代澤華 龔蓮輝 龔興利 營(yíng)利萍 辛勝偉

1）四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司 四川內(nèi)江641005 2）無(wú)錫市宜剛耐火材料有限公司 江蘇宜興210000 3）神華集團(tuán)循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心 陜西西安710065

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐旋風(fēng)分離器是鍋爐的關(guān)鍵部件，主要作用是將大量高溫固體物料從氣流中分離出來(lái)，送回爐膛，以維持爐膛內(nèi)的快速流化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)燃燒反應(yīng)，達(dá)到理想的燃燒效率和脫硫效果［1－3］。因此，循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器的性能優(yōu)劣及運(yùn)行的穩(wěn)定性，將直接影響整個(gè)鍋爐的效率及運(yùn)行壽命。在CFB鍋爐的燃燒工況下，固體顆粒對(duì)受熱面的磨損，一直是制約CFB鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。CFB鍋爐內(nèi)部存在不同速度、不同角度、不同濃度的高溫物料，它們以各種形式作用于內(nèi)襯，加之腐蝕性氣體和其他介質(zhì)的存在，形成了復(fù)雜的磨損過(guò)程［4－5］。

隨著循環(huán)流化床鍋爐大型化的發(fā)展，對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部耐磨結(jié)構(gòu)有更高的要求，它不但要能處理大容量的煙氣，還要在高溫、高速磨損等惡劣環(huán)境中可靠、穩(wěn)定運(yùn)行［6－7］。因此，設(shè)計(jì)、優(yōu)化、改進(jìn)高溫旋風(fēng)分離器耐磨內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，提高分離器耐磨性和抗沖擊性，提高鍋爐可用率，在大型循環(huán)流化床鍋爐上發(fā)揮其更大作用，有著特別重要的意義。

1 分離器工作原理及耐磨層結(jié)構(gòu)

絕熱式高溫旋風(fēng)分離器是目前循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用最多的旋風(fēng)分離器，有技術(shù)成熟、造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)［8］。白馬公司引進(jìn)的300 MW 循環(huán)流化床鍋爐采用了4臺(tái)絕熱式高溫旋風(fēng)分離器，對(duì)稱布置在鍋爐的兩側(cè)。旋風(fēng)分離器由中心筒、頂蓋、上部圓筒體和下部錐體組成。中心筒采用高溫不銹鋼鋼板卷制而成，頂蓋、上部圓筒體和下部錐體由碳鋼板卷制而成。分離器運(yùn)行溫度900℃，內(nèi)部受到高溫?zé)煔鉀_刷，易磨損。因此，在頂蓋、上部圓筒體和下部錐體等區(qū)域內(nèi)壁采用保溫＋耐磨材料，總厚度400 mm。旋風(fēng)分離器內(nèi)煙氣流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源于引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓，在中心筒內(nèi)的負(fù)壓大于分離器煙氣進(jìn)口的負(fù)壓，煙氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器后旋轉(zhuǎn)下行，再經(jīng)中心筒上行排出。在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，較大的顆粒在中心外層，對(duì)上部圓筒體沖擊較大，循環(huán)灰的濃度大，加之分離器入口處的煙氣流速達(dá)到29 m·s－1。因此上部圓筒體內(nèi)壁磨損嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)分離器上部圓筒體煙氣進(jìn)口正對(duì)側(cè)位置（靶區(qū)）磨損最嚴(yán)重，說(shuō)明煙氣顆粒在此位置的沖擊比其他位置的多，形成了旋渦。

該絕熱分離器在直段和錐段全部采用保溫磚＋耐磨磚磚墻結(jié)構(gòu)，靶區(qū)采用了保溫磚＋高強(qiáng)高鋁耐磨磚。分離器頂部耐磨磚不容易固定，采用耐磨噴涂料＋保溫噴涂料，老鷹嘴等異型區(qū)域采用保溫澆注料＋耐磨澆注料。分離器體積大，直徑8 750 mm，高度17 348 mm。一臺(tái)分離器僅絕熱保溫磚、耐磨磚總質(zhì)量就達(dá)350 t。

2 絕熱式分離器磚墻耐磨結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

絕熱式分離器磚墻耐磨結(jié)構(gòu)采用錨固件與殼體焊接，通過(guò)錨固件將錨固磚固定。錨固件一般垂直布置在靶區(qū)和水平布置在直段與錐段交接處。整個(gè)分離器直段和錐段磚墻靠楔形磚磚磚相扣圍成圓形。運(yùn)行過(guò)程中主要存在問(wèn)題為：

（1）磚縫增大造成耐磨磚脫落。耐磨磚的灰縫飽滿度要求必須大于90%，灰縫控制在1.5～2 mm［3］。因機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行沖刷磨損，造成磚縫過(guò)大，導(dǎo)致物料先磨損磚縫內(nèi)灰漿繼而影響到耐磨磚墻體的整體穩(wěn)固性，導(dǎo)致耐磨磚大量脫落甚至磚墻倒塌。

（2）膨脹縫破壞，縫區(qū)耐磨磚斷裂。在分離器筒體直段與頂部、直段與錐段、入口煙道與直段等區(qū)域磚墻體設(shè)計(jì)安裝了集中膨脹縫。CFB鍋爐在高溫下運(yùn)行和頻繁啟停過(guò)程中，爐內(nèi)溫度變化較為頻繁，造成循環(huán)冷熱沖擊。同時(shí)，爐內(nèi)存在大量較復(fù)雜的高溫氣固兩相流動(dòng)，這些高速運(yùn)動(dòng)的高溫固體粒子在動(dòng)能的作用下對(duì)分離器集中膨脹縫形成不間斷的強(qiáng)力沖刷。分離器內(nèi)，一方面大量高速運(yùn)動(dòng)的高溫固體粒子不斷沖刷耐磨磚而使其破壞；另一方面因爐內(nèi)溫度波動(dòng)、熱沖擊及機(jī)械應(yīng)力等造成耐磨材料產(chǎn)生裂紋和剝落，造成耐磨磚膨脹縫增大，縫區(qū)域耐磨磚斷裂或墻體內(nèi)凸，使得分離器內(nèi)墻體大面積脫落。

（3）分離器殼體腐蝕，錨固件斷裂。煙氣中的SO2通過(guò)磚縫滲透到金屬殼體，造成殼體腐蝕嚴(yán)重，固定支撐件與鋼板斷裂、脫離，造成墻體傾斜、倒塌。

（4）卸載托板高溫變形，造成磚墻間隙大。在分離器水平段安裝卸載托板，托板采用310S不銹鋼板制作，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，卸載托板變形嚴(yán)重，高溫物料通過(guò)間隙容易進(jìn)入墻體內(nèi)，使墻體內(nèi)凸嚴(yán)重，造成墻體垮塌。

磚縫增大，錨固件斷裂，卸載托板高溫變形，膨脹縫破壞等因素容易造成磚墻體松動(dòng)、脫落，甚至垮塌，從而導(dǎo)致分離器殼體超溫、殼體發(fā)紅。同時(shí)大量脫落的耐磨磚堆積在回料器內(nèi)，造成回料器內(nèi)堵塞，管道壓力高，返料物不能回到外置床內(nèi)，造成外置床內(nèi)高溫再熱器、中溫過(guò)熱器氣溫溫度低，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行，甚至造成停機(jī)。

3 采取的措施

分離器內(nèi)襯工作層要求具有耐高溫、高耐磨、抗沖擊、抗熱震等性能，保溫層要求具有耐高溫、線變化率小、熱導(dǎo)率低等，以適應(yīng)分離器的運(yùn)行工況［9］。

3.1 耐磨及保溫材料選取

工作層采用SiC耐磨可塑料，其物理性能見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，該可塑料具有優(yōu)良的耐磨性能、較高的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度、較低的氣孔率、好的抗熱震性、抗氧化性和抗腐蝕性。安裝操作簡(jiǎn)便，適應(yīng)于任何形狀表面的施工。在靶區(qū)部位施工時(shí)，要求在耐磨可塑料中添加不銹鋼纖維，以增強(qiáng)可塑料的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并提升墻體的抗剝落能力。保溫層采用輕質(zhì)保溫可塑料，其物理性能見(jiàn)表2。

表1 SiC耐磨可塑料的物理性能

表2 輕質(zhì)保溫可塑料的物理性能

3.2 錨固件選取及焊接

金屬錨固件既作為爐墻內(nèi)襯的質(zhì)量支撐件又起到了水平抓固的作用，將不定形耐磨保溫材料牢固固定于分離器殼體上，有效防止耐磨材料脫落。金屬錨固件采用了材質(zhì)為310S、尺寸395 mm×40 mm×4 mm、規(guī)格為Y型扁鋼連體抓釘，典型部位每平方米33件，上下排錯(cuò)列排布，轉(zhuǎn)角部位加密布置。錨固件典型布置圖見(jiàn)圖1。在分離器殼體內(nèi)壁按150 mm×200 mm典型間距焊接材質(zhì)310S Y395型耐熱抓釘，要求雙面焊接，焊縫高4 mm。

圖1 金屬錨固件典型布置圖

3.3 內(nèi)襯施工

（1）內(nèi)襯結(jié)構(gòu)：保溫層施工250 mm厚的輕質(zhì)保溫可塑料，耐磨層施工150 mm厚的SiC耐磨可塑料。靶區(qū)區(qū)域耐磨層采用加鋼纖維的SiC耐磨可塑料?？伤芰媳仨毮鏆饬鞣较蚴┕?，防止施工縫和氣流貫穿沖刷。

（2）膨脹縫設(shè)置：耐磨可塑料的修復(fù)區(qū)按1 200 mm×1 200 mm切割膨脹縫，膨脹縫錯(cuò)列布置，深度為50 mm，寬度為3 mm。

（3）排汽孔：用針按300 mm×300 mm間距在耐磨可塑料刺扎全厚深度150 mm的排汽孔。

（4）外側(cè)鋼板排濕孔：在檢修部位外側(cè)鋼板處開(kāi)設(shè)排濕孔，排濕孔數(shù)量為每平方米4個(gè)。烘爐結(jié)束后對(duì)該排濕孔進(jìn)行封焊處理。

3.4 分離器各區(qū)域膨脹縫設(shè)置

分離器膨脹系統(tǒng)分為兩大類：一類是爐墻內(nèi)襯與相鄰的爐墻內(nèi)襯之間的膨脹，此類膨脹需將鍋爐的膨脹與耐火材料爐墻的膨脹綜合考慮，確定科學(xué)、合理的膨脹縫形式及尺寸；另一類是耐火材料自身的膨脹，如磚墻或不定形耐火材料，此類膨脹需耐火材料供應(yīng)商基于所選耐火材料內(nèi)襯的理化特性、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，確定精確、恰當(dāng)?shù)呐蛎浛p形式及尺寸。

分離器直段與頂部、入口煙道等區(qū)域接口處為膨脹集中區(qū)域，該區(qū)域膨脹縫設(shè)計(jì)很重要，垂直膨脹縫及水平膨脹縫計(jì)算見(jiàn)表3，其膨脹縫的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

表3 分離器直段與頂部、入口煙道等區(qū)域接口處膨脹縫的計(jì)算

圖2 分離器直段與頂部、入口煙道等區(qū)域接口處膨脹縫設(shè)置

各膨脹縫設(shè)計(jì)如下：1）分離器直段墻體與頂部的膨脹縫為七字型，縫寬為30 mm，見(jiàn)圖3所示的墻與頂部膨脹縫設(shè)置圖，縫內(nèi)填充陶瓷纖維制品。分離器頂部一般采用耐磨澆注料或耐磨噴涂料，該區(qū)域磨損量少，頂部耐磨層更換修復(fù)量少。2）直段處直徑方向設(shè)置三道膨脹縫，均為七字型。第一處膨脹縫在老鷹嘴相鄰邊，縫寬20 mm，第二處在長(zhǎng)墻切線處，縫寬20 mm，第三處在一與二中間位置設(shè)置，縫寬為20 mm。七字型膨脹縫見(jiàn)圖4所示的分離器直段中間及直徑方向膨脹縫設(shè)置圖。3）高度方向中部設(shè)置一道寬20 mm的七字型膨脹縫。4）典型膨脹縫的留設(shè)：為了防止施工中大面積耐火材料在受熱后因膨脹不均而造成不規(guī)則的裂縫，耐磨可塑料修復(fù)區(qū)域按1 200 mm×1 200 mm切割膨脹縫，膨脹縫錯(cuò)列布置，深度為50 mm，寬度為3 mm，見(jiàn)圖5所示的典型膨脹縫設(shè)置圖。典型膨脹縫寬度計(jì)算也參考表3。新舊材料接縫寬度10 mm，填充陶瓷纖維制品，在其后部設(shè)計(jì)擋火塊，形成折縫，見(jiàn)圖6所示的新舊材料接縫設(shè)置圖。

圖3 墻與頂部膨脹縫設(shè)置圖

圖4 分離器直段中間及直徑方向膨脹縫設(shè)置圖

圖5 典型膨脹縫設(shè)置圖

圖6 新舊材料接縫設(shè)置圖

3.5 內(nèi)襯烘烤

烘烤工作通過(guò)分階段加熱、恒溫烘烤，蒸發(fā)耐磨保溫材料中的游離水和結(jié)晶水，從而使耐火材料達(dá)到設(shè)計(jì)的性能［10］。為防止烘爐和點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中升溫過(guò)快，由于產(chǎn)生的水蒸氣不能及時(shí)排出，造成耐磨層爆裂破壞；為防止耐磨層內(nèi)溫度梯度大，產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，造成耐磨層開(kāi)裂和脫落。必須嚴(yán)格按烘爐升溫曲線進(jìn)行烘爐，嚴(yán)格按點(diǎn)火啟動(dòng)升溫曲線進(jìn)行點(diǎn)火啟動(dòng)。制定的內(nèi)襯烘烤程序?yàn)椋?）低溫階段，即自室溫至350℃，控制升溫速率≤30℃·h－1，降溫速率≤30℃·h－1，并分階段長(zhǎng)時(shí)間保溫烘烤，完成耐磨耐火材料的初步固化。2）中、高溫階段，自350℃至800℃，可以通過(guò)試投燃料煤加熱爐膛，升溫速率達(dá)80℃·h－1，使耐火材料進(jìn)一步固化和燒結(jié)，性能趨于穩(wěn)定。

4 使用效果

針對(duì)白馬300 MW 高溫絕熱式分離器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，墻體的膨脹縫和耐火磚縫間隙增大，造成耐火磚大面積脫落問(wèn)題，工作層采用SiC質(zhì)耐磨可塑料，保溫層采用輕質(zhì)保溫可塑料。先在外筒壁上焊接耐熱錨固件，再敷設(shè)輕質(zhì)保溫可塑料和SiC質(zhì)耐磨可塑料，這樣就解決了大面積使用耐磨磚造成磚墻垮塌而引起的外筒發(fā)紅等問(wèn)題。同時(shí)，采用可塑料搗打施工，工序簡(jiǎn)單、水分少，在保證使用效果的前提下盡可能地縮短檢修周期和烘烤養(yǎng)護(hù)時(shí)間。經(jīng)改進(jìn)后的高溫絕熱式分離器使用5年，再無(wú)殼體發(fā)紅現(xiàn)象，內(nèi)部耐火材料無(wú)脫落、垮塌情況，改進(jìn)效果明顯。