摘要：循环流化床（CFB）锅炉的高倍率循环灰的流动使炉内磨损十分严重：据统计，磨损造成CFB 锅炉停炉的事故率达45%～50%左右。CFB锅炉的磨损问题是困扰循环流化床锅炉正常稳定运行的关键因素。
本文介绍了循环流化床（CFB）锅炉水冷壁磨损现状，在分析磨损机理的基础上，提出了主动多阶式CFB锅炉防磨技术。
关键词：CFB锅炉；磨损；防磨装置；设计
1 CFB锅炉炉内受热面磨损机理及其原因分析
CFB锅炉虽然具有上述优点，但相对于煤粉炉而言，循环流化床锅炉的高倍率循环灰的流动使炉内磨损十分严重：据统计，磨损造成CFB 锅炉停炉的事故率达45%～50%左右，当燃用高灰分劣质煤或矸石时，磨损问题更加突出。即使采用常规厚壁管、防磨护瓦、金属喷涂等防磨措施，很多电厂每年因此造成非停仍有数次之多，带来重大经济损失，成为CFB锅炉技术领域最为棘手、亟待解决的技术难题之一。
由此可见，对CFB锅炉水冷壁磨损规律的深入研究以及新的防磨技术的开发是保证CFB锅炉长期安全运行的关键因素，对CFB 技术的继续发展具有十分重要的现实意义。1.1磨损的产生机理
由于机械作用，间或伴有化学或电的作用，物体工作表面材料在相对运动中不断损耗的现象称为磨损。按磨损机理不同，磨损一般可分为粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损等。流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损称为冲蚀。冲蚀有两种基本类型，一种叫冲刷磨损，另一种叫撞击磨损，这两种磨损的冲蚀表面的流失过程的微观形貌是不完全相同的。冲刷磨损是颗粒相对固体表面冲击角较小，甚至接近平行。颗粒垂直于固体表面的分速使得它锲入被冲击物体，而颗粒与固体表面相切的分速使得它沿物体表面滑动，两个分速合成的效果即起一种刨削作用，如果被冲击的物体经不起这种作用，即被切削掉一小块，如此经过大量、反复的作用，固体表面将产生磨损。撞击磨损是指颗粒相对于固体表面冲击角度较大或接近于垂直时，以一定的运动速度撞击固体表面使其产生微小的塑性变形或显微破裂纹，在长期、大量的颗粒反复撞击之下，逐渐使塑性变形整片脱落而形成的磨损。一般在循环流化床锅炉受热面和耐火材料的磨损中，床粒颗粒与受热面和耐火材料的冲击角度在0º～90º之间，因此循环流化床锅炉受热面和耐火材料的磨损是上述两类磨损基本类型的综合结果。
CFB锅炉燃烧是炉内高速运动的烟气与固体颗粒密切接触进行流态化燃烧的过程，同时炉外大部分固体颗粒通过返料系统送回炉内再次燃烧，以充分利用。在高循环倍率的CFB锅炉中，气固两相流之间的滑移速度非常大，在炉膛内部核心区，流化风速较高，物料呈上升运动状态；在炉壁附近，流化风速极低，炉膛内部核心区的颗粒团随着气流向上运动的同时，不断向流化风速不高的炉壁方向滑移聚集，并且沿炉壁向下流动。物料形成沿炉壁四周向下速度不断增加、浓度不断增大的回流。CFB锅炉炉内受热面一直受处于流化状态的物料冲刷，造成金属表面一直经受着一定程度的磨损，随着磨损的不断增加，最终导致爆管。
1.2 CFB锅炉炉内受热面磨损原因分析
由CFB锅炉炉内过程可以看出，在炉膛内存在“环－核”流动结构：即在炉膛中心气流向上运动，而四周气流贴壁向下流动，而且向下流动的速度不断增大。
目前，很多学者对其磨损机理进行了较为深入的研究。一般认为，物料对炉内受热面管壁的磨损速率主要与贴壁物料风速、物料粒径、物料浓度以及流场的不均匀性有着密切关系。
2 CFB锅炉各部位的磨损状况及防磨技术
2.1 CFB锅炉各部位的磨损状况
2.1.1炉膛过渡区水冷壁磨损
耐火材料过渡区磨损原因有两个：一是在过渡区域内由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，因而在局部产生涡流。涡流方向主要决定于气流的方向，磨损坑的形状表明气流是从下向上磨损的；二是沿炉膛壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，产生对水冷壁管的冲刷。
2.1.2 炉膛稀相区顶棚水冷壁磨损
一般地，运行中炉膛稀相区水冷壁不会磨损。但由于锅炉安装未满足安装工艺要求、水冷壁上有突起物和水冷壁局部结构不合理等非正常因素造成水冷壁磨损爆管。
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2.1.3 顶棚水冷壁磨损
炉顶受热面的磨损主要是由于气固两相流在离开炉膛时在炉膛顶部转向，产生了离心
作用，将大颗粒物料甩向炉顶造成的。
2.1.4 双面水冷壁集箱前后穿水冷壁处磨损
双面水冷壁集箱前后穿水冷壁处，由于改变了贴壁流的流动结构，在该部位易出现局部涡流，这也就导致该部位易磨损爆管。
2.1.5 炉内屏过、屏再磨损
大型循环流化床锅炉炉膛内除了布置水冷壁及水冷屏外，还布置了屏式受热面，如过热屏、再热屏等。这些磨损机理和水冷壁的磨损相似，主要取决于受热面的具体结构和固体物理的流动特性等。
2.1.6 风帽磨损
风帽磨损主要发生在循环物料口的附近，其主要原因是由于高浓度的循环物料以较大的平行于布风板速度分量冲刷风帽。
2.2目前应用的防磨技术及其防磨效果
2.2.1降低烟气速度
受热面的磨损量与烟气流速的3～3.5次方成正比，显然，降低磨损的有效方法之一即降低烟气的速度。
对于含灰量大和灰渣磨损性强的燃料，炉内流化速度还应进一步降低。对于燃用煤矸石的CFB锅炉，炉内流化速度低于5m/s为宜。江西分宜发电厂首台国内自主研制的100MW CFB锅炉，炉内流化速度选用4.98m/s。
对于燃用高灰分劣质煤的CFB锅炉，其尾部烟道的灰浓度相对燃用低灰分燃料的煤粉锅炉要高得多，因此，从这点出发考虑，燃用高灰分劣质煤的CFB锅炉尾部烟道的烟气流速也应降低，省煤器区域的烟气速度<8.5m/s为宜。
2.2.2 防磨凸台或让管技术
耐火材料结合简易弯管（让管结构）可使耐火材料与上部水冷壁管保持平直（或耐火材料面低于水冷壁管），这些固体物料沿壁面平直下落，消除了局部产生的易磨区。
让管结构避免了耐火层与光管交接处的不光滑结合，其防磨效果是目前过渡区结构中最好，在大型CFB锅炉中得到了广泛的推广应用。但即使采用让管结构，由于过渡区物料浓度高，特别是贴壁下降流浓度高、速度快，相当部分锅炉水冷壁过渡区仍然存在严重的磨损。
2.2.3 防磨护瓦
增加防磨护瓦是避免局部磨损最直观有效的方式，也可以起到很好的防磨效果。但加装防磨护瓦容易在加护瓦区与光管区交界处形成新的磨损区；还应该注意护瓦变形导致的水冷壁局部磨损。
2.2.4防磨喷涂
喷涂技术分为热喷涂、静电喷涂、等离子喷涂、电弧陶瓷喷涂等。
目前，国内很多CFB锅炉对易磨损区域采用喷涂耐磨合金材料方法解决水冷壁磨损的问题。该技术虽然在一定程度上减轻了水冷壁的磨损。
2.2.5 多阶式防磨装置
为了有效降低贴壁流物料的速度与浓度，在炉膛四周安装主动多阶防磨装置。安装该防磨装置后，物料沿四周自由落体的高度被防磨装置分割成几段。物料贴壁运动的速度不再是处于一直增大的过程，而是由于受到一定的阻碍，自由落体的高度被大大缩减，这样贴壁流的速度将明显降低；物料浓度上的变化可以理解为，沿炉膛四周落到上一层防磨装置的物料受到其阻碍，改变了四周物料的运动方向，不再是垂直向下流动，而是按一定角度向炉膛中心流动。
2.2.6 加装防侧磨挡板
基于流化床锅炉炉内物料浓度高，且在炉膛烟窗出口出烟气成水平方向流动，要防止侧磨可采用防侧磨挡板。防侧磨挡板主要用来防止炉膛上部水冷壁的侧面磨损。烟气携带物料首先和挡板撞击，然后在冲刷水冷壁管。这种撞击大幅度减少了物料速度和动力，从而减少了水冷壁的侧磨。
参考文献：
[1] 马东等，高温耐火可塑料在锅炉烟道中的应用，中国电力，2001，NO.7
[2] 杨长珊等，循环流化床锅炉用耐火耐磨材料.余热锅炉，1993，NO.3
论文作者:李东辉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/30
标签：磨损论文; 锅炉论文; 水冷论文; 物料论文; 炉膛论文; 固体论文; 流化床论文; 《电力设备》2017年第26期论文;