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關於循環流化床鍋爐磨損機理

發布日期:2010/3/8 11:45:45

關於循環流化床鍋爐磨損機理

    循環流化床燃燒技術是一項近20年發展起來的清潔煤燃燒技術,循環流化床鍋爐是繼鏈條爐、煤粉爐發展起來的高效率、低汙染的新爐型,因其燃燒效率高、煤種適應性廣、負荷調節範圍大、氮氧化物排放低、易於脫硫等優點而備受青睞,已在世界範圍內得到了廣泛的應用和推廣。隨著循環流化床燃燒技術的日益成熟,循環流化床鍋爐也以其大量的運行實踐被公認為極具發展前途的爐型之一。但磨損問題的突出嚴重製約了該爐型長期經濟的運行。­

1[/B]、循環流化床鍋爐的磨損[/B][/B]­

1.1[/B] 循環流化床鍋爐中的磨損問題[/B][/B]­

1給出了各種鍋爐典型的固體物料濃度和煙速的範圍,從表中的數據可以看出,循環流化床鍋爐爐內灰濃度高,通常為煤粉爐的幾十倍、幾百倍,甚至上千倍,因此循環流化床鍋爐的磨損要比其它類型鍋爐嚴重得多,受熱麵和耐火材料的防磨問題應特別重視【1】。磨損問題解決得如何,直接關係到循環流化床鍋爐設計的成敗,也直接影響循環流化床鍋爐機組的可用率。­

1  循環流化床鍋爐典型的固體物料濃度和煙速【1­

­鍋爐區域

­固體物料濃度(km/m3

­煙氣流速(m/s

­循環流化床燃燒室密相區

­循環流化床燃燒室稀相區

­循環流化床對流煙道

­100-1000

­5-50

­<4

­4.5-7

­4.5-7

­12-16

1.2[/B] 磨損的概念與形式[/B][/B]­

    由於機械作用,間或伴有化學或電的作用,物體工作表麵材料在相對運動中不斷損耗的現象稱為磨損。­

    根據磨損機理不同,磨損一般可分為粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損、衝蝕磨損、微動磨損等。流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表麵進行衝擊所造成的磨損稱為衝蝕(或衝擊磨損)。衝蝕又有兩種基本類型,分別叫做衝刷磨損和撞擊磨損,這兩種磨損的衝刷表麵流失過程的微觀形貌是完全不同的。衝刷磨損是顆粒相對固體表麵衝擊角較小,甚至接近平行。顆粒垂直於固體表麵的分速使得它鍥入被衝擊物體,而顆粒與固體表麵相切的分速使得它沿固體表麵滑動,兩個分速合成的效果即起一種刨削的作用。如果被衝擊物體經不起這種作用,即被切削掉一小塊,如此經過大量、反複的作用,固體表麵將產生磨損。撞擊磨損是指顆粒相對於固體表麵衝擊角度較大,或接近垂直時,以一定的速度撞擊固體表麵使其產生微小的塑性變性或顯微裂紋,在長期大量的顆粒反複衝擊下,逐漸使塑性變性層整片脫落而形成的磨損。­

    根據磨損方式不同,磨損又可分為兩物體磨損、三物體磨損。在兩物體磨損中,固體依靠自身動量撞擊並衝刷壁麵。在三物體磨損中,沿壁麵運動的固體粒子受到粒子團的衝擊,而粒子團則利用前者作為磨損介質來磨損受熱麵。雖然現在還沒有充分理解循環流化床鍋爐的磨損機理,但可以預測三物體磨損是造成循環流化床鍋爐磨損的主要原因。三物體磨損可能發生在以下三種情況:顆粒富集以很大的密度沉降、供料足以產生很大的顆粒密度以及在顆粒流動容許範圍內很大顆粒密度在磨損表麵附近區域可以存在。­

1.3[/B] 磨損的影響因素[/B][/B]­

    循環流化床鍋爐中煤灰顆粒對鍋爐耐火材料的磨損屬於顆粒流的衝蝕,既有顆粒對爐內耐火材料的撞擊,又有高濃度含灰氣流對材料表麵的衝刷。衝擊磨損是指由於顆粒流撞擊或在表麵滑動所引起的質量損失,在很大程度上取決於顆粒的尺寸、顆粒的形狀、衝擊速度、衝擊角度、供料量、顆粒的強度及硬度等,下麵簡要討論這些因素對材料磨損的影響:­

顆粒尺寸的影響:已有研究結果表明磨損程度受顆粒動能的影響,大顆粒衝擊管壁的磨損能力較大。影響顆粒大小的因素有煤粒大小、石灰石顆粒大小、煤灰富集程度等。­

顆粒形狀的影響:一般認為帶有棱角的顆粒比近似球形的顆粒更具磨蝕性,通常認為隨顆粒圓度的增加磨損量減少,然而顆粒的形狀並非設計人員能控製的。­

顆粒撞擊表麵可能性係數的影響:對表麵有衝擊作用的顆粒份額是決定管壁磨損程度的關鍵因素。顆粒對壁麵的衝擊行為沒有定論,至今仍不能精確度量顆粒的濃度、軌跡及其停留時間。顆粒濃度由爐膛高度及尺寸、流化速度、固體物料量、顆粒的大小形狀及其均勻度等共同決定,這些因素也是相互製約的。­

顆粒硬度的影響:當顆粒硬度比被磨材料的硬度低時,磨損率通常很低;當顆粒硬度接近或高於被磨材料的硬度時,磨損率會迅速增加;此時顆粒硬度再繼續增加則對磨損影響不顯著。顆粒的硬度由進入床層的煤粒、灰粒、石灰石顆粒等共同決定,又隨煤灰組分不同而變化,然而煤灰組分是很難確定的。對於循環流化床鍋爐,必須引起注意的是床料在爐內停留一段時間後其表麵會生成一膜層,其硬度要大大高於新鮮床料的硬度,因此在循環流化床中,受熱麵的磨損將主要取決於床料表麵磨層的厚度。­

供料量:供料量的增加意味著顆粒濃度的增加,其他條件相同情況下,顆粒濃度增加衝擊管壁的磨損能力隨之變大,循環流化床鍋爐高的循環倍率雖然可以提高燃燒效率,增強傳熱效果,但同時高的循環倍率也決定了煙氣中高濃度的固體顆粒和嚴重的磨損。­

衝擊速度:顆粒的流速是在設計人員所能控製的,如二次風噴嘴、床層橫截麵及爐膛出口通向旋風分離器處的顆粒速度等直接由設計人員控製著。沉降到管壁的顆粒衝擊速度由其自身重力及爐膛高度決定,設計人員可以通過選擇合適的流化速度及顆粒攜帶量來控製顆粒的衝擊速度。­

衝擊角度:通常衝刷磨損隨衝擊角度的減小而減少,但鍋爐實際運行中的衝擊角度是很難確定的,隻有在流動模型中可以控製衝擊角的大小從而減輕對磨損的影響。­

    除上述各影響因素外,磨損程度還與被衝擊表麵的材質有關,同等條件下,材質耐磨性能越好,磨損量愈小。此外,磨損程度還受燃料特性、運行參數等的影響。燃料特性是指燃料對受熱麵的影響程度可分為無磨損、低磨損、中磨損、高磨損、嚴重磨損等五個等級對磨損的影響程度由弱到強,運行參數的影響包括煙氣速度、氣流湍流強度、煙氣溫度及煙氣成分等方麵的影響。­

2[/B] 循環流化床鍋爐實際運行中的易磨損部件[/B][/B]­

    循環流化床鍋爐的磨損部位與鍋爐的結構、運行參數、材料特性等因素有關。易磨損的部位有受熱麵管子和耐火材料。循環流化床鍋爐結構中易磨損的金屬部位為耐火材料與水冷壁交界處、衛燃帶以上的水冷壁密相區、不規則的管壁區域、水冷壁四角區域、過熱器前幾排管子、省煤器前幾排管子、金屬膨脹節、布風裝置等。­

­

管壁減薄圖水冷壁爆管圖­

2.1[/B] 衛燃帶與水冷壁過渡區及衛燃帶以上的水冷壁密相區的磨損[/B]­

    該區的磨損發生在爐膛衛燃帶與水冷壁管的交界處,四角磨損較嚴重。其中,此部位存在耐火材料台階時,水冷壁和鰭片磨損速度加快。磨損的原因,一是衛燃帶區由於沿壁麵下流的固體物料與爐內向上流動的固體物料運動方向相反,因而在局部產生渦流;另一方麵是沿爐膛壁麵下流的固體物料在交界處產生流動方向的改變產生反彈力,因而對水冷壁管產生衝刷。其中第二個方麵原因與現場檢查的結果吻合較好。凸台的形狀、結構與寬度影響磨損的位置和深度,斜坡比平台反彈力大,磨損快。凸台越寬,磨損的高度越高。­

2.2[/B] 水冷壁四角磨損[/B][/B]­

    由於水冷壁四角物料濃度大,向火麵焊縫容易不平整而導致磨損速率高。­

    基於以上分析,水冷壁防磨措施中讓管設計、清除凸出障礙物和超音速電弧噴塗相結合是較可行的方法。­

2.3[/B] 對流受熱麵[/B][/B]­

    循環流化床鍋爐的對流受熱麵磨損是一個比較嚴重的問題,磨損發生的主要部位在過熱器的第一、二排管子,省煤器兩端和空氣預熱器出口處。這部分管排常因結構、安裝或受熱變形等原因形成煙氣走廊,物料速度較高,導致磨損加快。磨損的位置一般為迎風麵兩側3045°範圍內。­

針對以上磨損情況,建議采用超音速電弧噴塗耐磨防腐合金材料。­

     超音速電弧噴塗防磨處理的特點是效率高,施工速度快,質量較穩定,管壁溫度一般不超過150℃。耐磨效果好、現場施工效率高。­

 

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