張鮮俊 劉長祿 錢宏利 張玉香

一、概述

CFB（循環(huán)流化床鍋爐）效率高、污染低、煤種適應(yīng)性好，幾乎可燃用各種品質(zhì)燃料，如泥煤、煙煤（包括高硫煤）、無煙煤、煤矸石等。特別是環(huán)保方面，床內(nèi)直接添加石灰石等脫硫劑，投資小、脫硫效率高。循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)特殊，燃燒方式與煤粉爐有本質(zhì)區(qū)別，在技術(shù)成熟度上與煤粉爐相比還有一定差距，尤其是受熱面磨損方面問題突出。

二、磨損機(jī)理分析

物體表面與磨粒相互摩擦引起表面材料損失的現(xiàn)象叫磨粒磨損，是指一個(gè)表面同其相匹配表面上的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生切削或刮擦作用引起材料表面破壞。在流化床系統(tǒng)中，磨粒磨損現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

磨粒磨損機(jī)理有三種假說：（1）微切削假說，即磨粒磨損是由于磨料顆粒沿金屬表面進(jìn)行微量切削過程引起。（2）疲勞破壞假說，即磨粒磨損是磨粒使金屬表面層受交變應(yīng)力和變形，使材料表面疲勞破壞。（3）壓痕假說，對于塑性較大的材料，因磨粒在力的作用下壓入材料表面而產(chǎn)生壓痕，從表面層上擠出剝落物。總之，磨粒磨損的機(jī)理是屬于磨料顆粒的機(jī)械作用，在很大程度上與磨粒的相對硬度、形狀、大小、固定程度以及載荷作用下磨粒與被磨表面的力學(xué)性能有關(guān)。

減少磨粒磨損一般從兩方面采取措施，一是增強(qiáng)材料的抗磨性能。二是防止或減少磨粒進(jìn)入摩擦表面之間。

CFB鍋爐水冷壁管磨損機(jī)理與煤粉爐有很大不同，一方面大量煙氣和固體顆粒在上升過程中對水冷壁管進(jìn)行沖刷。另一方面由于內(nèi)循環(huán)的作用，大量固體顆粒沿爐膛四壁重新回落，對水冷壁管進(jìn)行劇烈沖刷。特別在水冷壁管和耐火材料層過渡區(qū)的突出部位，因沒有上行氣流，沿水冷壁管下來的固體顆粒形成渦流，對局部水冷管壁起到一種刨削作用（圖1）。

三、磨損的控制和預(yù)防

1.爐膛的磨損

爐膛布風(fēng)板周圍為四側(cè)墻水冷壁，在布風(fēng)板上部約1～4m高度范圍內(nèi)水冷壁向火面焊接銷釘，澆注耐高溫耐磨澆注料，澆注料層厚度通常為40～80mm，這個(gè)區(qū)域稱為密相區(qū)。密相區(qū)是CFB鍋爐燃燒的中心，進(jìn)行煤粒流化、燃燒、物料循環(huán)和氣流循環(huán)等過程。密相區(qū)的燃燒環(huán)境比較惡劣，全部由耐高溫耐磨澆注料來承擔(dān)。密相區(qū)上部防磨澆注部分與水冷壁的交接處，為防止局部磨損，將上部水冷壁管向外讓管，消除交接臺階，保證整個(gè)爐膛四壁無突出部位，同時(shí)在交接區(qū)域采用硬質(zhì)金屬噴涂，以增加交接區(qū)的抗磨性。爐膛水冷壁的交接角處（如前墻水冷壁與側(cè)墻水冷壁），采用切角的形式對接，避免直角造成局部物料濃度過高而引起局部磨損。

（1）耐高溫耐磨澆注料。首先是選材問題，國內(nèi)生產(chǎn)耐高溫耐磨澆注料的廠家很多，材料種類也很多，澆注料在不同溫度下的耐磨度相差很大，故材料選用很關(guān)鍵。CFB鍋爐的燃燒溫度為800～1000℃，因此應(yīng)參照鍋爐的燃燒溫度選擇適宜材料。施工質(zhì)量也是一個(gè)重要問題，在施工中需注意以下幾點(diǎn)：①水灰比必須控制好，要嚴(yán)格按材料使用說明書施工，施工用水必須潔凈，酸堿度要符合要求。②攪拌要均勻，使用強(qiáng)制性攪拌機(jī)，攪拌至糊狀。攪拌好的澆注料不可存放時(shí)間過長，存放時(shí)間≤30min，一次性澆注完畢，不得隨意留施工縫。③使用振搗棒，將澆注料振搗實(shí)。④烘爐升溫曲線嚴(yán)格按材料供應(yīng)廠家提供的資料進(jìn)行。

（2）水冷壁局部噴涂。噴涂施工過程主要由兩部分組成：首先進(jìn)行表面預(yù)處理，然后進(jìn)行耐磨防護(hù)噴涂。表面預(yù)處理采用噴砂防銹的方式，表面預(yù)處理結(jié)束后表面質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Sa3級，表面粗糙度達(dá)到50～80μm。噴砂除銹粗化后，及時(shí)進(jìn)行噴涂，涂層厚度最終達(dá)到0.6mm以上。施工完的噴涂層表面均勻光滑，無麻面、起皮、開裂及脫落等現(xiàn)象，涂層邊緣平滑過渡。金相宏觀檢查噴涂層與基體結(jié)合致密，無分層現(xiàn)象。

2.水平煙道的磨損

水平煙道是煙氣從爐膛進(jìn)入旋風(fēng)分離器的通道，結(jié)構(gòu)一般為底面和兩側(cè)墻砌筑耐高溫耐磨磚，頂部為耐高溫耐磨澆注料。水平煙道入口四周的水冷壁，其向火面焊接銷釘，敷設(shè)耐高溫耐磨澆注料。高速煙氣攜帶十幾倍于進(jìn)煤量的未燃盡的煤粒和飛灰，旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)入水平煙道，在入口處對水冷壁形成沖擊，因此在入口處水冷壁向火面必須敷設(shè)一定寬度的澆注料。水平煙道通流面積小，煙氣從爐膛進(jìn)入水平煙道后流速增大。同時(shí)水平煙道截面為漸縮噴嘴狀，煙氣流速在水平煙道內(nèi)逐漸增大，對四壁的磨損很大，也有可能引起四壁振動，此處耐高溫耐磨澆注料的選材和施工要求與密相區(qū)相同。耐高溫耐磨磚與砌磚所用耐火泥也存在選材問題，必須選用800～1000℃溫度區(qū)耐磨度最大的材料。選材的失誤會造成永久的后患，嚴(yán)重影響電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.尾部受熱面的磨損

CFB鍋爐旋風(fēng)分離器后部安裝有過熱器、省煤器。尾部受熱面管排密布，煙氣流速較高，在“煙氣走廊”，磨損量比正常量增大幾十倍。因此，尾部受熱面的防磨重點(diǎn)是避免管排之間以及管排與爐墻之間的間隙過大形成“煙氣走廊”。在管排安裝和檢修施工期間，控制管排之間、管排與護(hù)板之間的距離，在爐墻砌筑期間，控制托磚架、拉鉤與管排之間的距離，最后控制爐墻與管排之間的距離，使各處煙氣流通面積一致。

4.控制適宜的風(fēng)量

煙氣流速是影響鍋爐受熱面最主要的因素，磨損量與煙氣流速的三次方成正比關(guān)系，見式（1）。

式中T——磨損量，g/m2

μ——飛灰濃度，g/m3

τ——時(shí)間，h

ω——煙氣流速，m/s

K——磨損系數(shù)，K=Cη，其中C為飛灰系數(shù)，與飛灰性質(zhì)和管束結(jié)構(gòu)有關(guān)；η為飛灰撞擊機(jī)會率，與灰粒所受慣性力和氣流阻力有關(guān)。

煙氣流速的大小直接影響到流動飛灰的運(yùn)動動能和單位時(shí)間內(nèi)沖擊到爐內(nèi)壁的灰粒量。一次風(fēng)量越大，磨損量越大。另外二次風(fēng)量越大，對爐內(nèi)燃燒情況的擾動越劇烈，水冷壁磨損量也越大。CFB鍋爐的運(yùn)行是流態(tài)化的高溫物料懸浮燃燒，風(fēng)量的大小將直接影響到鍋爐的安全運(yùn)行。因此，在鍋爐運(yùn)行中，在保證床料充分流化的前提下，盡量降低一次風(fēng)量，在維持氧量的前提下適當(dāng)調(diào)整二次風(fēng)量，合理搭配上下二次風(fēng)量，保持合適的過剩空氣。適當(dāng)降低密相區(qū)高度，延長燃煤顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間，可減小對水冷壁管的沖刷，并降低飛灰含碳量。根據(jù)負(fù)荷變化選擇合適的床層差壓、床層密度及煙氣流速，提高旋風(fēng)分離器分離效率，延長固體顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間。

5.控制入爐煤質(zhì)和粒度

雖然CFB鍋爐燃料適應(yīng)性廣，可以燃用劣質(zhì)煤，但燃用劣質(zhì)煤，由于煤質(zhì)比重大，使用風(fēng)量提高，會導(dǎo)致磨損加劇。同時(shí)劣質(zhì)煤灰分大，導(dǎo)致燃煤量增加，造成煙氣中飛灰濃度劇增，對水冷壁管壁的切削作用增大，磨損量增大。CFB鍋爐由于其特定的燃燒方式，爐內(nèi)的固體物料密度為煤粉爐的幾十倍到百倍以上，其中煙氣內(nèi)顆粒濃度越大，顆粒數(shù)目越大，對管壁的撞擊和沖刷越強(qiáng)烈，水冷壁磨損量越大。所以，應(yīng)該加強(qiáng)來煤管理，及時(shí)進(jìn)行煤質(zhì)化驗(yàn)，控制來煤的篩分粒度。根據(jù)燃料顆粒度分布情況調(diào)整碎煤機(jī)，提高煤顆粒的均勻度。國外推薦的CFB鍋爐給煤粒度見表1，表1中收到基（又稱應(yīng)用基）灰分：以實(shí)際收到的煤為基準(zhǔn)（含水分、灰分），測量出的煤中灰分的含量，常用百分比表示。

四、結(jié)語

引起CFB鍋爐磨損的因素較多，且機(jī)理復(fù)雜，有設(shè)計(jì)、制造、檢修、運(yùn)行等多方面的因素。運(yùn)行方面主要除風(fēng)量的配比、煤質(zhì)的變化、燃料粒徑的大小、床料粒徑的大小，還有返料不暢、耐磨澆注料脫落、風(fēng)帽損壞等原因。目前，各類型CFB鍋爐均不同程度的存在磨損現(xiàn)象，但是CFB鍋爐磨損程度是可以控制的，由于磨損而導(dǎo)致的事故是可以預(yù)防的，需要多借鑒同類型機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，針對不同的煤種和類型的機(jī)組仔細(xì)地做好防范措施，運(yùn)行時(shí)認(rèn)真監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取措施，就完全可以將CFB鍋爐受熱面磨損控制在可接受程度內(nèi)，避免因磨損而發(fā)生事故。

表1 國外推薦的CFB鍋爐給煤粒度

1 溫詩鑄，黃平.摩擦學(xué)原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008

2 朱國幀，徐洋.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004