循环流化床锅炉水冷壁防磨带技术应用与研究
摘要：对循环流化床锅炉水冷壁磨损的现有防护技术进行分析比较。指出各自的局限性对一系列磨损案例的分析找出了磨损的规律，并据此提出和验证了新的防磨损方法：采用防磨带技术改变沿壁回流物料的轨迹，使其离开防冷壁表面一定距离。这样沿壁的颗粒，起到保护炉壁的作用，从而减小对壁面的磨损。
关键词：循环流化床锅炉 水冷壁 磨损 沿壁流
一、概述
循环流化床锅炉燃料适应性强、燃烧效率高、高效脱硫、氨氧化物排放低、易于实现灰渣综合利用，其工作原理理：在流化床中存在有一定量的沸腾物料，燃煤被送入燃烧室后，迅速被热物料加热、着火、燃烧，其中较大的颗粒在流化床上沸腾燃烧，较小的颗粒随烟气夹带出流化床而悬浮燃烧，通过分离器后被收集下来，由返料装置再送回燃烧室燃烧。如此循环往复，直到燃尽。该技术具有如下优点：
(1)对燃料的适应性好。可以燃用烟煤、无烟煤、煤泥、煤矸石或掺入一定比例的煤矸石的混合燃料，粒度在8mm以下。
(2)燃烧效率高。由于燃煤在炉内反复循环燃烧，延长了煤力在炉内的停留时间，燃烧充分，可以使飞灰、炉渣中含碳量比煤粉炉大大地降低。
(3)清洁燃烧，保护环境。由于流化燃烧属于低温燃烧，密相区温度900℃左右，可有效减少氮氢化合物的生成，减轻烟气对臭氧层的破坏作用，对于高硫煤种，可以通过添加石灰石进行炉内脱硫，既可低二氧化硫的排放，还可以减轻锅炉尾部受热面的腐蚀和酸雨的形成。
二、防磨损技术现状
(1)选用复合材料，高磨损区域用3mm壁厚管外覆盖2mm厚的耐磨合金或耐磨陶瓷类材料，与5mm厚的管子现实对接。造价昂贵，施工复杂，对接部位难于平滑过渡，成为新的磨损区。
(2)对材料表面进行特殊处理，包括热喷涂、热处理、电镀、热浸涂。其中热喷涂技术是一种有效防磨损措施。其涂层薄而均匀，易于实现平滑过渡，由于涂层硬度大且在高温下生成致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层，能防止磨损和腐蚀。热喷涂特别是其中的超音速电弧喷涂技术发展迅速，但造价高，过渡区易磨损，喷涂施工要求高，使用过程中一旦局部喷涂层破坏暴露出的管壁将迅速磨损甚至穿造。
(3)耐或耐磨材料覆盖，牺牲受热面积。如个别流化床床内全为耐火材料覆盖，甚至不布置受热面。
(4)增大壁厚，水冷壁选用厚壁管，一般取5mm，预留了磨损量。有利于局部磨损后修理，不能解决磨损的发生。
(5)选择合适的金属材料，氧化性气氛下的传热件选用低碳和合金钢，有腐蚀或还原性气氛的区域加衬耐火材料。
(6)让管齐耳浇筑，使耐活物料与水冷壁交界尽量平滑过渡、耐火材料与上部水冷壁结构平直，从理论上可消除局部产生的磨损。但考虑弯管鳍片与浇筑物料的过渡，实际施工过程中受材料限制是答不到的，局部总会存在过渡不连续凸台，造成磨损。此法自减小检修量并不能缩短减小检修量并不能缩短检修周期，其磨损位置的不确定性反而给运行管理和检修带来了新难度。
在循环流化床的快速床中，气体往往以节涌流的形式向上流动，但由于壁面的摩擦效应靠近壁面处的气流速度低于床层中心的气流速度。沿壁回流导致循环流化床内的径向空隙率中心较大，边壁处较小。
在实际运行的流化床中，运行流化风速通常为临界流化风速的2—3倍，由于燃用宽筛分物料，其颗粒范围很宽，其流态化特征往往同时具有鼓泡床、湍流床、快速床和气力输送的流态特征，下部为泡床或流态床状态，上部为快速流态化及气力输送状态，随运行负荷燃料、风速、风压变化而变化。
湍流床颗粒大磨损严重，一般位于4000--5000ram高处，正是浇筑料高度，设计在浇筑料以下。快速流态化床在浇筑料以上4000--5000mm高处，颗粒下大上小，下浓上稀，再上为气力输送。界限较为模糊，随运行负荷、燃料、风速、风压变化而变化。
炉料内循环，在循环回路的相应部位产生一定磨损，磨损严重时，不仅影响锅炉的安全运行，还可能限制循环流化床锅炉某些优点的发挥。
下部为浇筑料，上部气流输送，磨损小，除局部安装设计尺寸不规范、形状突变、流体方向急变造成磨损，一般磨损轻微，可连续安全运行3--5年重点要解决的是浇筑料以上一定高度的快速流化段。
三、解决措施
检测发现磨损主要在炉膛的下部，所有几何形状不规则部位的磨损主要发生在突出部位的上方。对突出而受磨损的部位，修理后很难达到流线连续形状规则，对相应部位进行浇筑料覆盖即形成防磨带，磨损将继续在其上方发生，如此不断重复磨损覆盖，使磨损不短上移，在其上方一定高度打防磨带，使该磨损停止，新的防磨带会出现上部磨损，直至防磨带达到一定高度，逐渐减弱，基本消失。
为解决局部磨损，流化床设计结构尽量平直简单流线，床内流体运动轨迹相对简单，有利于分析和改进。回流层的宽度随运行负荷、燃料、风速、风压变化而变化。回流层颗粒上小下大，密度上稀下浓，速度上小下大。
此处仅分析防磨带的上下方，而作为炉膛向内的突出物在其两端对气流的扰动会形成不规则的磨损，延长防磨带并不能有所改变，当防磨带连成整圈即不存在两端的磨损。
防磨带可以有效阻挡沿壁回流，使回流层的主流特别是相对较大的颗粒与壁面保持一定距离，从而避免对冷水壁的磨损，这一沿壁面的回流层可以有效阻挡其他飘向炉壁的颗粒，起到保护炉壁的作用。从而减小对壁面的，磨损并保护壁面，变不利为有利。
以YG75--3.82型为例，炉膛直段部分净尺寸3140mm*5140mm，在炉膛一定高度位置建立一道全周长的防磨带一圈式防磨带，紧贴炉膛(模式水冷壁)、全长连续、形状规则、密实耐磨，和水冷壁具有基本一致的热膨胀性，在锅炉启停和正常使用过程中不开裂、抗振。对燃烧和传热不产生负面影响(或负面影响很小可以忽略)
防磨带的材料及施工方法有耐磨耐火可塑料浇筑和不锈钢带焊接两种。
防磨带的上端面采取平面结构，锅炉运行中依靠床料自然堆积形成一个减缓冲击软垫，有利于吸收颗粒的动能，减轻磨损。堆积形成的斜面可以改变物料流动方向。
底部的沿壁回流颗粒大、密度大、流速快防磨带防护的有效高度相对较小，第一道防磨带一般在浇筑料以上800---1000mm：向上间距可以适当增大，第二道与第一道间距1000--1200mm，第三倒与第二道间距1 200--1 500mm。最后一道(最高)防磨带的位置，以防磨带高度增加进入气流输送段的回流物料较少、颗粒小、流速低，对磨损影响较小，一般在浇筑料以上3000--5000mm位置，防磨带上下均不发生磨损(或磨损轻微)。一般三道防磨带即可基本解决磨损问题。
防磨带的影响如下：
(1)耐磨耐火可塑性对水冷壁受热面积有减少的影响，YG75--3.82炉型的炉膛水冷受热面高度19977mm，三道防磨带总遮挡的高度50*3=1 50mm小于1％，可忽略；不锈钢防磨带增加受热面积加强了传热。
(2)防磨带上、下部涡流。由于回流速度相对较低，底部涡流不明显，而梯级防磨带阻挡速度更低，未发现下部涡流磨损，检验发现的所有回流层内阻挡物引起的磨损均未见在下部存在。
(3)对燃烧的影响。对燃烧的影响实质是对流动截面积的影响，采用小尺寸50mm，相对炉膛截面尺寸3140mm*5140mm小于3％，而燃烧的可调整范围在30％-110％，可忽略。
之前，流化床锅炉因磨损运行周期仅2—4个月，采用上述防磨技术后，安全连续运行300天以上，基本解决水冷壁磨损对循环流化床锅炉运行的影响，经济效益与安全效益明显。