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关于循环流化床锅炉磨损机理

发布日期:2010/3/8 11:45:45

关于循环流化床锅炉磨损机理

    循环流化床燃烧技术是一项近20年发展起来的清洁煤燃烧技术,循环流化床锅炉是继链条炉、煤粉炉发展起来的高效率、低污染的新炉型,因其燃烧效率高、煤种适应性广、负荷调节范围大、氮氧化物排放低、易于脱硫等优点而备受青睐,已在世界范围内得到了广泛的应用和推广。随着循环流化床燃烧技术的日益成熟,循环流化床锅炉也以其大量的运行实践被公认为极具发展前途的炉型之一。但磨损问题的突出严重制约了该炉型长期经济的运行。­

1[/B]、循环流化床锅炉的磨损[/B][/B]­

1.1[/B] 循环流化床锅炉中的磨损问题[/B][/B]­

1给出了各种锅炉典型的固体物料浓度和烟速的范围,从表中的数据可以看出,循环流化床锅炉炉内灰浓度高,通常为煤粉炉的几十倍、几百倍,甚至上千倍,因此循环流化床锅炉的磨损要比其它类型锅炉严重得多,受热面和耐火材料的防磨问题应特别重视【1】。磨损问题解决得如何,直接关系到循环流化床锅炉设计的成败,也直接影响循环流化床锅炉机组的可用率。­

1  循环流化床锅炉典型的固体物料浓度和烟速【1­

­锅炉区域

­固体物料浓度(km/m3

­烟气流速(m/s

­循环流化床燃烧室密相区

­循环流化床燃烧室稀相区

­循环流化床对流烟道

­100-1000

­5-50

­<4

­4.5-7

­4.5-7

­12-16

1.2[/B] 磨损的概念与形式[/B][/B]­

    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。­

    根据磨损机理不同,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)。冲蚀又有两种基本类型,分别叫做冲刷磨损和撞击磨损,这两种磨损的冲刷表面流失过程的微观形貌是完全不同的。冲刷磨损是颗粒相对固体表面冲击角较小,甚至接近平行。颗粒垂直于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固体表面滑动,两个分速合成的效果即起一种刨削的作用。如果被冲击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,固体表面将产生磨损。撞击磨损是指颗粒相对于固体表面冲击角度较大,或接近垂直时,以一定的速度撞击固体表面使其产生微小的塑性变性或显微裂纹,在长期大量的颗粒反复冲击下,逐渐使塑性变性层整片脱落而形成的磨损。­

    根据磨损方式不同,磨损又可分为两物体磨损、三物体磨损。在两物体磨损中,固体依靠自身动量撞击并冲刷壁面。在三物体磨损中,沿壁面运动的固体粒子受到粒子团的冲击,而粒子团则利用前者作为磨损介质来磨损受热面。虽然现在还没有充分理解循环流化床锅炉的磨损机理,但可以预测三物体磨损是造成循环流化床锅炉磨损的主要原因。三物体磨损可能发生在以下三种情况:颗粒富集以很大的密度沉降、供料足以产生很大的颗粒密度以及在颗粒流动容许范围内很大颗粒密度在磨损表面附近区域可以存在。­

1.3[/B] 磨损的影响因素[/B][/B]­

    循环流化床锅炉中煤灰颗粒对锅炉耐火材料的磨损属于颗粒流的冲蚀,既有颗粒对炉内耐火材料的撞击,又有高浓度含灰气流对材料表面的冲刷。冲击磨损是指由于颗粒流撞击或在表面滑动所引起的质量损失,在很大程度上取决于颗粒的尺寸、颗粒的形状、冲击速度、冲击角度、供料量、颗粒的强度及硬度等,下面简要讨论这些因素对材料磨损的影响:­

颗粒尺寸的影响:已有研究结果表明磨损程度受颗粒动能的影响,大颗粒冲击管壁的磨损能力较大。影响颗粒大小的因素有煤粒大小、石灰石颗粒大小、煤灰富集程度等。­

颗粒形状的影响:一般认为带有棱角的颗粒比近似球形的颗粒更具磨蚀性,通常认为随颗粒圆度的增加磨损量减少,然而颗粒的形状并非设计人员能控制的。­

颗粒撞击表面可能性系数的影响:对表面有冲击作用的颗粒份额是决定管壁磨损程度的关键因素。颗粒对壁面的冲击行为没有定论,至今仍不能精确度量颗粒的浓度、轨迹及其停留时间。颗粒浓度由炉膛高度及尺寸、流化速度、固体物料量、颗粒的大小形状及其均匀度等共同决定,这些因素也是相互制约的。­

颗粒硬度的影响:当颗粒硬度比被磨材料的硬度低时,磨损率通常很低;当颗粒硬度接近或高于被磨材料的硬度时,磨损率会迅速增加;此时颗粒硬度再继续增加则对磨损影响不显著。颗粒的硬度由进入床层的煤粒、灰粒、石灰石颗粒等共同决定,又随煤灰组分不同而变化,然而煤灰组分是很难确定的。对于循环流化床锅炉,必须引起注意的是床料在炉内停留一段时间后其表面会生成一膜层,其硬度要大大高于新鲜床料的硬度,因此在循环流化床中,受热面的磨损将主要取决于床料表面磨层的厚度。­

供料量:供料量的增加意味着颗粒浓度的增加,其他条件相同情况下,颗粒浓度增加冲击管壁的磨损能力随之变大,循环流化床锅炉高的循环倍率虽然可以提高燃烧效率,增强传热效果,但同时高的循环倍率也决定了烟气中高浓度的固体颗粒和严重的磨损。­

冲击速度:颗粒的流速是在设计人员所能控制的,如二次风喷嘴、床层横截面及炉膛出口通向旋风分离器处的颗粒速度等直接由设计人员控制着。沉降到管壁的颗粒冲击速度由其自身重力及炉膛高度决定,设计人员可以通过选择合适的流化速度及颗粒携带量来控制颗粒的冲击速度。­

冲击角度:通常冲刷磨损随冲击角度的减小而减少,但锅炉实际运行中的冲击角度是很难确定的,只有在流动模型中可以控制冲击角的大小从而减轻对磨损的影响。­

    除上述各影响因素外,磨损程度还与被冲击表面的材质有关,同等条件下,材质耐磨性能越好,磨损量愈小。此外,磨损程度还受燃料特性、运行参数等的影响。燃料特性是指燃料对受热面的影响程度可分为无磨损、低磨损、中磨损、高磨损、严重磨损等五个等级对磨损的影响程度由弱到强,运行参数的影响包括烟气速度、气流湍流强度、烟气温度及烟气成分等方面的影响。­

2[/B] 循环流化床锅炉实际运行中的易磨损部件[/B][/B]­

    循环流化床锅炉的磨损部位与锅炉的结构、运行参数、材料特性等因素有关。易磨损的部位有受热面管子和耐火材料。循环流化床锅炉结构中易磨损的金属部位为耐火材料与水冷壁交界处、卫燃带以上的水冷壁密相区、不规则的管壁区域、水冷壁四角区域、过热器前几排管子、省煤器前几排管子、金属膨胀节、布风装置等。­

­

管壁减薄图水冷壁爆管图­

2.1[/B] 卫燃带与水冷壁过渡区及卫燃带以上的水冷壁密相区的磨损[/B]­

    该区的磨损发生在炉膛卫燃带与水冷壁管的交界处,四角磨损较严重。其中,此部位存在耐火材料台阶时,水冷壁和鳍片磨损速度加快。磨损的原因,一是卫燃带区由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上流动的固体物料运动方向相反,因而在局部产生涡流;另一方面是沿炉膛壁面下流的固体物料在交界处产生流动方向的改变产生反弹力,因而对水冷壁管产生冲刷。其中第二个方面原因与现场检查的结果吻合较好。凸台的形状、结构与宽度影响磨损的位置和深度,斜坡比平台反弹力大,磨损快。凸台越宽,磨损的高度越高。­

2.2[/B] 水冷壁四角磨损[/B][/B]­

    由于水冷壁四角物料浓度大,向火面焊缝容易不平整而导致磨损速率高。­

    基于以上分析,水冷壁防磨措施中让管设计、清除凸出障碍物和超音速电弧喷涂相结合是较可行的方法。­

2.3[/B] 对流受热面[/B][/B]­

    循环流化床锅炉的对流受热面磨损是一个比较严重的问题,磨损发生的主要部位在过热器的第一、二排管子,省煤器两端和空气预热器出口处。这部分管排常因结构、安装或受热变形等原因形成烟气走廊,物料速度较高,导致磨损加快。磨损的位置一般为迎风面两侧3045°范围内。­

针对以上磨损情况,建议采用超音速电弧喷涂耐磨防腐合金材料。­

     超音速电弧喷涂防磨处理的特点是效率高,施工速度快,质量较稳定,管壁温度一般不超过150℃。耐磨效果好、现场施工效率高。­

 

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