落区域水冷壁磨损比较严重,这是四角水冷壁磨损严重的一个重要原因之一;但我认为,还有另一个原因是汇集于直角区域的固体颗粒比在一侧水冷平壁边的固体颗粒对金属表面碰撞造成冲击磨损的机会要大所至。要想改变此处的磨损可以将拐角(直角)处改为圆角代替,有条件时在该角落区增加扩散风效果更佳。
  1.3 不规则管壁的磨损
  不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上的焊缝等,此外,还有一些炉内的测试元件,如热电偶等。运行经验表明,即使很小的几何尺寸的不规则也会造成局部的严重磨损。在我厂3台已投运的循环流化床锅炉中,每台锅炉都在锅炉炉墙开孔处的弯管区域发生了程度不同的磨损,其中开孔上部的弯管磨损较轻,而开孔下部的弯管则磨损比较严重。对接水冷壁焊缝也存在磨损,这类磨损首先发生在焊缝的上部,在这种情况下,当焊缝磨平以后磨损终止,而在另外一些情况下,焊缝上面的管子也发生磨损,因此,施工中水冷壁管焊口打磨光滑是很有必要的。对于用于测试温度的热电偶,为使测得的炉内真实温度,必须有足够的热电偶插入深度,这样就会导致热电偶护套或邻近水冷壁管的磨损。
  炉内屏式过热器的磨损。其磨损机理与炉内水冷壁管的磨损机理相似,主要取决于受热面的具体结构和固体物料的流动特性等,只要采取适当区域防磨措施,一般不会产生严重磨损,但我厂9#、10#锅炉已出现过由于屏式过热器的磨损严重造成泄漏而被迫停炉,我认为可能是由于该管子已达到了它的使用寿命未及时更换所至。
  我厂在2003年11月的一次停炉检查中,发现蒸发管束管存在严重的磨损现象,尤其正对着旋风分离器入口的第1、2排蒸发管束管磨损最严重,只好一一对其进行了更换。分析其主要原因是:最后一排蒸发管束距离旋风分离器入口很近,大量含尘烟气要集中通过一个较小的分离器入口,必然在分离器靠两侧炉墙处形成死角,形成一个不均匀的流速场,使正对着分离器入口的蒸发管束处的烟气流速大大提高,而磨损与烟气流速的3次方成正比。当时所有的蒸发管束均未加防磨瓦,全为光管光管,因而磨损比较严重。
  目前,我厂在对应分离器入口的蒸发管束的迎风面和侧面都增加防磨瓦,在光管水冷壁(屏式过热器)上通过喷涂耐磨合金材料,取得了一定的效果,延长了蒸发管束的使用寿命。在下一阶段我建议在旋风分离器入口处增设导流板,以改变流速场的分布,彻底解决蒸发管束磨损问题。
  
  2 旋风分离器和“J”阀回料器的磨损
  该锅炉采用高温汽冷旋风分离器,中心筒材质为奥氏体钢种RA-253MA,分离器直径较小,分离效率较高,从而提高了锅炉的燃烧效率,且制造工艺简单,但不易更换;物料循环倍率较高,改善了煤的燃烧条件和炉内传热,延长了物料的燃烧时间,有利于物料的燃燃烬,从而使9#、10#锅炉的飞灰含碳量和底渣含碳量一直保持较低的水平。
  锅炉运行近3年后,就发现旋风分离器进口膨胀节和“J”阀回料器膨胀节、料腿等多处漏灰,停炉检查发现分离器中心筒也多处受到不同程度的磨损,并有许多深浅不一的冲蚀点,分离器入口处局部磨损比较严重,内衬耐磨可塑料多处脱落。结合循环流化床锅炉烧机理,根据磨损情况可以判断,分离器的磨损是受到含尘烟气的高速撞击和冲刷而造成的(见图3),即是一种冲蚀磨损。主要原因:
  (1)入炉煤粒细粉所占比例过大,煤粒在挥发份析出阶段破碎和燃烧过程磨损、挤压又产生大量细粉,大大提高了分离器入口的飞灰浓度,加大了“J”阀回料器工作压力,而磨损与浓度成正比。
  (2)实际燃煤灰分含量比设计燃料高30%左右(设计燃料的灰份为27.5%,而我们实际使用的燃料的灰份有时高达35%),分离器收集的灰量无法全部返回炉膛再次参与循环,多余的灰最终随烟气直接经分离器中心筒抽到尾部烟道,造成中心筒的冲刷磨损。
  (3)锅炉厂家在设计时低估了分离器恶劣的工作环境,没有充分考虑中心筒磨损问题(内壁没有衬任何耐磨材料),使高速的含尘烟气直接冲刷、撞击金属元件而造成严重磨损。
  解决上述旋风分离器和“J”阀回料器磨损问题,我认为应从两个方面着手,一是设法将燃料粒度和燃料灰份控制在锅炉设计规定范围内;二是采取必要的防磨措施,用“龟甲网+耐磨耐火的可塑料”对分离器和J”阀回料器进行技术改造:打掉分离器入口处、J”阀回料器料腿敷设的耐磨可塑料表面层,露出销钉,在销钉上焊接龟甲网,再敷设一层厚度适中的耐磨耐火可塑料即可;如果出现可塑料脱落现象,可采取局部修补措施;若可塑料与龟甲网受到较严重的磨损,应清理后补焊密度和长度合适的“Y”形销钉,再敷设耐磨耐火可塑料。施工时,“Y”形销钉顶端应均匀涂上一层沥青,再敷设适当厚度的可塑料效果更好,并注意保持平面光滑。在锅炉大修时建议对分离器中心筒进行技术改进,采用由若干片弧形或平板形合金板(耐高温且耐磨)相互扣接而成的分离器中心筒,该筒分为上、中、下三段,每片由若干片结构完全相同的合金板组成,这样,当分离器中心筒局部区域被磨损或烧坏时,只需更换相应位置的合金板即可,能大大降低中心筒的检修工作量和运行维护费用。
  
  3 对流烟道受热面的磨损
  循环流化床锅炉对流烟道(尾部竖井)的磨损就其特性而言与煤粉锅炉没有大的区别。据有关资料表明,在良好的设计和运行管理条件下,锅炉对流烟道的磨损一般不会成为严重的问题。就我厂的循环流化床锅炉而言,对流烟道受热面的磨损仍是一个较为严重的问题(过热器由于磨损严重而泄漏过)。磨损发生的主要部位出现在高温过热器进口、高(低)温过热器、省煤器两端和空气预热器进口处,造成这些受热面磨损的主要原因是设计上考虑不周、安装时出现误差等,此外,受热面材质不好也是一个重要原因。在结构上解决的方法是加防磨瓦,并且将烟道与省煤器管的距离适当加大一些,以防止附壁下降粒子流对管夹的冲刷或对烟气走廊切除。加装烟气导向板,防止偏流,减少管排降低烟速,同时,把光管改为带鳍管以减少其磨损,对管式空气预热器加防磨套管。
  
  4 风帽的磨损
  该锅炉布风板经过大修改造后布置1102个“7”型定向风帽,风帽出口以一定的角度围绕布风板上的两个排渣管(锅炉左右侧墙)布置,使流化床布风均匀,有利于床内颗粒的流化以及把较大颗粒吹向排渣管口。在改造前运行期间,风帽磨损比较严重:有的风帽口缺角,有的头部磨穿,严重的整个风帽上部全部被磨掉。主要原因是风帽节距较小,布置过于密集,风帽材料耐高温和磨损性能较差,施工偏差大,以及风帽返料,部分被返下风室的物料再次随流化风经过风帽进入炉膛(CFB锅炉返料问题有待解决),致使部分风帽喷出的风料混合物直接冲刷风帽本身和前面的风帽,造成风帽磨损。对现有已投入运行的锅炉要改变风帽节距难度太大,只有采取增加风帽壁厚、调整最佳安装角度、严把风帽材质关(采用耐热耐磨特种钢)、尽量避免锅炉超床温运行等一系列措施,在正确的运行管理和精心的维护检修下,目前,我厂锅炉风帽的使用寿命一般都在8000h以上。在下一步锅炉改造中,建议采用钟罩式多孔风帽(11#锅炉现在使用的风帽形状)与“7”型定向风帽搭配使用,以避免风帽的磨损和影响床温测点的准确性。
  总之,循环流化床锅炉的磨损问题应从主动性和被动性两方面来解决。主动性是指从锅炉设计、制造、安装和运行上降低烟气流速和降低粒子的浓度,避免容易引起磨损的结构和运行工况;被动性是指增加易磨损部位的耐磨性来延长锅炉的使用寿命,从而被动地解决其磨损问题。针对循环流化床锅炉局部磨损情况,通过认真分析原因并相应采具有针对性的有效防磨措施,是可以彻底解决CFB锅炉磨损难题的,从而提高我厂CFB锅炉运行的安全可靠性和经济性。
  
  参考文献
  [1] 岑可法,倪明江,等.循环流化床锅炉理论设计与运行.中国电力出版社,1998.
  [2] 陈勇,等.DG130/9.8-3型锅炉设计资料,东方锅炉厂,1999.
  [3] 卢啸风.大型循环流化床锅炉设备与运行.中国电力出版社,2006.
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