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465t/h循环流化床锅炉培训教材178第十一章循环流化床锅炉的磨损、膨胀和结焦第一节循环流化床锅炉各部件的磨损由于机械作用，间或伴有化学或电的作用，物体工作表面材料在相对运动中不断损耗的现象称为磨损。按磨损机理不同，磨损一般可分为粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损等。流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损称为冲蚀（或冲击磨损）。冲蚀有两种基本类型，一种叫冲刷磨损，另一种叫撞击磨损，这两种磨损的冲蚀表面的流失过程的微观形貌是不完全相同的。冲刷摩擦是颗粒相对固体表面冲击角较小，甚至接近平行。颗粒垂直与固体表面的分速使得它锲入被冲击物体，而颗粒与固体表面相切的分速使得它沿物体表面滑动，两个分速合成的效果即起一种刨削作用。如果被冲击的物体经不起这种作用，即被切削掉一小块，如此经过大量、反复的作用，固体表面将产生摩擦。撞击磨损是指颗粒相对于固体表面冲击角度较大，或接近于垂直时，以一定的运动速度撞击固体表面使其产生微小的塑性变形或显微裂纹，在长期、大量的颗粒反复撞击下。逐渐使塑性变形层整片脱落而形成的磨损。一般在循环流化床锅炉受热面和耐火材料的磨损种，床粒颗粒与受热面和耐火材料的冲击角度在0～900之间，因此循环流化床锅炉受热面和耐火材料的磨损是上述两种磨损基本类型的综合结果。磨损与固体颗粒浓度、速度、颗粒的特性和流道的几何尺形状等密切相关。在循环流化床锅炉中，受热面和耐火材料受到大量固体物料的不断冲刷，下表给出了各种锅炉典型的固体物料浓度和烟速的范围。锅炉区域固体物料浓（Kg/m3）烟气流速（m/s）循环流化床燃烧室密相区100～1000４.5～7循环流化床燃烧室稀相区5～50４.5～7循环流化床对流烟道412～16鼓泡流化床密相区200～10001～3.5煤粉炉对流烟道220～25燃气炉对流烟道030以上从表中的数据可以看出，循环流化床锅炉内的固体物料浓度为煤粉锅炉的几十倍到上百倍，因此受热面和耐火材料的防磨问题应特别重视。通常情况下CFB锅炉再如下部位磨损比较严重，应设计防磨衬里（如图）：465t/h循环流化床锅炉培训教材179以下分别讨论循环流化床锅炉内部金属件和耐火材料的磨损现象。一、循环流化床锅炉金属件的磨损（一）布风装置循环流化床锅炉布风装置的磨损主要有两种情况。第一种情况是风帽的磨损，其中风帽磨损最严重的区域发生在循环物料回料口附近。其原因主要是由于较高颗粒浓度的循环物料以较大的平行于布风板的速度分量冲刷风帽。布风装置磨损的另一种情况是风帽小孔的扩大，这种现象也发生在鼓泡流化床锅炉中，这类磨损将改变布风特性，同时造成固体物料漏至风室。（二）炉膛水冷壁的磨损水冷壁的磨损使循环流化床锅炉中与材料有关的最严重的问题。炉内水冷壁管的磨损可分为四种情况：炉膛下部卫燃带与水冷壁过渡区域管壁的磨损；炉膛四个角落区域的管壁磨损；一般水冷壁管壁的磨损；不规则区域管壁的磨损。1、炉膛下部敷设卫燃带与水冷壁管过渡（交界）区域的管壁磨损。大型循环流化床锅炉，其炉膛下部敷设（卫燃带）高度通常为５ｍ左右，而磨损就发生在炉膛下部卫燃带与水冷壁管的交界处。其磨损机理有两个方面一是过渡区域内由于沿壁面下流的固体颗粒与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，因而在局部产生涡旋流；另一个原因是沿炉膛面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁产生冲刷。卫燃带与水冷壁过渡区内水冷壁管壁的磨损并不是在炉膛四周均匀发生的，而是与炉内的物料总体流动形式有关。本工程为防止下部水冷壁耐磨材料终止线（前、后水冷壁拐点以上05m）以上区域的磨损，采用由Ф51×6mm管子变为Ф60×8mm的管子，并加装防磨护板。中部水冷壁由4m的高度采用厚壁管（Ф60×8mm），从而增加次区域的防磨。465t/h循环流化床锅炉培训教材1802、炉膛角落区域的水冷壁磨损在一些已运行的循环流化床锅炉中，已发现炉膛角落区域的水冷壁磨损比较严重，其原因可能是角落区域内沿壁面向下流动的固体料浓度比较高，同时流动状况也受到破坏。３、炉膛一般水冷壁管壁的磨损除卫燃带和水冷壁过渡区域以及炉膛角落以外，目前尚未发现炉膛水冷壁直管受严重磨损的情况，一般只是发现水冷壁管被磨亮。４、不规则区域管壁的磨损不规则区域管壁包括穿墙管、炉膛开孔处的弯管、管壁上的焊缝等，此外还有一些炉内的测试元件，如热电偶。运行经验表明即使很小的几何尺寸的不规则也会造成局部的严重磨损。（三）二次风喷嘴的磨损在循环流化床锅炉中，二次风喷嘴紧邻于炉膛下部浓相区的上方，二次风喷嘴有烧红现象,导致这种现象的发生是由于浓相区内的脉动将床料带入二次风喷嘴，从而产生二次风喷嘴的磨损。（四）炉内受热面的磨损在循环流化床炉膛内，除布置炉膛水冷壁外，还布置了屏式过热器和再热器，其磨损机理与水冷壁相似，主要取决于受热面的具体结构和固体物料的流动特性等。对于在浓相区布置埋管受热面的磨损，引本锅炉没有安装，在此不多介绍。（五）炉膛顶部受热面的磨损炉顶受热面的磨损主要是由于气固流在离开炉膛时在炉膛顶部区域转弯，产生离心作用，将大颗粒物料甩向炉顶而造成的。随着循环流化床锅炉容量的增大，炉膛高度也增加，因而炉膛顶部受热面的磨损问题也变得不严重。炉膛顶部受热面的磨损问题可通过将炉顶与旋风分离器的水平烟道拉开足够的距离来解决。（六）旋风分离器的磨损循环流化床锅炉旋风分离器的大部分构件，一般都敷设有耐火材料，因此旋风分离器金属件的磨损不是很严重，旋风分离器中心筒的损坏时由于受热变形所造成的。（七）对流烟道受热面的磨损循环流化床锅炉对流烟道的磨损就其特性而言与煤粉炉没有大的区别。但在循环流化床锅炉中，虽安装了旋风分离器，其效率达到95%以上，但由于炉内的固体物料浓度很高，分离器未能捕集而随烟气进入对流烟道的飞灰量的绝对值仍可能很高，因而对流烟道中的飞灰浓度仍相当大，同时在尾部烟道中烟气一般向下流动，固体颗粒一边随烟气465t/h循环流化床锅炉培训教材181流动，同时又受重力作用，颗粒的绝对速度是烟气速度加颗粒终端速度，不炉膛内的烟气的绝度速度要高。高的颗粒浓度加上高的颗粒速度，常常导致省煤器等尾部受热面磨损严重，因此在循环流化床锅炉的设计中对流受热面的磨损应引起高度重视。二、循环流化床锅炉耐火材料的磨损及破坏由于循环流化床运行在高温条件下（温度可达900～1000℃），而且温度变化频繁，造成循环热冲击，此外炉内有大量高速运动的高温固体物料，因此循环流化床锅炉使用大量的耐火材料来进行保护。循环流化床锅炉使用耐火材料的区域包括燃烧室、高温分离器、烟道及物料回送系统。循环流化床锅炉耐磨材料破坏的主要原因和机理有以下两类：1、由于温度循环波动和热冲击以及机械应力造成的耐火材料产生裂缝和剥落。温度循环波动时，由于耐火材料骨料和粘合料间热膨胀系数不同而形成内应力从而破坏耐火材料层，温度循环波动常常造成耐磨材料的内衬的大裂缝和剥落。温度快速变化造成的热冲击（启动中）可使耐火材料内的应力超过抗拉强度而剥落。机械应力所造成的耐火材料的破坏则主要是由于耐火材料与穿过耐火材料内衬处金属件间热膨胀系数不同而造成，因此在设计时若不考虑适当的膨胀空间酒会造成耐火材料的剥落。2、由于固体物料对耐火材料的冲刷而造成恼火材料的破坏。循环流化床锅炉内恼火材料易磨损区域包括边角区、旋风分离器和固体物料回送管路。脆性材料诸如耐火材料的磨损随冲击角的增大而增加，因此在旋风分离烟道设计时，应使冲击角尽量地小。除上述两种主要原因外，循环流床锅炉耐磨材料的的破坏还有因碱金属的渗透而造成的恼火材料减衰失效很渗透而造成的恼火材料的变质破坏等。以下分别介绍循环流护床锅炉各部位耐火材料的破环形式以及设计方法。（1）炉膛在循环流床锅炉中，炉膛温度达到850~1000℃，在此区域内经常发生热冲击和温度循环变化。燃烧室内温度的变化在几秒九可达500℃。炉内的还原性气氛要求耐火材料中含游离态铁和铁的氧化物少。从化学的角度来说，铁能促使CO生成C02和碳，而这个过程又能导致耐火材料中碳的堆积，进而引起内部膨胀及材料的逐渐损坏。（2）旋风分离器入口及筒体炉膛顶部及分离器入口一般经受900℃左右的高温，有时会达到1000℃以上。这里由于这两种部件的保温材料都有密实的不锈钢纤维丝的抗磨材料所覆盖。因而都具有较长的使用寿命。如果由于过度的热冲击而引起过多的裂缝，可以采用溶氧化硅基浇注料取而代之。465t/h循环流化床锅炉培训教材182分离器筒体和锥体都承受着相当恶劣的工作条件，其中有在几分钟之内的500~600℃左右的温度波动、有温度循环变化及磨损等。对许多衬里来说，反复的热冲击和温度循环变化、磨损和挤压剥落一起导致了大面积损坏，修补方案之一是用耐磨莫来石砖覆盖的耐火或耐火预制块来代替浇注的厚衬里。上述所说的那些衬里可以用磷酸粘结可塑料进行修补。另一种可能性是使用热膨胀系数低的薄衬里。分离器锥体所经历的工作条件与其筒体大致相同。推荐使用振动浇注使衬里具有足够的强度和耐磨性能，锥体部分推荐使用热膨胀系数低的浇注料。（3）返料回路机返料机构在循环流化床锅炉中，返料回路机返料机构经常出问题。热冲击、严重的磨损及温度循环变化导致反复的磨损。本部位一般采用密实保温浇注。衬里的浇注料保温层采用振动浇注法施工。在耐磨浇注料中应考虑是当添加不锈钢纤维丝。用保温砖或浇注料打底，上铺耐磨砖的衬里使用起来效果也不错。含有不锈钢纤维丝的磷酸盐粘结可塑料主要用在锅炉衬里的修补上。第二节影响流化床锅炉受热面磨损的各种因素分析影响循环流化床锅炉受热面磨损的因素很多，现将这些影响因素加以归纳并分析讨论如下：一、循环流化床锅炉内部物料总体循环形式的影响在循环流化床锅炉中，受热面的磨损与流经其表面的固体物料运行形式密切相关，因此要了解炉内的磨损情况，不仅要分析流经受热面的固体物料的局部运动形式，而且循环流化床锅炉内物料总体循环形式的分析是非常有必要的。炉内物料总体循环形式有锅炉系统的几何尺寸和各种射流所决定，这些射流包括布风板送入的一次风、炉膛中的二次风、燃料给入、石灰石给入以及循环物料流等。二、运行参数的影响1、烟气流速的影响磨损量与烟气流速成3次方的关系原因可解释为：冲蚀磨损之所以产生关健在于灰粒具有动能，颗粒动能与其速度的平均成正比，不但如此，磨损还与灰浓度有关（灰浓度又与速度的一次风成正比）灰粒撞击频率因子和灰粒对被磨损物体的相关速度有关。若近似认为烟气速度和颗粒速度相等时，则磨损量就将和烟气速度的3次方成正比，烟气速度的提高，会使上述有关因素的作用加强，从而导致冲蚀磨损的迅速增加。所以烟气流速越大时，磨损越严重。2、烟气温度的影响若飞灰颗粒温度低于软化温度，则温度变化将不影响其硬度，也不影响其外形，因465t/h循环流化床锅炉培训教材183此飞灰本身的磨损性能基本上不随烟气温度的变化而有所变化。然而烟气温度的变化将影响到受热面管壁的温度，管壁温度的变化将很大程度上影响到金属材料的机械强度，管壁温度对金属材料表面的影响主要变现在金属表面产生的氧化膜。通常由三层组成氧化膜：与空气接触的最外层氧化膜为Fe2O3，该层最薄；中间层为Fe3O4，而内层为FeO，其各层的硬度分别为Fe2O3—11450Mpa、Fe3O4—6450MPa、FeO—5500Mpa，而管材金属的硬度为1400Mpa。因此，磨损随壁温的变化是由这些氧化层的组合所组成的，当烟速不高时，飞灰只能将管壁外的腐蚀物冲刷掉，只有当烟速大于某个临界速度后，飞灰颗粒的撞击塑性变形和切削的机械作用已足以破坏氧化膜层后，金属表面才开始磨损，这个烟气速度成为临界磨损速度，它是随金属强速和氧化膜组成而变化的。另外管壁温度低于露点时，将产生酸腐蚀。3、烟气成分的影响含烟气流对金属壁面冲蚀磨损烟气中常含有一些微量腐蚀气体，如SO2、SO3、H2S等。在250℃以下烟温时这些腐蚀性气体会对壁面产生腐蚀作用，即使在300℃及以上壁温时，烟气中O2、SO2和壁面的氧化铁层作用仍然会产生SO3，并逐渐腐蚀管壁，这些腐蚀产物较容易被灰冲刷掉，露出新的金属表面，又再进