李 駿

(廣東粵嘉電力有限公司，廣東 梅州 514733)

1 鍋爐簡(jiǎn)介

廣東粵嘉電力有限公司梅縣電廠5號(hào)鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SG-440/13.7-M566型超高壓、中間再熱、單汽包自然循環(huán)、循環(huán)流化床鍋爐，與上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N135-13.24/535/535型(K151機(jī)型)汽輪機(jī)和濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的QFS-135-2型發(fā)電機(jī)相匹配，設(shè)計(jì)燃料為無(wú)煙煤。

鍋爐采用二次配風(fēng)，一次風(fēng)從爐膛底部布風(fēng)板風(fēng)帽進(jìn)入爐膛，二次風(fēng)從燃燒室錐體部分進(jìn)入爐膛。鍋爐共設(shè)有4個(gè)給煤點(diǎn)和4個(gè)石灰石料口，均勻布置在爐前。爐膛底部設(shè)有鋼板式一次風(fēng)室，整個(gè)布風(fēng)板共有T型風(fēng)帽365個(gè)。鍋爐采用床上啟動(dòng)點(diǎn)火方式。鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒方式，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫。

2 改燒印尼煤后出現(xiàn)的問(wèn)題

近年來(lái)無(wú)煙煤價(jià)格一路攀升，且供應(yīng)緊張。為解決電廠燃煤短缺，拓寬鍋爐對(duì)煤種的適應(yīng)性，電廠進(jìn)行了無(wú)煙煤改燒印尼煤的試驗(yàn)和測(cè)試。鍋爐從2011年6月開始改燒印尼煤，經(jīng)過(guò)半年的改燒調(diào)整后，于2011年10月停爐進(jìn)行檢修。在此過(guò)程中遇到的問(wèn)題主要有：

(1)局部風(fēng)帽磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)前后墻中部第1排風(fēng)帽磨穿的現(xiàn)象；

(2)旋風(fēng)分離器進(jìn)口的耐火料磨損嚴(yán)重；

(3)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)床壓維持不住、床溫偏高、一次風(fēng)量偏大的情況。

爐膛T型風(fēng)帽磨損情況尤為嚴(yán)重，因此解決風(fēng)帽磨損嚴(yán)重的問(wèn)題成為諸多問(wèn)題的關(guān)鍵。

3 循環(huán)流化床鍋爐磨損的機(jī)理

由于循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行在高溫條件下且溫度變化頻繁，爐內(nèi)有大量高速運(yùn)動(dòng)的固體物料。這種燃燒特性決定了循環(huán)流化床內(nèi)的受熱面及耐火材料很容易磨損。循環(huán)流化床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甚至上百倍，其受熱面和耐火材料受到大量固體物料的不斷沖刷。

影響循環(huán)流化床鍋爐磨損的主要因素有：運(yùn)行參數(shù)、燃料特性、床料特性、物料循環(huán)方式、受熱面結(jié)構(gòu)和布置方式等，涉及設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等方面。

3.1 煙氣流速和粒子濃度

煙氣流速是影響爐內(nèi)壁磨損的最主要因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,顆粒的機(jī)械沖蝕磨損量W可表示為：

式中：W為磨損量；up為煙氣中的固體粒子速度；dp為固體粒子粒徑；C為煙氣中的固體粒子濃度；K為比例常數(shù)，代表物料和氣體的磨蝕特性；τ為運(yùn)行時(shí)間；g為重力加速度。

由上式可見(jiàn)，磨損量與固體粒子速度的n次方成正比關(guān)系。n值的大小與固體粒子的粒徑、速度等有關(guān)，不同工況下n值也有所不同，在3.0～4.3之間。煙氣流速大小直接影響流動(dòng)飛灰的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和單位時(shí)間內(nèi)沖擊到爐內(nèi)壁的灰粒量。煙速越大，可認(rèn)為固體粒子速度也越大，從而導(dǎo)致磨損迅速增加。

從上式可以看出，磨損量與粒子濃度成正比，粒子濃度越大，粒子碰撞受熱面的幾率越大，磨損越嚴(yán)重。灰濃度又與循環(huán)倍率和分離器的分離效率、煙氣的均衡度有關(guān)。較高的循環(huán)倍率將導(dǎo)致含灰煙氣流對(duì)爐內(nèi)壁的嚴(yán)重磨損。如果運(yùn)行時(shí)負(fù)荷過(guò)高，煤質(zhì)較差，燃燒料量大，將會(huì)導(dǎo)致煙氣中的物料濃度增大而使磨損加劇。同時(shí)，金屬管壁與煙氣熱交換加劇，金屬管子外壁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致磨損加劇。

3.2 床溫

循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行床溫直接影響煙氣的溫度和受熱面的溫度。當(dāng)運(yùn)行床溫升高時(shí)，煙氣溫度和受熱面的溫度隨之升高；反之亦然。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在絕大部分情況下，循環(huán)流化床鍋爐受熱面的管壁與磨損在管壁溫度接近400 ℃的范圍內(nèi)發(fā)生變化，如圖1所示。當(dāng)壁溫低于此溫度時(shí)，管壁上未形成氧化膜，磨損速率較大，但基本不隨溫度發(fā)生變化。當(dāng)壁溫達(dá)到此溫度時(shí)，管壁上形成了硬度較高的Fe2O3、Fe3O4及FeO氧化膜，使受熱面的磨損急劇降低。當(dāng)壁溫繼續(xù)增加時(shí)，由于熱應(yīng)力的產(chǎn)生，氧化膜和金屬的熱膨脹系數(shù)不同及高溫腐蝕的影響等，磨損又會(huì)有所增加。

印尼煤因揮發(fā)分高、易著火，進(jìn)入爐膛后馬上著火燃燒，這使得在相同的一、二次風(fēng)比例下，床溫會(huì)更高。若印尼煤灰分少，爐膛灰濃度低，則更易出現(xiàn)床溫高的問(wèn)題。

圖1 受熱面溫度對(duì)磨損的影響

3.3 鍋爐負(fù)荷

長(zhǎng)期超負(fù)荷、超煤量運(yùn)行也會(huì)加劇爐內(nèi)磨損。煤量的大小與熱負(fù)荷、煤質(zhì)及鍋爐效率有關(guān)。一般同等負(fù)荷下的鍋爐效率變化不大，而煤量?jī)H與煤質(zhì)相關(guān)。在煤質(zhì)一定的情況下，負(fù)荷與煤量基本成正比。而磨損率與物料質(zhì)量濃度密切相關(guān)，長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)使密相區(qū)附近的爐壁磨損速率相對(duì)加快。

長(zhǎng)時(shí)間的單側(cè)運(yùn)行給煤機(jī)或落煤斗產(chǎn)生堵煤、配風(fēng)不當(dāng)?shù)冗\(yùn)行問(wèn)題，也會(huì)加快爐內(nèi)受熱面的磨損速度。

3.4 一、二次風(fēng)量配比

當(dāng)一次風(fēng)量過(guò)大時(shí)，粗顆粒床料上升，高度增加，密相區(qū)上移，容易加重密相區(qū)部位的磨損。因此，在不影響流化質(zhì)量和床溫控制的條件下，應(yīng)盡量降低一次風(fēng)流量，增加二次風(fēng)比例。

3.5 燃料特性的影響

一般入爐燃料中含有大量SiO2，A12O3、黃鐵礦等礦物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)爐壁的不斷沖刷和撞擊，會(huì)造成磨損。另外，物料(煤粒、灰粒、床料、石灰石等)的粒徑、顆粒形狀對(duì)磨損特性也有影響。燃料的成分對(duì)煙氣成分有一定影響，如S會(huì)生成腐蝕性氣體如SO2，SO3，H2S等，在一定的條件下會(huì)對(duì)金屬管壁產(chǎn)生腐蝕作用，而腐蝕產(chǎn)物又易被灰粒沖刷掉。這樣磨損和腐蝕交替進(jìn)行，會(huì)使管子的總磨損速度大大加快。

3.6 床料特性

圖2是沖蝕磨損時(shí)磨損量與顆粒直徑關(guān)系的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，床料粒徑較小時(shí)，受熱面所受的沖蝕磨損較??；在低濃度時(shí)粒徑達(dá)到某一臨界值(約100 μm)后，磨損量幾乎不變。這可解釋為，雖然大顆粒沖刷管壁的磨損能力較大，但在相同顆粒濃度下，沖刷管壁的大顆?？倲?shù)減少了，故磨損量變化仍可不大。在高濃度時(shí)，磨損量隨顆粒粒徑的增大而增加。

3.7 顆粒形狀

帶棱角的床料顆粒比球形顆粒對(duì)鍋爐的磨損影響大，而流化床中新鮮的不規(guī)則顆粒與已磨成球形的顆粒并存，受熱面的磨損速率可能并不隨時(shí)間的增加而減少。

3.8 床料硬度

顆粒硬度對(duì)磨損影響的一般趨勢(shì)如圖3所示。當(dāng)顆粒硬度接近或高于被磨材料時(shí)，磨損率會(huì)迅速增加 ；在顆粒硬度比被磨材料低時(shí)，磨損率通常很低。在運(yùn)行中，床料不斷循環(huán)，較軟的物料會(huì)逐漸被磨損掉，只有那些性質(zhì)穩(wěn)定(硬度比較大不易損耗)的顆粒累積下來(lái)，其硬度大大高于新鮮床料。

另外，床料顆粒在爐內(nèi)停留一段時(shí)間后，其表面會(huì)形成一膜層，其硬度會(huì)高于新添的床料，甚至高于金屬硬度，對(duì)金屬造成較大磨損。

圖2 磨損與顆粒直徑(濃度)的關(guān)系

圖3 顆粒硬度對(duì)磨損的影響

風(fēng)帽的磨損情況主要有2種：一種是風(fēng)帽外部的磨損，另一種是風(fēng)帽小孔被磨損擴(kuò)大。發(fā)生風(fēng)帽外部磨損的最嚴(yán)重區(qū)域在排渣口和循環(huán)物料回料口附近。風(fēng)帽小孔被磨損擴(kuò)大后，將改變布風(fēng)特性，同時(shí)造成風(fēng)室漏灰。

風(fēng)帽磨損的原因之一是物料水平方向沖刷風(fēng)帽，循環(huán)物料隨入爐煤一起進(jìn)入爐膛，較高濃度的顆粒以較大的平行于布風(fēng)板的速度分量沖刷風(fēng)帽，造成風(fēng)帽磨損。風(fēng)帽磨損的另一個(gè)原因是渦流磨損，當(dāng)氣流噴出風(fēng)帽小孔時(shí)，形成回流區(qū)，把物料帶回風(fēng)帽周邊表面，氣流自轉(zhuǎn)，帶動(dòng)物料螺旋旋轉(zhuǎn)。在上述條件同時(shí)作用下，有的物料緊貼風(fēng)帽周邊表面旋轉(zhuǎn)上升；有的物料在風(fēng)帽頂部形成旋轉(zhuǎn)的物料氣柱，該氣柱在風(fēng)帽頂部隨機(jī)移動(dòng)。這樣，風(fēng)帽周邊表面有螺旋磨損溝痕，風(fēng)帽頂部有斜向沖刷痕跡。另外，當(dāng)風(fēng)室靜壓小于風(fēng)室差壓時(shí)，床料會(huì)進(jìn)入風(fēng)帽出風(fēng)口。如果床料粒徑偏大，會(huì)堵住出風(fēng)口，造成風(fēng)帽小孔通道堵渣嚴(yán)重，使風(fēng)帽缺少冷卻介質(zhì)，極易燒壞風(fēng)帽。

4 風(fēng)帽磨損原因分析

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的磨損機(jī)理進(jìn)行綜合評(píng)估和分析，基本判斷風(fēng)帽磨損的主要原因有4點(diǎn)。

(1)前后墻處的顆粒濃度大。前后墻有二次風(fēng)口、回料口、下煤口，這些地方是爐膛顆粒濃度最大的區(qū)域。這是共性問(wèn)題，存在于所有煤種。

(2)一次風(fēng)量偏大造成布風(fēng)板風(fēng)速大。改燒印尼煤后，由于煤的揮發(fā)分大、易著火，為避免床溫過(guò)高，5號(hào)爐運(yùn)行加大了一次風(fēng)量，在同等負(fù)荷情況下，風(fēng)量增加了近20 %，這就使磨損量增大至少1.7倍。前后墻顆粒向下切向沖刷到第1排風(fēng)帽時(shí)，一次風(fēng)正好向上，在A/B側(cè)形成渦流磨損。

(3)鍋爐運(yùn)行的床壓偏低。由于長(zhǎng)時(shí)間得不到正常排渣，致使一部分粒徑較大的床料無(wú)法進(jìn)行排出置換。

(4)床料磨損性強(qiáng)。由于所燒印尼煤的灰分少，和無(wú)印尼煤相比，運(yùn)行排渣大大減少，這使得一部分粒徑較大的床料在布風(fēng)板區(qū)域停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其表面形成氧化膜，硬度甚至超過(guò)風(fēng)帽本身，造成風(fēng)帽磨損嚴(yán)重。

5 解決措施

(1)在運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整方面，適當(dāng)降低運(yùn)行中的一次風(fēng)量。煙氣流速與鍋爐負(fù)荷有關(guān)，與流化風(fēng)量和二次風(fēng)量配比有關(guān)。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，并合理搭配上下二次風(fēng)量，保持合適的過(guò)剩空氣量。

(2)合理混煤，提高運(yùn)行中的床壓。通過(guò)在印尼煤中添加一定比例的無(wú)煙煤，使混煤中的灰分不致過(guò)低，避免長(zhǎng)時(shí)間不排渣。

(3)提高入爐煤的顆粒度。對(duì)印尼煤可適當(dāng)放寬入爐煤粒度，粒度可達(dá)20 mm，以保持冷渣器正常運(yùn)行，從而控制床料的粒徑分布。這是控制風(fēng)帽外部磨損的重要手段。

(4)在爐膛底部前、后增設(shè)一道防磨小平臺(tái)，改變對(duì)風(fēng)帽的集中沖刷情況，可使流化床鍋爐中沿墻面下流的固體物料轉(zhuǎn)而流向布風(fēng)板上面的空間，從而避免沖擊爐底的布風(fēng)板和周邊的風(fēng)帽。

在落實(shí)上述措施后，風(fēng)帽的磨損問(wèn)題得到緩解。運(yùn)行半年后對(duì)鍋爐停爐檢修檢查，未發(fā)現(xiàn)風(fēng)帽磨穿的情況，減輕風(fēng)帽磨損的效果明顯。

1 朱皚強(qiáng)，芮新紅.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

2 路春美，程世慶，王永征.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備與運(yùn)行[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.