陳 翰，姚禹歌，張國慶,3，張代鑫,4，馬有福，黃 中

(1.清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084；2.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；4.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)鍋爐是中國燃煤火力發(fā)電的重要組成部分，目前我國投產(chǎn)的100 MW以上容量等級機組已超過90 GW，除電力及熱力供應(yīng)外，循環(huán)流化床鍋爐在石油石化、冶金造紙等行業(yè)也有廣泛應(yīng)用[1]。但相較于傳統(tǒng)煤粉鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐在運行可靠性上還存在一定差距[2-4]，這是由于磨損是造成循環(huán)流化床鍋爐非計劃停運的重要因素。美國Nucla電廠420 t/h循環(huán)流化床鍋爐最初運行的15 700 h中，由磨損造成的事故接近事故停爐總數(shù)的50%[5]；國內(nèi)某廠3臺135 MW循環(huán)流化床鍋爐投產(chǎn)11 a內(nèi)總計停機125次，其中計劃停機38次、故障停機87次，爐內(nèi)水冷壁泄漏故障高達(dá)66次，占故障次數(shù)的75.8%[6]。

爐內(nèi)受熱面磨損成因極其復(fù)雜，不僅與物料濃度、煙氣速度、顆粒特性有關(guān)，還受鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃料特性、運行參數(shù)、運行方式等多因素影響。筆者詳細(xì)分析這些因素，并論述技術(shù)的最新應(yīng)用情況。

1 爐內(nèi)受熱面磨損的主要原因

1.1 爐內(nèi)流動過程

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)涉及復(fù)雜的氣固兩相流動，一般認(rèn)為，爐膛下部處于鼓泡床或湍流床，爐膛上部處于快速床[7]，顆粒濃度沿高度及徑向分布不均是循環(huán)流化床的固有屬性[8]。NAKAMURA等[9]針對循環(huán)流化床提出環(huán)核流動結(jié)構(gòu)，大量試驗表明沿徑向分布的顆粒濃度存在中心稀邊壁濃的不均勻性[10-12]。白丁榮等[13]進(jìn)一步提出循環(huán)流化床環(huán)核流動模型(圖1)，基于該模型，循環(huán)流化床上部截面上的中心稀相區(qū)顆粒濃度較小，基本向上流動；在邊壁附近，顆粒濃度較大，通常向下流動。根據(jù)這一假設(shè)，可以將循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流動沿床層截面劃分為2個區(qū)域，即稀相的中部核心區(qū)和密相的邊壁環(huán)形區(qū)。

圖1 循環(huán)流化床的整體流動結(jié)構(gòu)示意[13]Fig.1 Schematic diagram of overall flow structure of the circulating fluidized bed[13]

結(jié)合環(huán)核流動模型，邊壁環(huán)形區(qū)存在沿爐膛壁面向下流動的邊壁流，最大速度可達(dá)7～8 m/s(圖2)[14-16]。一般而言，爐膛上部邊壁流流速較小，磨損量較小，但在爐膛中下部，邊壁流流速較高，加之流經(jīng)屏式受熱面穿墻區(qū)、過渡區(qū)以及不規(guī)則開孔區(qū)時可能產(chǎn)生渦流等不規(guī)則運動，會對受熱面造成較大磨損。

圖2 邊壁區(qū)顆粒速度軸向分布[14-16]Fig.2 Axial distribution of particle velocities in the near-wall region[14-16]

1.2 受熱面磨損過程

文獻(xiàn)[17-20]表明，爐內(nèi)物料在受熱面表面引起的磨損主要取決于顆粒流在流場中的整體運動以及顆粒撞擊表面時的局部行為，是單顆粒切削、單顆粒摩擦以及顆粒團(tuán)摩擦綜合作用的結(jié)果(圖3)。

圖3 循環(huán)流化床鍋爐磨損機理示意Fig.3 Schematic diagram of wear mechanism in a CFB boiler

單顆粒切削指固體顆粒依靠自身動量，以特定角度沖蝕水冷壁管，由于此磨損過程中分散的固體顆粒(第二體)與水冷壁(第一體)直接接觸，也有學(xué)者稱之為雙體磨損[21]。固體顆粒與壁面角度較小時，顆粒速度的水平分量較大，接觸水冷壁管后，水平分量使之沿壁面滑動，在水冷壁管表面起刨削效果，表現(xiàn)為沖刷磨損；角度較大時，顆粒速度垂直分量較大，金屬表面受到反復(fù)撞擊[22]，表現(xiàn)為撞擊磨損。單顆粒摩擦與顆粒團(tuán)摩擦指內(nèi)層顆粒或顆粒團(tuán)作為中間介質(zhì)(第三體)，受外層顆粒團(tuán)擠壓、碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生磨損，部分學(xué)者稱之為三體磨損[23]。三體磨損與爐內(nèi)顆粒團(tuán)的形成、破碎緊密相關(guān)，機理更為復(fù)雜[5]。雙體磨損與三體磨損過程如圖4所示。

圖4 雙體磨損與三體磨損過程示意Fig.4 Schematic diagram of two-body wear and three-body wear

盡管邊壁流是造成水冷壁管磨損的主要原因[24]，但從微觀角度而言，邊壁流內(nèi)部顆粒流動方式以及引起磨損的方式差異較大。下行的固體物料在稀相區(qū)或一般規(guī)則區(qū)域與壁面所成角度極小甚至接近平行，因此由單顆粒切削(雙體磨損)引起的磨損量可忽略不計；邊壁區(qū)具有顆粒濃度大、顆粒間距小、氣相曳力小等特點，促進(jìn)顆粒間相互碰撞并因黏性作用形成緊密的顆粒團(tuán)，顆粒團(tuán)形成后會持續(xù)約50 ms后破碎[25]，其間由此獲得水平動量，通過對附近顆粒、顆粒團(tuán)施加力的作用，產(chǎn)生三體磨損。

爐內(nèi)受熱面的磨損不僅受顆粒及顆粒團(tuán)在其表面局部運動的影響，還與爐膛結(jié)構(gòu)及物料入爐方式密切相關(guān)。常見的CFB鍋爐分離器布置方式有爐膛后側(cè)布置和爐膛兩側(cè)布置2種，其中前者更常用。采用爐后布置時，燃料和石灰石由前墻送入，煙氣攜帶灰顆粒從后墻上部離開爐膛，經(jīng)分離器分離后的粗顆粒再從爐膛下部返料口重新返回。雖然分離器布置在爐膛后側(cè)結(jié)構(gòu)簡單，但相較于分離器布置在爐膛兩側(cè)的方式，氣流攜帶顆粒在爐膛轉(zhuǎn)彎處會產(chǎn)生偏斜和突變，更易加劇局部磨損。

2 爐內(nèi)磨損的影響因素

一般而言，磨損涉及到煤種、床料特性(顆粒直徑、顆粒形狀、顆粒硬度、物料濃度、顆粒成分等)、燃料特性(顆粒度、可磨度)、水冷壁材料特性(受熱面材質(zhì)、硬度、熱物理性能等)、物料循環(huán)方式、磨損時間、煙氣成分等因素。管壁磨損與灰特性系數(shù)、固體顆粒濃度、灰顆粒直徑、氣流速度關(guān)系密切[26]，可定性表示為：

(1)

式中，E為每10萬h磨損量，10-5mm/h；kp為灰特性系數(shù)，一般取10-3；cp為物料顆粒質(zhì)量濃度，kg/m3；dp為灰顆粒直徑，mm；u為氣流流速，m/s。

考慮到循環(huán)流化床鍋爐以雙體磨損與三體磨損為主，因此在上述因素中，煤種、顆粒直徑、顆粒形狀、顆粒硬度和水冷壁材質(zhì)硬度是主要影響因素。

2.1 燃料特性

燃料顆粒送入循環(huán)流化床內(nèi)，迅速被灼熱的灰渣顆粒包圍，在水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、焦炭燃燒過程中，伴隨顆粒的破碎、磨損，煤灰顆粒的不規(guī)則部位與水冷壁管發(fā)生碰撞[27]，加劇受熱面磨損。一般而言，揮發(fā)分含量高、易燃燒的煤種造成的磨損較輕；燃燒后顆粒較粗、灰分較高、硬度較大煤種造成的磨損較嚴(yán)重。對于含有石英、剛玉、金剛砂、黃鐵等礦類物質(zhì)的煤，由于其中SiO2、Fe2O3、Al2O3等物質(zhì)本身硬度高，在灰分中所占比例最大[28-29]，因此礦物質(zhì)含量的增多也會增加煤的硬度及灰含量，使磨損更嚴(yán)重。

有學(xué)者分析我國60多個電廠燃用煤種特性，提出了灰磨損判據(jù)Kj[30]:

(2)

其中，J為酸堿比，可以通過式(3)計算：

(3)

溫智勇等[31]比較了不同煤種在循環(huán)流化床鍋爐中的相對磨損特性，發(fā)現(xiàn)伊泰神木煤磨損量最小(取基準(zhǔn)1.0)，山西優(yōu)混煤燃燒產(chǎn)生的灰分高、顆粒直徑大，相對磨損量最高，具體如圖5所示。

圖5 不同煤種相對磨損量的比較[30]Fig.5 Comparison of relative abrasion loss of different coals[30]

對于燃用矸石類燃料的循環(huán)流化床鍋爐，由于矸石本身灰分高、硬度大，同時入爐煤量大、煤矸石粒徑大、運行風(fēng)速高，受熱面磨損相當(dāng)嚴(yán)重[32]；對于燃用煤泥、洗中煤等燃料的循環(huán)流化床鍋爐，燃料質(zhì)量下降會引起煙氣量增加，進(jìn)而增加磨損[33]；對于燃用石油焦、高硫無煙煤的循環(huán)流化床鍋爐，增加爐內(nèi)脫硫石灰石用量同樣會加劇磨損。

2.2 顆粒特性

2.2.1 顆粒粒徑

顆粒對材料的沖蝕速率在一定范圍內(nèi)隨顆粒粒徑的增加而增加，當(dāng)粒度達(dá)到某一臨界值時，沖蝕率不再改變[34]。MISRA等[35]認(rèn)為這是由于起初顆粒作用于金屬基體表面的硬質(zhì)薄層上，粒徑增大使顆粒動能增加，當(dāng)粒度增加到某一臨界值時，顆粒突破薄層直接撞擊材料基體，此時硬質(zhì)層的限制基本消失，從而表現(xiàn)出穩(wěn)定的較高沖蝕速率。

循環(huán)流化床鍋爐中，水冷壁的磨損是多種粒子共同施加影響的結(jié)果。隨著顆粒粒徑的增加，雖然單個顆粒的動能會持續(xù)增大，但單位體積內(nèi)顆粒數(shù)量減少，在相同空塔氣速下進(jìn)入稀相區(qū)的固體顆粒數(shù)量減少，邊壁下降流濃度降低，撞擊壁面的顆粒數(shù)量減少，此時水冷壁的磨損同時受上述2個因素制約。因此，爐內(nèi)磨損速率起初隨顆粒粒徑的增大而增大，當(dāng)粒徑達(dá)到某一臨界值時，磨損速率不再增大。圖6為循環(huán)流化床鍋爐在不同顆粒濃度μ下，磨損量與顆粒直徑的關(guān)系[36]。

圖6 不同顆粒濃度下磨損量與顆粒直徑的變化關(guān)系[36]Fig.6 Variations of abrasion loss with particle diameter at different particle concentrations[36]

2.2.2 顆粒形狀

形狀不規(guī)則、帶有棱角尖角的顆粒相較光滑、近似球形的顆粒更易造成磨損，顆粒球形度越大，磨損越輕[37]。研究表明，沖擊角為45°的磨粒是球狀磨粒磨損量的5倍[38]。一些學(xué)者以SiC、Al2O3、SiO2為試驗對象，通過改變寬長比(W/L)、周長平方與面積比(P2/A)，測量其對磨損速率的影響[39]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨W/L減小或P2/A增大，即顆粒球形度減小、不規(guī)則度增加，磨損率隨之增加。分析認(rèn)為，不規(guī)則的顆粒與壁面所成角度更小時更傾向于以較激烈的微切削(microcutting)的方式對壁面產(chǎn)生沖刷磨損；隨顆粒球形度增加，顆粒更多以較緩和的犁削(ploughing)方式撞擊壁面引起塑性變形。2種磨損方式所占份額變化，是磨損率隨顆粒形狀變化的根本原因。

2.2.3 顆粒與水冷壁材質(zhì)相對硬度

總體上磨損速率與顆粒硬度呈正比，研究表明，顆粒硬度對磨損的影響還與被磨材料的硬度有關(guān)。在循環(huán)流化床鍋爐中，當(dāng)顆粒硬度與水冷壁硬度之比Hp/Ht<1.0時，磨損速率通常很??；1.0≤Hp/Ht<1.2時，磨損速率陡增；Hp/Ht≥1.2時，磨損速率趨于飽和，維持在較高值[40]。這也是采用金屬噴涂、激光熔敷(熔覆)能夠減輕磨損的重要原因。

2.3 運行控制參數(shù)

2.3.1 床溫

床溫指密相區(qū)內(nèi)的物料溫度，適當(dāng)提高床溫有利于燃料顆?？焖偃紵?，但床溫變化會引起爐內(nèi)煙氣流速和循環(huán)灰量的變化。以山東某320 t/h循環(huán)流化床鍋爐為例[41]，當(dāng)運行床溫從890 ℃上升至960 ℃后，煙氣流速升高6%，磨損量升高19%；將床溫降低至920 ℃后，磨損量則可降低9%。

2.3.2 床壓

床壓反映爐膛內(nèi)顆粒濃度[42]，顆粒濃度又與磨損量呈正比。床壓過大意味著爐內(nèi)床料過多，維持流化穩(wěn)定需較大流化風(fēng)量[43]，床面上移又會加重爐膛稀相區(qū)受熱面的磨損。因此，總體上低床壓可以減少水冷壁管的磨損。

2.3.3 負(fù)荷和風(fēng)量

循環(huán)流化床鍋爐運行負(fù)荷越高，燃料消耗量、風(fēng)量、煙氣量以及爐內(nèi)物料濃度、煙氣流速也越高，受熱面磨損程度隨之增加。一次風(fēng)量是影響磨損的主要因素，一次風(fēng)量過大，顆粒會被揚析到更高位置，同時爐膛上部稀相區(qū)內(nèi)物料濃度也會增加，從而加重磨損。因此，在保證流化充分的基礎(chǔ)上應(yīng)降低一次風(fēng)率，在維持氧量的前提下盡量降低二次風(fēng)量，通過控制總風(fēng)量來減少顆粒對水冷壁管的沖刷。

2.4 安裝維護(hù)

部分燃料特性、顆粒特性、運行控制參數(shù)相近的循環(huán)流化床鍋爐也會產(chǎn)生顯著的磨損差異，這與安裝維護(hù)密切相關(guān)。工程實踐表明，受熱面管壁變形、拉裂、脹粗、腐蝕、鼓包，以及鰭片開裂、咬邊、漏焊、假焊等均會對磨損造成較大影響。廣東某鍋爐在檢修時發(fā)現(xiàn)由于管壁焊縫凸起未磨平導(dǎo)致磨損嚴(yán)重，另一鍋爐則因安裝時臨時吊耳焊點未磨平造成磨損嚴(yán)重[44]，山東某鍋爐也發(fā)生過因管屏膨脹受阻引起屏式受熱面不規(guī)則變形，使得彎曲區(qū)域磨損陡增的安裝事故[45]。因此，新裝受熱面或更換受熱面時，管與管的對接處理、焊口的修復(fù)打磨、鰭片的焊接等工藝必須滿足技術(shù)要求，如遇安裝焊縫，特別是鰭片壁面不光滑時，應(yīng)將凸起的焊縫磨平，凹進(jìn)的焊縫補平補直。對受熱面的固定裝置、拉勾、管卡、膨脹裝置、吊架等部件進(jìn)行檢查時，應(yīng)確認(rèn)這些部件外觀完好，無損壞、變形等現(xiàn)象，使其具有足夠的膨脹間隙[26]。

3 爐內(nèi)磨損的主要區(qū)域

如前所述，水冷壁管的磨損受多因素、多作用機理同時支配，且爐內(nèi)氣固兩相動力學(xué)特性的復(fù)雜性，不同區(qū)域受磨損程度各異。一般而言，磨損大多集中在以下區(qū)域：爐膛下部密相區(qū)、過渡區(qū)、屏式受熱面連接區(qū)、四角區(qū)、爐頂區(qū)、爐膛出口區(qū)域、不規(guī)則區(qū)(測點區(qū))。

3.1 密相區(qū)磨損

爐膛密相區(qū)布置有一、二次風(fēng)口以及進(jìn)煤口、返料口，密相區(qū)氣固擾動最強烈，渦流最明顯。密相區(qū)一般覆蓋有耐火耐磨材料，通常不會產(chǎn)生顯著磨損，如果耐火耐磨材料脫落，則該脫落區(qū)域會快速磨損并可能引發(fā)停爐，圖7為給煤口區(qū)域的磨損。

圖7 給煤口區(qū)域磨損Fig.7 Wear on coal feeding inlet

3.2 過渡區(qū)磨損

水冷壁與耐火耐磨材料的交界區(qū)域磨損較嚴(yán)重[46-47]，過渡區(qū)域磨損機理示意如圖8所示。造成這種磨損的原因為：① 高速邊壁流受下方耐火耐磨材料阻礙，流動方向被迫發(fā)生劇烈改變，形成由截面突變導(dǎo)致的臺階效應(yīng)；② 邊壁流在此處遇到上行固體物料流，局部產(chǎn)生渦流加劇磨損。

圖8 過渡區(qū)域磨損機理示意Fig.8 Schematic diagram of wear mechanism in transition area

此外，由于此處靠近爐膛底部的布風(fēng)板，原先垂直下降進(jìn)入爐內(nèi)的固體顆粒流還會與斜向擴(kuò)散的一次風(fēng)氣流發(fā)生碰撞，在爐膛前后墻形成碰撞，造成磨損。

3.3 屏式受熱面連接區(qū)磨損

屏式過熱器、屏式再熱器安裝在爐膛中上部。其下端連接區(qū)易受邊壁下降流與核心區(qū)上升流產(chǎn)生渦流的影響，底部澆注料在長時間沖刷下有可能脫落，失去保護(hù)后，受熱面管將直接暴露在高速運動的固體顆粒中，如圖9所示。

圖9 屏澆注料脫落引起的磨損Fig.9 Wear caused by shedding of castable

3.4 四角區(qū)域磨損

在爐膛頂部的四角區(qū)域，相鄰邊壁流在此處疊加、混合，顆粒濃度幾乎增加1倍。有學(xué)者指出，矩形、方形截面的流化床鍋爐角落效應(yīng)更明顯，即邊角更易形成高濃度顆粒層[48-50]。頂部過渡范圍較小，水平方向的不平滑轉(zhuǎn)角使得氣流在此易形成局部渦流，因此四角區(qū)域的磨損在循環(huán)流化床鍋爐中也較為明顯，如圖10所示。

圖10 爐膛四角區(qū)域磨損Fig.10 Wear on corner area in furnace

3.5 爐頂和爐膛出口區(qū)域磨損

煙氣離開爐膛時，顆粒與氣流在出口區(qū)域發(fā)生分離，轉(zhuǎn)彎處的離心力作用將大量顆粒甩向布置在爐頂區(qū)域以及爐膛出口區(qū)域的受熱面，進(jìn)而產(chǎn)生磨損，爐頂與爐膛出口區(qū)域的磨損如圖11所示。

圖11 爐頂與爐膛出口區(qū)域磨損示意Fig.11 Schematic diagram of wear on outlet area and top area in furnace

3.6 不規(guī)則區(qū)域磨損

爐內(nèi)一般還設(shè)有大量開孔結(jié)構(gòu)，如溫度壓力測量點、人孔門、給煤口、返料口、床上燃燒器風(fēng)口及二次風(fēng)口等。不規(guī)則的凸起導(dǎo)致流場發(fā)生突變，引起固體顆粒流局部流動不良，造成對周圍水冷壁的磨損，圖12為熱電偶及開孔處磨損。

4 減輕爐內(nèi)磨損的設(shè)計措施

循環(huán)流化床鍋爐通常使用讓管設(shè)計作為減輕磨損的技術(shù)措施，讓管法通過將水冷壁管向外彎成勺形(圖13)，耐火耐磨材料與上部水冷壁管保持平直(或耐火耐磨材料面低于水冷壁管)。在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計下，邊壁流沿壁面平直下落，固體顆粒流因受耐火層阻礙形成的局部渦流磨損減輕。

對于采用讓管結(jié)構(gòu)的鍋爐，爐膛錐段上部1～2 m區(qū)域(原磨損嚴(yán)重區(qū)域)磨損一般較輕。云南某300 MW CFB鍋爐將凸臺軟著陸改為讓管技術(shù)后，機組連續(xù)運行時間明顯提升[51]。但該技術(shù)對設(shè)計要求較高，部分電廠也曾出現(xiàn)過因設(shè)計不當(dāng)造成磨損上移的問題[52]。

5 爐內(nèi)防磨技術(shù)措施及應(yīng)用效果

由前文可知，受熱面磨損嚴(yán)重的問題制約著流化床燃燒技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鑒于此，國內(nèi)科研人員與應(yīng)用單位在主動防磨與被動防磨領(lǐng)域進(jìn)行了諸多嘗試。前者從爐內(nèi)氣固兩相流體動力學(xué)特性入手，以疏導(dǎo)爐內(nèi)固體顆粒為切入點，減小邊壁流對爐內(nèi)受熱面的沖擊碰撞；后者通過合成硬度更高、耐磨性更好的原材料敷設(shè)于易磨損部位，代替其與爐內(nèi)固體顆粒流接觸。

5.1 主動防磨

5.1.1 防磨護(hù)瓦

防磨護(hù)瓦為直條、U型或S型瓦狀物，截面通常為半圓形，將其罩在受熱面易磨損部位。護(hù)瓦在中小型循環(huán)流化床鍋爐上使用廣泛。云南某小型循環(huán)流化床鍋爐對四角區(qū)域第2根管道焊接防磨瓦，解決了該處磨損嚴(yán)重的問題[53]。

護(hù)瓦會在水冷壁上形成凸臺，對未安裝護(hù)瓦的部位造成渦流磨損；護(hù)瓦內(nèi)表面與水冷壁表面之間存在空氣隙熱阻，影響傳熱過程，因此該技術(shù)在大型循環(huán)流化床鍋爐上很少采用。圖14為工程改造中使用的直條護(hù)瓦。

圖14 直條護(hù)瓦Fig.14 Straight anti-wear tile

5.1.2 防磨梁

防磨梁技術(shù)，也稱主動多階防磨梁技術(shù)，指在爐膛水冷壁面沿高度方向以一定間距水平或傾斜布置多層環(huán)繞全爐膛的防磨梁[54-55]，旨在破壞穩(wěn)定的邊壁流，降低邊壁流的濃度及速度。防磨梁一般為耐火耐磨材料澆注而成的凸臺，由銷釘固定在水冷壁上，防磨梁結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 防磨梁結(jié)構(gòu)示意[6]Fig.15 Structural diagram of anti-wear beam[6]

防磨梁能降低邊壁流的整體速度，部分工程項目顯示，邊壁流到達(dá)密相區(qū)時的速度甚至可以降至1 m/s[56]；固體顆粒受到防磨梁的阻擋后，顆粒團(tuán)被分散，部分形成斜射流轉(zhuǎn)向爐內(nèi)運動[57](圖16)，重新進(jìn)入核心區(qū)參與燃燒，邊壁顆粒流濃度因此降低。此外，防磨梁上方形成的自然積灰會對邊壁流形成軟著陸，也能減輕因沖擊轉(zhuǎn)向形成的渦流磨損。

圖16 爐膛內(nèi)部流場示意[57]Fig.16 Schematic diagram of flow field in furnace[57]

山西某300 MW循環(huán)流化床鍋爐采用防磨梁技術(shù)1 a后進(jìn)行測評，結(jié)果表明水冷壁壁面較清潔，減薄量基本小于0.5 mm[58]。但防磨梁的設(shè)計方案對使用效果產(chǎn)生重要影響，部分機組在實際運行過程中出現(xiàn)了磨損上移的現(xiàn)象，如內(nèi)蒙古某440 t/h循環(huán)流化床鍋爐安裝9道防磨梁后，檢修期間發(fā)現(xiàn)防磨梁根部出現(xiàn)不同程度的磨損[59]。還有部分機組使用防磨梁后出現(xiàn)床溫升高和鍋爐出力下降的問題，如山東某循環(huán)流化床鍋爐在爐內(nèi)加裝8道防磨梁，試運行期間發(fā)現(xiàn)排煙溫度提升超過30 ℃，低負(fù)荷與高負(fù)荷條件下均出現(xiàn)蒸汽壓力、蒸汽流量波動較大等問題[60]，最終不得不拆除其中3道防磨梁，并在原位置作噴涂處理；河北某循環(huán)流化床鍋爐采用防磨梁技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)額定負(fù)荷下床溫上升14 ℃[61]，一定程度上影響了降低污染物排放和鍋爐運行帶負(fù)荷能力。

分析認(rèn)為，盡管防磨梁在爐內(nèi)受熱面磨損方面應(yīng)用效果較好，但使用過程中需覆蓋一定面積的水冷壁，同時還會對邊壁流動及傳熱產(chǎn)生不利影響，設(shè)計不當(dāng)?shù)姆滥チ汉苋菀自斐慑仩t運行參數(shù)波動、熱效率下降以及防磨梁根部等局部區(qū)域磨損加劇，因此，防磨梁使用前必須進(jìn)行設(shè)計計算[26]，盡可能避免這些負(fù)面影響。

5.1.3 金屬格柵

金屬格柵(有時也稱防磨隔板、防磨導(dǎo)流板、梳型板)的防護(hù)原理與防磨梁相似，通過在爐膛前后墻與側(cè)墻分層安裝橫向、豎向隔板，形成格柵式防護(hù)，減輕物料渦流、物料斜向流動對水冷壁管正面及側(cè)面的沖擊磨損(圖17)。由于格柵采用金屬材質(zhì)且本體較窄，具有良好的導(dǎo)熱能力，因此對邊壁區(qū)流動結(jié)構(gòu)及傳熱影響也較小。陜西某480 t/h循環(huán)流化床鍋爐安裝金屬格柵后，每個檢修周期內(nèi)實測磨損量僅0.1 mm[62]。國內(nèi)大量350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐也將金屬格柵作為主要防磨技術(shù)。如廣西某廠3臺350 MW循環(huán)流化床鍋爐，在水冷壁標(biāo)高22.6 m以上的整個爐膛安裝金屬格柵，安裝區(qū)域內(nèi)水冷壁管防護(hù)良好，未見磨損[63]。

圖17 金屬格柵安裝Fig.17 Installation of metal grid

采用金屬格柵替換防磨梁也是近年來較普遍的技術(shù)方式。內(nèi)蒙古某廠在爐內(nèi)加裝防磨梁后發(fā)現(xiàn)由于邊壁層對水冷壁輻射面積減少導(dǎo)致鍋爐負(fù)荷降低，改裝為金屬格柵后，負(fù)荷恢復(fù)正常水平[64]；河北某300 MW循環(huán)流化床鍋爐拆除水冷壁上部爐膛防磨梁后將其改裝成金屬格柵，防磨效果良好且鍋爐帶負(fù)荷能力有所提升[65]；陜西某300 MW循環(huán)流化床鍋爐將后墻防磨梁拆除后降低了床溫且爐膛上部磨損減輕[66-67]。

5.2 被動防磨

5.2.1 金屬噴涂

金屬噴涂法分為超音速火焰噴涂和超音速電弧噴涂[68]。該項技術(shù)以燃?xì)馊紵蚋邷仉娀闊嵩?，憑借其釋放的熱量將粉末狀或絲狀的特殊金屬材料加熱至半熔融或熔融狀態(tài)，再通過壓縮空氣或燃?xì)鈮毫?，以超音速氣流將處于熔融狀態(tài)下的金屬霧化，噴射到水冷壁表面，最終形成厚度0.3～0.8 mm的金屬涂層。處于高溫環(huán)境下的涂層會生成致密、穩(wěn)定性較好的氧化膜，在水冷壁表面上形成硬度更大的防磨損層，以達(dá)到局部防磨的作用。金屬噴涂后的水冷壁管如圖18所示。

圖18 金屬噴涂后的水冷壁管Fig.18 Water wall tube after spraying

河南某440 t/h循環(huán)流化床鍋爐，對密相區(qū)耐火耐磨材料以上1.0～1.5 m區(qū)域，以及屏式過熱器、屏式再熱器耐火耐磨材料以上1～2 m區(qū)域?qū)嵤┏羲匐娀娡?，使管壁壽命延長4～6倍[69]。但對于燃用劣質(zhì)煤的循環(huán)流化床鍋爐，該技術(shù)保護(hù)周期一般小于6個月，每年需重新噴涂1～2次[70]。此外，金屬噴涂因廠家不同，質(zhì)量良莠不齊，往往會加劇磨損。江蘇某循環(huán)流化床鍋爐檢修期間發(fā)現(xiàn)水冷壁鰭片上的噴涂涂層出現(xiàn)大范圍磨損和鼓泡[71]，通過掃描電鏡及能譜儀發(fā)現(xiàn)，涂層與管材基體之間被腐蝕滲透，隨腐蝕產(chǎn)物增加，涂層逐漸向外凸起形成鼓泡，局部凸起最終加速了涂層脫落，引發(fā)新的磨損。

5.2.2 激光熔敷(熔覆)

激光熔敷(熔覆)是近年來廣泛使用的新技術(shù)，使用激光熔敷技術(shù)處理后的水冷壁管如圖19所示，其選用高溫抗磨、抗熱、抗蝕、抗疲勞的復(fù)合材料為原材料，激光熔敷(熔覆)層與基材之間通過原子或分子間結(jié)合和交互擴(kuò)散結(jié)合，致密性較高。

圖19 使用激光熔敷技術(shù)處理后的水冷壁管[6]Fig.19 Water wall tube by laser cladding technology[6]

新疆某熱電廠將原水冷壁管更換為激光熔敷管后，經(jīng)過3 a檢驗，激光熔敷層完好，大幅延長了水冷壁的使用壽命[72]；新疆某小型循環(huán)流化床鍋爐對澆注料以上約4 m區(qū)域的水冷壁進(jìn)行熔敷處理，杜絕了之前的非正常停爐現(xiàn)象[73]；青海某240 t/h循環(huán)流化床鍋爐對澆注料以上1.5 m區(qū)域進(jìn)行防磨技術(shù)升級，以熔敷層取代耐火材料層，實施完成后，不僅提高鍋爐的防磨能力，風(fēng)機電耗及燃料消耗量也相應(yīng)降低[74]。但該技術(shù)施工成本較高，進(jìn)行全爐膛防護(hù)時為防磨梁和金屬隔板技術(shù)的2～3倍，此外技術(shù)施工不當(dāng)易在水冷壁管上形成細(xì)小裂紋[75-76]，對操作水平要求較高。

5.3 綜合評述

總體而言，前文所述防磨技術(shù)各具優(yōu)缺點，因磨損成因復(fù)雜，各防護(hù)技術(shù)使用效果差異較大，表1對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了比較。從工程應(yīng)用來看，大部分電廠通常采用主、被動相結(jié)合的手段進(jìn)行防磨，如防磨梁+熱噴涂、金屬格柵+熱噴涂或激光熔敷(熔覆)[77-78]，由于金屬格柵對防磨梁替代效果良好，因此目前應(yīng)用廣泛且防磨效果最好的是金屬格柵與金屬噴涂或激光熔敷(熔覆)相結(jié)合的組合防磨技術(shù)[79]。目前，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)磨損問題已得到有效控制，連續(xù)運行周期和安全性得到顯著改善。以各等級代表性鍋爐為例，超臨界等級的山西河坡電廠2號鍋爐連續(xù)運行330 d；300 MW等級的廣東荷樹園電廠5號鍋爐連續(xù)運行434 d；200 MW等級的神華億利電廠1號鍋爐連續(xù)運行341 d；135 MW等級的淮南礦業(yè)潘三電廠1號鍋爐連續(xù)運行311 d；100 MW等級的新疆獨山子石化3號鍋爐連續(xù)運行586 d[6,72,80]。

表1 常用防磨技術(shù)的對比Table 1 Comparison of commonly used anti-wear technologies

6 結(jié) 語

1)循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的磨損主要由單顆粒切削、單顆粒摩擦、顆粒團(tuán)摩擦引起。其中，顆粒團(tuán)的形成、破碎過程是三體磨損起主導(dǎo)作用的根本原因。

2)爐內(nèi)嚴(yán)重磨損多見于氣速高、固體顆粒濃度大、流場發(fā)生突變的位置。不同區(qū)域形成磨損的機理各不相同，其中鍋爐設(shè)計結(jié)構(gòu)、燃料特性、運行參數(shù)、檢修維護(hù)是主要影響因素。

3)各種主、被動防磨措施均在一定程度上緩解了爐內(nèi)磨損帶來的壓力，延長了水冷壁的使用壽命，受熱面磨損得到了有效控制。

4)目前，金屬格柵與噴涂法或激光熔敷(熔覆)相結(jié)合的防磨效果最優(yōu)越。