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CIRCOFLUID型循环流化床锅炉防磨技术的改进与改造

发布时间：2009/6/10 阅读次数：1205 字体大小: 【小】【中】【大】

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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=f1×f2×C×V3.5
　　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3.5～4.5m/s使烟气中的飞灰浓度降至1～2kg/Nm3，是高速床的1/5～1/10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，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Φ32×3.5管束纵向布置4列、横向 61排，材质为20g，过热器管径Φ42×4横向61排，材质为20g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3.5～4m/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 5～135℃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Φ40×1.5改为Φ40×2，烟道两侧排管束也应该为Φ40×2，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180mm×200mm，用一个螺栓和螺母来固定，在900～1000℃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Φ5不锈钢抓钉，间距90mm×90mm，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δ=8mm的普通碳钢改为δ=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Ⅰ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质的高温机械性能实验对比如表1。

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　　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Ⅱ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，改进Ⅲ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。

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