循环流化床锅炉磨损的原因分析和预防措施 李晓婷

华北电力大学

毕业设计（论文）

题目 循环流化床锅炉磨损的原因分析和预防措施

专 业 热能与动力工程

班 级

学生姓名 李晓婷

指导教师

成人教育学院 2015年4月25日

华北电力大学成人教育学院 毕业设计（论文）任务书

姓名 李晓婷 专业 班级 毕业设计（论文）题目 循环流化床锅炉磨损的原因分析和预防措施 毕业设计（论文）工作起止时间 毕业设计（论文）的内容： 本文对锅炉磨损机理和磨损位置、炉膛过渡区水冷壁磨损问题、水冷壁角部磨损问题进行了介绍，分析了锅炉水冷壁管磨损、泄漏原因以及如何尽早发现锅炉水冷壁管出现磨损，并提出预防磨损的措施。 地点 毕业设计（论文）的要求： 1、掌握电子期刊文献和图书馆相关书籍文献的检索方法，查阅大量的文献资料； 2、培养对热能工程专业知识综合利用的能力； 3、论文写作水平能达到本科生的水平； 4、按规定的格式要求撰写论文； 5、培养良好的科研道德，杜绝抄袭作假现象。 指导教师签名：

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摘要

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，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，成为今后电站锅炉的发展趋势。但这种炉型有一种致命弱点，就是磨损问题，随着我国循环流化床锅炉在各自备电站或热电厂的占有率逐步增加，循环流化床锅炉的防磨性能，严重制约了该炉型长周期经济的运行。

由于国内循环流化床锅炉多采用劣质燃料,燃料粒径大,燃烧过程需要加入床料，因而燃烧系统回路中灰浓度高，对锅炉各受热面磨损严重，容易造成耐磨耐火材料脱落，水冷壁管爆管等事故，造成停机，影响整个机组的安全经济运行，所以对循环流化床的磨损问题的研究显得非常必要。

本文对锅炉磨损机理和磨损位置、炉膛过渡区水冷壁磨损问题、水冷壁角部磨损问题进行了介绍，分析了锅炉水冷壁管磨损、泄漏原因以及如何尽早发现锅炉水冷壁管出现磨损，并提出预防磨损的措施。

关键字：磨损，防磨，耐火耐磨

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目录

摘要 ...................................................................................................................................................... 1 前言 ...................................................................................................................................................... 1 第一章 CFB锅炉磨损问题的概述 ................................................................................................... 2

1.1 CFB锅炉的燃烧方式 ........................................................................................................ 2 1.2 CFB锅炉中的磨损问题 .................................................................................................. 2 1.3 磨损的概念与形式 ............................................................................................................. 3 1.4 磨损的影响因素 ................................................................................................................. 3 第二章 CFB锅炉主要磨损部位及原因 ........................................................................................... 5

2.1 水冷壁管的磨损及原因 ..................................................................................................... 5

2.1.1 炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域管壁的磨损原因 ...................................... 5 2.1.2 炉膛四周角落区域管壁的磨损原因 ...................................................................... 5 2.1.3 不规则管壁磨损原因 .............................................................................................. 5 2.2 省煤器的磨损和原因 ......................................................................................................... 5

2.2.1 省煤器磨损部位 ...................................................................................................... 5 2.2.2 省煤器磨损原因 ...................................................................................................... 6 2.3 炉内受热面的磨损 ............................................................................................................. 6

2.3.1 燃烧室管壁的磨损 .................................................................................................. 6 2.3.2 下部燃烧室（炉膛浓相区水冷壁）的磨损 .......................................................... 6 2.4 旋风分离器的磨损 ............................................................................................................. 7 第三章 磨损的危害和预防措施 ...................................................................................................... 8

3.1 磨损的主要危害 ................................................................................................................. 8 3.2 CFB锅炉循环回路的防磨措施 ........................................................................................ 8 3.3 CFB锅炉循环回路以外受热面的防磨措施 .................................................................... 8

3.3.1 直接防磨保护 .......................................................................................................... 8 3.3.2 间接防磨保护 .......................................................................................................... 8 3.3.3 材料工艺措施 .......................................................................................................... 9 3.4 耐磨耐火材料的应用 ....................................................................................................... 9

3.4.1耐磨耐火材料性能 ..................................................................................................... 9 3.4.2耐磨耐火材料分类 ..................................................................................................... 9 3.4.3 耐火材料的失效原因及磨损机理 ........................................................................ 10 3.4.4 耐火材料衬里 ........................................................................................................ 11 3.4.5 耐火材料的选用原则 ............................................................................................ 11

结论 .................................................................................................................................................... 12 致 谢 ................................................................................................................................................ 13

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参考文献 ............................................................................................................................................ 14

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前言

1 课题背景和意义

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，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，成为今后电站锅炉的发展趋势。但这种炉型有一种致命弱点，就是磨损问题、也是严重制约了该炉型长周期经济的运行 2 国内外研究现状

国外CFB锅炉均配有灰渣冷却装置、灰渣输送设备来冷却高温灰渣和输送低温灰渣，这些装置设备应用基本是成功的，这不仅与其设计、制造和运行水平有关，而且还与其燃料特性(含灰量低、粒度小)等有关。由于灰渣量少，且粒度较小，灰渣的冷却和输送易于实现。我国的CFB锅炉多数燃用高灰低热值煤，灰渣量大，颗粒较粗，冷渣、输渣问题未得到根本解决。我国现运行的中小容量锅炉中很少有成型的、完善的干式冷渣、输渣设备。多数只有冷渣设备却无输渣设备。少数CFB锅炉还采用完全人工排放热渣，自然堆放冷却或用水直接冷却。不仅增加灰渣物热损失，还污染环境，也不利于灰渣的综合。 3 本论文主要内容

本文对锅炉磨损机理和磨损位置、炉膛过渡区水冷壁磨损问题、水冷壁角部磨损问题进行了介绍，分析了锅炉水冷壁管磨损、泄漏原因以及如何尽早发现锅炉水冷壁管出现磨损，并提出预防磨损的措施。

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第一章 CFB锅炉磨损问题的概述

1.1 CFB锅炉的燃烧方式

循环流化床（CFB）锅炉是八十年代发展起来的高效率、低污染和良好综合利用的燃煤技术，由于它在煤种适应性和变负荷能力以及污染物排放上具有的独特优势，使其得到迅速发展【1】。

循环流化床锅炉采用流态化的燃烧方式，这是一种界于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固定燃烧之间的燃烧方式，即通常所讲的半悬浮燃烧方式。所谓的流态化是指固体颗粒在空气的作用下处于流动状态，从而具有许多流体性质的状态。在循环流化床锅炉炉内存在着大量的床料（物料），这些床料在锅炉一次风、二次风的作用下处于流化状态，并实现炉膛内的内循环和炉膛外的外循环，从而实现锅炉不断的往复循环燃烧。流体或固体颗粒以一定的速度和角度对受热面和耐火材料表面进行冲击所造成的磨伤和损坏就是所谓的磨损。

与其它锅炉相比，循环流化床锅炉增加了高温物料循环回路部分即分离器、回料阀；另外还增加了底渣冷却装置—冷渣器。分离器的作用在于实现气固两相分离，将烟气中夹带的绝大多数固体颗粒分离下来；回料阀的作用一是将分离器分离下来的固体颗粒返送回炉膛，实现锅炉燃料及石灰石的往复循环燃烧和反应；一是通过循环物料在回料阀进料管内形成一定的料位，实现料封，防止炉内的正压烟气反窜进入负压的分离器内造成烟气短路，破坏分离器内的正常气固两相流动及炉内正常的燃烧和传热[2]。

在锅炉运行时，炉内的床料主要由给煤中的灰、未反应的石灰石、石灰石脱硫反应产物等构成，这些床料在从布风板下送入的一次风、和从布风板上送入二次风的作用下处于流化状态，部分颗粒被烟气夹带在炉膛内向上运动，在炉膛的不同高度一部分固体颗粒将沿着炉膛边壁下落，形成物料的内循环；其余固体颗粒被烟气夹带进入分离器，进行气固两相分离，绝大多数颗粒被分离下来，通过回料阀返送回炉膛，形成物料的外循环。这样燃料及石灰石可在炉内进行多次的往复循环燃烧和反应，所以循环流化床锅炉具有很高的燃烧效率，同时石灰石耗量很低。

在循环流化床锅炉中，一般根据物料浓度的不同将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区三部分，密相区中固体颗粒浓度较大，具有很大的热容量，因此在给煤进入密相区后，可以顺利实现着火，因此循环流化床锅炉可以燃用无烟煤、矸石等劣质燃料，还具有很大的锅炉负荷调节范围；与密相区相比，稀相区的物料浓度很小，稀相区是燃料的燃烧、燃尽段，同时完成炉内气固两相介质与炉内受热面的换热，以保证锅炉的出力及炉内温度的控制。

1.2 CFB锅炉中的磨损问题

表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。

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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。

表1 各种锅炉典型的固体物料浓度和烟速

锅炉区域 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 鼓泡流化床密相区 煤粉炉对流烟道 燃气炉对流烟道 固体物料浓度（kg/m3） 100～1000 5～50 ＜4 200～1000 ＜2 0 4.5～7 4.5～7 12～16 1～3.5 20～25 30以上 烟气流速(m/s) 1.3 磨损的概念与形式

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【3】。

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[4]。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。

1.4 磨损的影响因素

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

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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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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【5】，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。

⑸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

【5】

。

⑹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。

⑺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。

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第二章 CFB锅炉主要磨损部位及原因

在循环流化床锅炉中，由于炉内固体物料浓度、粒径比煤粉炉要大得多，所以流化床锅炉受热面的磨损要严重得多，但炉内磨损并不是均匀，一般磨损部位有一下几处：

2.1 水冷壁管的磨损及原因

锅炉水冷壁管的磨损主要集中在三个区域：炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域管壁的磨损；炉膛四周角落区域管壁的磨损；不规则区域管壁的磨损。一般水冷壁管的磨损从目前运行的循环流化床锅炉看，一般水冷壁管的磨损虽然普遍存在，停炉检查时也发现管壁被磨损的光亮，但年磨损量较小，属于均匀磨损【6】。

2.1.1 炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域管壁的磨损原因

一是沿炉膛内壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁管产生冲刷，经过长时间的冲刷导致水冷壁管壁厚磨损减薄，强度下降；另一个原因是在过渡区域内由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，在局部产生涡旋流，对水冷壁管产生磨损。

2.1.2 炉膛四周角落区域管壁的磨损原因

炉膛四角区域由于是2个水冷壁面的交汇处，物料相互叠加，其浓度也就相对较高，物料流动状态容易受到破坏，加上四角区域密封鳍片在安装时内表面粗糙，如鳍片交界密封焊缝有较大几何尺寸的不规则变化或密封不严产生漏风，就会造成局部严重磨损，这是因为不规则的变化或漏风对物料局部的流动特性造成较大扰动，物料流会改变流向集中向某个方向流动，形成局部方向物料流，最终水冷壁管磨损严重。

2.1.3 不规则管壁磨损原因

这些不规则管壁包括穿墙管，炉墙开孔处的弯管、管壁上焊缝、管壁问的鳍片焊缝不平整以及有关安装剩余的铁件等。运行经验表明，即使很小的几何尺寸不规则也会造成局部的严重磨损。

2.2 省煤器的磨损和原因

目前电站锅炉一般都采用钢管式省煤器，它是由一系列蛇形管组成。蛇形管由直径为25～51mm的无缝钢管弯制而成，管子错列或/顷列布置在锅炉尾部烟道中，管子的方向一般与烟道的前后墙垂直。省煤器管内流动的工质是水，烟气在管外冲刷，为提高传热效果均采用逆流换热方式。为了节省钢材，少占烟道空间，提高传热效果，设计上总是力求减少蛇形管屏间的距离(即横向节距S1)和上下管间的距离(即纵向节距S2)。但横向节距S1的减小，受制于受热面的堵灰和磨损；纵向节距S2的减小，受制于管子的弯曲半径。锅炉的过热器、省煤器对流受热面中，省煤器的磨损最严重。

2.2.1 省煤器磨损部位

省煤器磨损爆管主要发生在以下部位：①省煤器第二、第三排管子。因为省煤器通常是错列布置，省煤器第一排管子受到较低烟速的冲刷，进入第二排管子后由于烟气流通截面减小，烟速提高，烟气中灰粒的冲击力较大，所以第二、第三排管子磨损较以下各排管

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