FW技术导向风帽式循环流化床锅炉磨损问题分析及技术改造方案

FW技术导向风帽式循环流化床锅炉磨损问题分析及技术改造方案（本文图已丢失）水冷壁的磨损是CFB锅炉中与材料有关的最严重的问题之一。在CFB锅炉炉膛内，典型的流体动力学结构为环－核结构。在内部核心区，颗粒团向上运动；而在外部环状区，固体颗粒沿炉膛水冷壁向下回流。环状区的厚度从床底部到顶部逐渐减薄，其平均厚度从实验装置的几毫米到大型CFB锅炉的几十厘米。固体物料沿水冷壁的向下回流是水冷壁产生磨损的主要原因。水冷壁的严重磨损与回流物料量的大小和方向突然改变有密切关系。通常方向突变的部位有：1、水冷壁卫燃带转折处；2、膜式水冷壁管对接和表面缺陷焊接不良，有毛刺、突起等；3、水冷壁其它地方有凸起的部位。因此炉内水冷壁的磨损可分为四种情形：卫燃带与水冷壁管转折区管壁的磨损、炉膛四角和一般水冷壁管壁区域的磨损、不规则区域管壁的磨损和炉膛出口管壁的磨损。后两种情况给电厂带来的磨损危害较小，故不探讨。下面结合FW技术导向风帽式循环流化床锅炉重点探讨前两种情况。2－1炉膛下部卫燃带与水冷壁转折区域的管壁磨损随着CFB锅炉的用量加大，投运日期变长，国内运行的CFB锅炉在炉膛下部卫燃带与水冷壁管壁交界处的磨损现象越来越严重。国外各主要CFB锅炉制造公司（ABB-CE,FosterWheeler,Ahlstrom,Lurgi,Circofluid）等生产的锅炉也都发现了磨损现象。这类磨损的机理有以下几个方面:一是在该区域内壁沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运行方向相反，因而在局部产生涡漩流；二是由于沿壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁产生磨损（如图所示）。水冷壁与卫燃带交界区域内水冷壁管壁的磨损并不是在炉膛四周均匀发生，而是与炉内物料总体流动形式有关。图循环流化床锅炉耐火材料与水冷壁管转折区域的磨损机理现有的防磨措施为：1、采用让管设计。该设计在一定程度上能预防水冷壁的磨损，但是仍存在许多问题，如让管与非让管的结合问题、施工难度大焊口多、不能防止风室漏灰和从技术上根本改变水冷壁及风帽磨损的原因等。2、采用厚壁水冷壁管，在420t/h及以上容量的锅炉上管壁由Φ51×6改到Φ60×8。3、在水冷壁上加焊鳍片来破坏向下流动的固体料流，从而达到防磨目的。实践证明，效果不是很理想，极易产生新的磨损点。4、在卫燃带以上3m-5m（东锅设计的130t/h锅炉后墙虽然耐磨耐火可塑料高达16.308m，但在离卫燃带3m甚至接近5m的高度内水冷壁管子冲刷也相当严重，特点是磨损区域不固定，个别管子的磨损呈刀削磨痕，深达2mm以上）的范围内对水冷壁管壁进行超音速电弧喷涂，喷涂防磨防腐金属合金材料，以延长使用寿命。在运行的多数CFB锅炉电厂中，实践证明该方法是目前解决燃烧室水冷壁防磨的技术含量较高、解决时间较短而且很经济的方法。金属表面喷涂能防止磨损主要有两个方面的原因：第一，涂层的硬度较基体的硬度大；第二，涂层在高温下会生成致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层，且氧化层与基体结合更牢固。我公司防磨喷涂技术领先，材料先进，已为多家电厂施工并受到用户青睐。对于燃烧室内水冷壁接口焊缝处，如果凸凹不平，不仅加快连接部位的焊口和鳍片的磨损，而且还对附近的水冷壁管子造成严重磨损。这是由于炉内循环物料沿水冷壁向下流过凸台时改变方向，直接冲刷水冷壁管子的某个部位，造成该处水冷壁快速冲刷磨损。同样，鳍片处由于安装时向外凹陷，此处物料碰撞发生转向将鳍片两侧的水冷壁磨损。为了减轻水冷壁严重磨损，在水冷壁上应避免有凹凸不平的情况，向火面焊缝要磨平，保证光滑，鳍片处应避免安装时向外凹陷，即使一个尺寸很小的焊接凸凹缺陷，也会加速该处水冷壁管子的磨损。2－2炉膛四角和一般水冷壁区域的磨损在许多已运行的FW型导向风帽式CFB锅炉中，发现炉膛四角区域和一般水冷壁磨损问题相当严重，因之停炉的比例高达90％左右。磨损部位不仅只在卫燃带以上两米以内，而且还出现在更高位置。其特点是磨损位置不固定，随风帽堵塞及损坏程度、设计因素、运行方式和燃料特性的不同而变化无常，一般防治措施很难凑效。并且排渣不流畅，严重影响了锅炉的经济和安全运行．如某厂自2002年运行以来，仅因水冷壁磨损事故，一年下来就达20余次/台，损失是多么巨大！究其原因主要有以下几点：一、角落区域内沿壁面下流的固体物料浓度较高，同时流动状态易受到改变；二、汇集在四角区域的颗粒比在一侧水冷壁边的颗粒对金属表面碰撞造成冲击磨损的机会大；三、“Γ”型风帽的影响（这一点下个专节具体说明）；四、由于流化不良或局部射流所引起的磨损。“Γ”型风帽因磨损损坏后，在密相区就产生局部高速射流，射流卷吸的床料颗粒便对较高位置的水冷壁受热面形成直接冲刷而导致磨损，并且较高磨损的位置，总位于风帽易磨损的前、后墙与两侧墙交接处。五、由于锅炉采用定向风帽，两侧排渣，定向送风时造成两个旋转方向相反的旋流，造成了炉内底部循环回料系统的气－固两相流动力场紊乱，在风帽上部形成涡流区，导致流化不良，飞灰含碳量高,加重了四角的磨损速率。在循环物料的转弯处，大颗粒物料产生偏析，因而使旋风分离器对侧水冷壁部分的磨损较为严重。六、运行参数的影响。在运行中要注意控制风量，降低烟气流速，控制床料和煤粒的筛分比，减少灰粒子浓度和粒径，降低磨损。第三节布风板Γ型风帽的磨损--是造成炉膛水冷壁磨损的最直接原因某电厂2＃CFB锅炉在运行2个月后，曾出现定向风帽磨损过半约500个的严重事故，磨损严重的风帽上部倾斜段全部磨损，利用备件部分更换和补焊。3个月后，因爆管停炉检查发现风帽又损坏260多个，最严重的风帽水平段包括浇注料以上部分全部磨损掉。分析其原因有：1)、由于锅炉采用定向风帽，定向送风时造成两个旋转方向相反的旋流，造成了炉内底部空气动力流场紊乱，在风帽上部形成涡流区，导致流化不良，飞灰含碳量高（如山东某220t/h的CFB锅炉采用FW技术导向风帽，飞灰含碳量高达34％）。再加上此区域煤粒、灰渣浓度高，粒度大，流速快，所以磨损十分强烈。采用定向风帽在设计上使后排风帽的喷口直接对前排风帽“头部”吹扫，直接形成冲击磨损。运行时间稍长，颗粒就很容易将前排风帽的帽顶及帽身“削”掉而形成射流。这样一来，又进一步加剧了空气动力流场的紊乱，即影响了流化质量，又增加了风帽的磨损。2）、定向风帽的另一个弊端就是风帽壁太薄（厚度仅为4.5mm），不耐磨损，设计不合理（只照搬FW公司的技术，不考虑中国综合利用电厂燃煤煤质、矸石磨损等的实际情况）。在正常运行，造成大量床料漏入风室，尤其是风帽磨损后情况更为严重。造成的后果有：①一次风重新吹起床料高速通过风帽，严重磨损风帽水平段；②严重影响流化质量，影响安全运行；③严重时压火清渣。3)、按FW技术，带导向风帽的布风板在100%MCR下设计阻力大都在5kPa以上,设计值过大，造成选用风机的压头过高，增加电耗。同时布风板开孔率又偏小（如某电厂布风板开孔率仅为3.17%），使得小孔流速过高（有的达到60m/s，大大超过一般循环流化床锅炉的设计值35m/s。如某一改造的电厂风帽小孔流速约为68m/s），从而造成风帽大面积磨损，厂用电率偏高(在20%左右)。4）、运行参数调整不当。如一、二次风量配比，上、下二次风的配比，风煤配比，床温，燃烧工况，物料循环倍率偏离等因素。第四节技术改造方案鉴于以上分析，我公司认为造成FW技术导向风帽式循环流化床锅炉今日现状的根本原因就在于锅炉布风系统设计不合理，采用定向风帽和以后改用的钟罩式风帽，其设计阻力均偏大，流速过高，气-固动力场改变，致使磨损严重。该炉型采用的定向风帽和钟罩式风帽都是引进美国FW公司专利技术生产的，其技术是成功的。但风帽分为几个流派，每种流派的技术各有其优缺点。结合各电厂的实际情况根据煤质、运行工况、布风板设计特性等，对布风板、风帽和炉膛底部进行必要的技术改造，是这类锅炉改变现状的极为理想的方案--即有效防止磨损，减少停炉次数，提高运行经济性，又达到大幅度降低厂用电的目的（某电厂改造后，仅一次风机就降低了10A，电压为6kv）。鉴于其风帽固有的缺点，因此应改变风帽的结构形式，改为侧孔式风帽。这种风帽已经用户实践，证明其磨损最轻，布风最均匀，应用最广。某电厂在改造十个月后停炉检查发现，原来较易磨损的区域都还基本保持原状，从没因磨损原因造成停炉检修事故。我公司技术改造设计主要优点有：1、从结构上讲，可使布风更加均匀，有效改善流化质量，促使底部粗颗粒的扰动，避免底料沉积，减少灰渣含碳量，从而提高锅炉热效率；风帽开孔采取向下倾斜的方式，可有效防止风帽漏灰渣现象。2、风帽材质采用耐高温、耐磨损的高强度合金铸钢。风帽顶部及其主要磨损区采用加厚方式（厚度可根据用户要求定做），大大延长了风帽使用寿命。3、风帽小孔均匀开布，且向下倾斜，因此它不会直接“伤及”其它风帽，相应延长了风帽使用寿命。4、排渣方式可有两种选择。一是两侧外排渣，风帽向两侧倾斜一定角度。二是改为炉底排渣（若炉底有一定空间的话）。布风板作相应改动，侧墙亦同时作相应改动。实践证明，该技术方案无论在技术上，在解决问题的根本上，还是在安全经济性上，都是电厂最佳的选择。第五节CFB锅炉的调试与性能测试5－1冷态试验1、CFB锅炉风量标定试验包括一次风、二次风的机翼型流量测量一次元件的差压与流量的关系进行试验标定，得出各一次流量元件的流量系数、流量与差压的关系曲线、温度变化后的补偿修正式等内容。2、CFB锅炉冷态流化特性试验内容包括测量两种不同的料层厚度（500mm、650mm）时的临界流量风量、测量布风板的阻力特性并得出冷态与热态计算公式。布风装置布风均匀性检查和料层阻力特性试验。最后作出相关的关系曲线和关系图。5－2热态调试与测试内容包括：▲风煤调整，找出最佳风煤配比；▲物料循环系统的调整试验，保证系统运行正常；▲测试尾部烟道烟气含氧量、CO及过量空气系数等，以此来调整运行方式，提高锅炉燃烧效率；▲锅炉各主参数的调节与选择。包括床温、料层差压、炉膛差压、返料、风量等。5－3CFB锅炉热效率试验完成在最大负荷和70%MCR工况下的两个锅炉热效率的测定试验。求出热效率，找出提高锅炉热效率的途径。作出评价，并给出最佳参考运行参数。