鄭文凱，盧曉斌

（中國(guó)石油化工集團(tuán)茂名石化分公司熱電分部，廣東 茂名 525000）

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐是具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣、高效脫硫、脫硝等優(yōu)點(diǎn)。但CFB鍋爐在運(yùn)行時(shí)具有物料濃度高、速度快、循環(huán)倍率高等特點(diǎn)，對(duì)水冷壁等受熱面沖刷磨損導(dǎo)到水冷壁減薄快速，使用壽命較短，運(yùn)行周期普遍在365天以?xún)?nèi)。CFB鍋爐的防磨一直是鍋爐長(zhǎng)周期運(yùn)行和檢修的重難點(diǎn)。為確保鍋爐安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行，進(jìn)一步提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，本文主要針對(duì)CFB鍋爐水冷壁磨損機(jī)理、存在問(wèn)題，并結(jié)合本企業(yè)長(zhǎng)周期運(yùn)行攻關(guān)提出的行之有效解決措施，對(duì)延長(zhǎng)鍋爐運(yùn)行周期具有十分重要的借鑒意義。

1 設(shè)備概況

某石化企業(yè)自備電廠(chǎng)現(xiàn)有2臺(tái)CFB鍋爐，鍋爐型號(hào)：FW-410/9.81-M004，鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1.CFB鍋爐采用流態(tài)化燃燒方式，在CFB鍋爐爐膛中有大量的循環(huán)物料，CFB鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的床料主要由燃料中的煤灰、未反應(yīng)的石灰石以及石灰石脫硫反應(yīng)產(chǎn)物等組份構(gòu)成，鍋爐燃煤的設(shè)計(jì)及實(shí)際指標(biāo)見(jiàn)表1.從布風(fēng)板下送入的一次風(fēng)使床料在處于流化狀態(tài)，床料被煙氣夾帶在爐膛內(nèi)向上作拋物料運(yùn)動(dòng)，在爐膛的不同高度大固體顆粒物料將沿著爐膛邊沿壁下落形成內(nèi)循環(huán)。細(xì)小固體顆粒被煙氣夾帶進(jìn)入旋風(fēng)分離器，約99%細(xì)顆粒被分離器分離下來(lái)，通過(guò)返料器直接返送回爐膛再次燃燒，細(xì)小飛灰無(wú)法被分離器捕捉隨煙氣進(jìn)入尾部煙道，經(jīng)布袋除塵器收集后通過(guò)倉(cāng)泵氣力輸送到灰?guī)?，或被返送到爐前飛灰倉(cāng)，通過(guò)氣力輸送回到爐膛再次燃燒，進(jìn)一步降低飛灰含碳量。CFB鍋爐燃燒原理示意圖見(jiàn)圖2.CFB鍋爐根據(jù)不同的物料濃度將爐膛分為密相區(qū)、過(guò)渡區(qū)和稀相區(qū)三部分，密相區(qū)中固體顆粒濃度較大，具有很大的熱容量，因此在給煤進(jìn)入密相區(qū)后，可以順利實(shí)現(xiàn)著火[1]；與密相區(qū)相比，稀相區(qū)的物料濃度很小，稀相區(qū)是燃料的燃燒、燃盡段，同時(shí)是爐內(nèi)氣固兩相介質(zhì)與蒸發(fā)受熱面換熱的主要場(chǎng)所，從而保證鍋爐的出力及對(duì)爐內(nèi)溫度的控制，而過(guò)渡區(qū)為密相區(qū)與稀相區(qū)交界區(qū)域。

表1 鍋爐燃煤的設(shè)計(jì)及實(shí)際指標(biāo)

圖1 鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 CFB鍋爐的磨損原理及原因分析

2.1 鍋爐的磨損原理

根據(jù)CFB鍋爐爐內(nèi)流化燃燒原理，CFB鍋爐爐膛內(nèi)中心區(qū)域的煙氣流向上運(yùn)動(dòng)，而爐膛水冷壁四周則存在大量向下運(yùn)動(dòng)的貼壁流，且距離爐膛密相區(qū)越近，向下運(yùn)動(dòng)的貼壁流運(yùn)動(dòng)速度與物料濃度均越來(lái)越大。根據(jù)國(guó)內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)公式[2]，物料對(duì)管壁的磨損速率與其速度、濃度及粒度有關(guān)：

式中：E 為磨損速度，μm/h；W 為物料速度，m/s；D為物料粒度，mm；μ為物料濃度，kg/m3.

其中，W為物料速度對(duì)磨損的影響，在3～3.6次方之間。W越大，次方數(shù)越大。W大于40 m/s時(shí)，次方數(shù)可達(dá)4以上。

磨損的主要影響因素，與風(fēng)速3.6次方成正比；與物料料度的平方成正比，與顆粒濃度成正比；與流場(chǎng)的不均勻性有關(guān)。

2.2 CFB鍋爐磨損狀況及原因分析

CFB鍋爐爐膛存在的磨損區(qū)域主要集中在爐膛過(guò)渡區(qū)水冷壁的磨損、爐膛稀相區(qū)水冷壁的磨損、爐膛轉(zhuǎn)角區(qū)域的水冷壁管磨損、爐膛澆注料的磨損及施工工藝缺陷問(wèn)題造成水冷壁磨損。如2016年1#爐磨損區(qū)域主要集中在前墻12 m標(biāo)高處，年1#爐大修前墻水冷壁管12 m標(biāo)高彎管測(cè)厚數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，共更換爐管20根，最薄處為3.2 mm，具體數(shù)據(jù)表如下表3，磨損區(qū)域分布見(jiàn)圖3，實(shí)際磨損照片見(jiàn)圖4~6.

表2 2016年1#爐大修前墻水冷壁管12m標(biāo)高彎管測(cè)厚數(shù)據(jù)

表32016 年1#爐爐管更換數(shù)據(jù)表

圖2 鍋爐燃燒流化原理圖

圖3 減薄管號(hào)示意圖

圖4 磨損管段左

圖5 磨損管段中

圖6 磨損管段右

2.2.1 爐膛過(guò)渡區(qū)水冷壁的磨損及成因

在耐火材料過(guò)渡區(qū)域水冷壁部位，由于位處密相區(qū)邊緣區(qū)，由于澆注料的頂部出現(xiàn)非垂直平臺(tái)，當(dāng)床料以較高的速度下降到該平臺(tái)時(shí)產(chǎn)生渦流，對(duì)水冷壁管產(chǎn)生了嚴(yán)重的切割效應(yīng)；同時(shí)由于CFB鍋爐目前運(yùn)行的狀況不理想，如入爐煤粒徑不合理，燃料灰分高，煤中摻燒石油焦等因素使床料更加復(fù)雜，而為保證鍋爐爐內(nèi)充分流化，一次風(fēng)流量往往控制過(guò)量，引起床料的過(guò)渡區(qū)上移，導(dǎo)致了該區(qū)域磨損的加劇，甚至爆管，造成運(yùn)行鍋爐的磨損問(wèn)題更為惡化，見(jiàn)圖7.

圖7 爐膛過(guò)渡區(qū)爆管

2.2.2 爐膛稀相區(qū)水冷壁的磨損及成因

爐膛稀相區(qū)因物料的濃度相對(duì)較低，水冷壁管磨損較小。但由于爐膛水冷壁管都在現(xiàn)場(chǎng)工地拼焊接，若鍋爐安裝未能滿(mǎn)足工藝要求，水冷壁管束上有焊渣以及其它突起物，同樣會(huì)造成水冷壁局部磨損，甚至爆管，其影響因素主要有：

鰭片局部焊口打磨不光滑，物料沖刷鰭片和水冷壁，造成水冷壁磨損，見(jiàn)圖8.水冷壁的安裝垂直度對(duì)磨損也影響也至關(guān)重要，任何傾斜和壁面凸起物都將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的磨損。本企業(yè)在測(cè)厚中發(fā)現(xiàn)一處管子對(duì)接焊縫的小凸臺(tái)導(dǎo)致焊縫被磨平并使焊縫下部管壁減薄，測(cè)厚發(fā)現(xiàn)管壁減薄約2.0 mm，大大超過(guò)其它管子，平均壁厚4.5 mm，見(jiàn)圖9.

圖8 沖刷磨損

圖9 焊縫突起磨損

水冷壁噴涂耐磨合金材料后因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)生局部脫落，導(dǎo)致水冷壁磨損。超音速電弧噴涂法是以高溫電弧為熱源，將熔化了的特殊金屬絲材用高速氣流霧化，并噴射到水冷壁表面形成涂層。而超音速電弧噴涂法在施工過(guò)程中需在水冷壁管表面先進(jìn)行噴砂處理，來(lái)增加水冷壁管表面吸附力，此項(xiàng)工作十分重要，施工不到位易造成耐磨合金材料脫落。而這些局部脫落或起皮的噴涂層會(huì)影響床料沿貼壁流向下的運(yùn)行方向，從而改變物料流動(dòng)方向并局部形成渦流從而對(duì)噴涂層起皮位置造成沖刷磨損，見(jiàn)圖10.

圖10 噴涂脫落磨損

2.2.3 爐膛轉(zhuǎn)角區(qū)域的水冷壁管磨損及成因

水冷壁轉(zhuǎn)角縫區(qū)域在每次停爐檢查均能發(fā)現(xiàn)爐膛轉(zhuǎn)角區(qū)域存在不同程度的磨損，爐膛轉(zhuǎn)角區(qū)域由于形成邊壁流，物料匯集此處較多，物料貼壁沖刷使水冷壁出現(xiàn)局部磨損現(xiàn)象，轉(zhuǎn)角局部磨損問(wèn)題尤為明顯，如圖11.

圖11 爐膛轉(zhuǎn)角磨損

2.2.4 爐膛澆注料的磨損及施工工藝問(wèn)題

澆注料施工不符合工藝要求，造成不平整部分澆注料突起，使得沿管束貼壁流動(dòng)的物料沖刷水冷壁管[3]，見(jiàn)圖12.澆注料在澆筑施工時(shí)如攪拌或振打不充分，造成澆注料出現(xiàn)類(lèi)似澆筑水泥混凝土施工時(shí)出現(xiàn)的蜂窩狀的缺陷，在爐膛內(nèi)這高溫環(huán)境中且在高濃度的物料沖刷下存在缺陷的澆注料易容易磨損脫落，造成埋在澆注料下方的水冷壁管磨損，見(jiàn)圖13.

圖12 澆注料突起磨損

圖13 澆注料脫落磨損

3 鍋爐水冷壁管防磨的具體應(yīng)對(duì)措施

3.1 實(shí)施防磨超音速電弧噴涂

對(duì)爐膛過(guò)渡區(qū)域的水冷壁管、爐膛轉(zhuǎn)角區(qū)域的水冷壁管及爐膛出口澆注料附近的水冷壁管等易發(fā)生磨損區(qū)域?qū)嵤┠湍コ羲匐娀娡渴┕?，能有效減緩對(duì)水冷壁的磨損，見(jiàn)圖14.

噴涂施工時(shí)進(jìn)行噴涂施工時(shí)需嚴(yán)格執(zhí)行噴涂施工工藝[4]，噴涂前需用14-16目剛玉砂對(duì)表面進(jìn)行噴砂清理，使管束表面粗糙度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為Sa 2～3級(jí)的要求，噴砂后4 h內(nèi)需及時(shí)進(jìn)行噴涂施工，否則表面會(huì)再次銹蝕而影響噴涂質(zhì)量[5]。超音速電弧噴涂時(shí)先噴打底層CL-NiAlTi，厚度約0.1 mm，然后噴打工作層CP-302，厚度0.6～0.7 mm，最后刷表面封孔層，CCS封孔劑，厚度約0.1 mm.爐膛過(guò)渡區(qū)、爐膛轉(zhuǎn)角區(qū)域、爐膛出口澆注料區(qū)域附近的水冷壁的噴涂工作需在進(jìn)行澆注料施工前完成，這樣上述區(qū)域進(jìn)行噴涂施工時(shí)，能有效使水冷壁與澆注料交界處的施工縫實(shí)現(xiàn)防磨噴涂，避免澆注料附近的水冷壁噴涂時(shí)起皮或脫落等施工問(wèn)題的出現(xiàn)。

圖14 水冷壁電弧噴涂圖

3.2 實(shí)施主動(dòng)防磨梁技術(shù)

根據(jù)鍋爐的磨損機(jī)理，CFB鍋爐的磨損主要原因與物料的速度和濃度有關(guān)。主動(dòng)防磨梁[6]在爐膛水冷壁下部的澆注料以上部位，設(shè)計(jì)澆注六圈橫梁，根據(jù)磨損程度由下往上逐步遞減的實(shí)際工況，橫梁間距亦逐步加寬，這樣對(duì)爐內(nèi)大流量的緊貼垂直水冷壁管排表面及管間的貼壁灰流實(shí)施軟阻擋，這樣防磨梁溢出的灰流依然沿垂直水冷壁管排表面及管間鰭片的凹梁流下，但不會(huì)緊貼表面，降低下墜灰的流速，大大減小貼壁灰流對(duì)垂直水冷壁的磨損，多道防磨梁分段阻隔，減少磨損的效果也隨之凸現(xiàn)，主動(dòng)防磨梁的安裝圖見(jiàn)圖15、圖16、圖17.

圖15 防磨梁安裝示意圖

圖16 防磨梁安裝制作圖

圖17 多階主動(dòng)防磨梁效果圖

3.3 實(shí)施在線(xiàn)堆焊防磨技術(shù)

采用在線(xiàn)堆焊的方式防磨，堆焊防磨用在CFB鍋爐上的優(yōu)勢(shì)在于堆焊層與鍋爐管子的結(jié)合是原子間的結(jié)合，不存在脫落的問(wèn)題，并且堆焊層也是金屬材料，對(duì)換熱基本不影響，只要選對(duì)防磨材料在線(xiàn)堆焊上去，效果非常好，這是其它防磨措施所不具備的或無(wú)法比擬的。堆焊技術(shù)已有突破性進(jìn)展，很好地解決了鍋爐管排和管子堆焊厚度不均因、堆焊裂紋、稀釋率高、焊接變形、效率低等問(wèn)題，使CFB鍋爐在線(xiàn)采用堆焊防磨技術(shù)變成現(xiàn)實(shí)。從堆焊管使用1年情況看，密相區(qū)與稀相區(qū)過(guò)渡段管束基本不存在磨損。從運(yùn)行數(shù)據(jù)看來(lái)，經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，堆焊材料的180°堆焊層的表面焊接波紋已經(jīng)磨損完，表面光滑明亮，平均磨損約0.2~0.5 mm/a，一處磨損最大的地方損失0.5 mm/a，見(jiàn)圖 18、圖 19，實(shí)際堆焊層厚度有 3 mm，滿(mǎn)足三年以上運(yùn)行周期要求。

圖18 爐管堆焊耐磨區(qū)效果圖

圖19 堆焊管現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖

4 結(jié)論

CFB鍋爐水冷壁管的防磨技術(shù)在提升鍋爐運(yùn)行周期具有十分重要的作用。根據(jù)對(duì)CFB鍋爐磨損狀況及原因分析，通過(guò)不斷對(duì)防磨技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，首次采用并實(shí)施新型防磨超音速電弧噴涂、實(shí)施主動(dòng)防磨梁、實(shí)施在線(xiàn)堆焊防磨聯(lián)合技術(shù)修復(fù)消除水冷壁管磨損難題。CFB鍋爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行時(shí)間突破542天，為本企業(yè)下游煉油化工裝置提供安全可靠的動(dòng)力保障并創(chuàng)造了更好的經(jīng)濟(jì)效益。