循環(huán)流化床鍋爐水冷壁防磨技術研究與應用

李景忠，畢加佳，姜軍虎

（陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西 渭南 714000）

1 概述

陜西渭河煤化工集團有限責任公司（簡稱“渭化集團”）是陜西省“八五”時期建設的大型化工企業(yè)，是我國現代煤化工發(fā)展和新一代煤氣化技術應用的先行企業(yè)。公司目前擁有一期年產52 萬噸尿素的生產裝置1 套、二期年產20 萬噸甲醇生產裝置1 套和三期年產40 萬噸甲醇的生產裝置1 套以及年產各5 萬噸二甲醚的生產裝置兩套。

二三期裝置配套鍋爐為無錫華光鍋爐廠設計制造的一臺UG-220/10.8-M 循環(huán)流化床鍋爐、兩臺UG-240/10.8-M 循環(huán)流化床鍋爐（下稱“3#、4#、5#鍋爐”）。三臺鍋爐運行期間的磨損泄漏，導致后續(xù)生產裝置不能實現長周期穩(wěn)定運行，因此如何從防磨損機理出發(fā),采取進一步的防磨損措施,對循環(huán)流化床鍋爐的推廣應用和穩(wěn)定運行是一個十分現實又重要的問題。前期采取的防磨措施為利用檢修期間進行超音速電弧噴涂處理，但費用昂貴，運行周期短，經過多方調研和技術交流，最終確定采用主動多階防磨梁防磨技術先在3#鍋爐進行改造試驗，效果若顯著則在4#5#鍋爐進行改造。

2 防磨研究的關鍵技術

循環(huán)流化床鍋爐磨損機理：循環(huán)流化床鍋爐運行中床料分兩種方式循環(huán)，一種是床料上升至頂部進入分離器后下到返料腿，重新返回爐膛，叫做外循環(huán)；一種是床料在爐膛中間上升到爐膛頂部再沿爐膛邊壁下降到密相區(qū)，叫內循環(huán)。內循環(huán)的循環(huán)量是外循環(huán)的3～5 倍。床料及飛灰順著爐膛四周水冷壁快速下降形成“貼壁流”，這是水冷壁管形成嚴重磨損的主要原因。

目前研究表明，物料對管壁的磨損速率與速度、濃度及粒度關系為：E=K×U3×d2×μ（式中E 表示磨損速率；K 表示灰特性系數；U 表示物料速度；d 表示物料顆粒直徑；μ 表示物料濃度）。磨損速率與物料速度成三次方關系，與顆粒直徑成平方關系，與物料濃度成正比。

因此，降低貼壁流的流速，磨損速率就會大幅度的降低。故在鍋爐爐膛四周沿爐膛高度每隔一定距離，設置一圈防磨梁，讓爐內大量的內循環(huán)物料在沿著水冷壁向下流動的過程中發(fā)生物料速度的減緩和偏移，從而減輕物料對水冷壁管外壁因速度和濃度疊加引起的沖刷磨損，達到延緩水冷壁管壽命的目的。

3 循環(huán)流化床鍋爐防磨損現狀分析

針對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的磨損原因，可以在設計中合理選擇流化速度，還要針對磨損的局部渦流采取主動或者被動的防磨措施。主動防磨是破壞產生磨損的渦流，改變流場結構，或者將受熱面躲避渦流區(qū)布置；被動防磨是在易磨損部位增加管子的壁厚或者加設防磨瓦、金屬噴涂等。最初循環(huán)流化床鍋爐基本都是采取超音速電弧噴涂防磨的方法，它是通過金屬熱噴涂技術對受熱面進行耐磨材料噴涂，是解決循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損的有效方法，但其施工周期長，運行周期較短，一般為2 年，施工費用昂貴。我公司3#鍋爐在磨損重要區(qū)域進行一次噴涂的面積約450 m2，耗資近百萬。

而防磨梁技術是循環(huán)流化床鍋爐采取的一種新的防磨措施，變被動為主動，以降低貼壁流流速、降低水冷壁管磨損為目的，投資小，維護方便，綜合效益突出。

4 主動多階防磨梁實施方案

多階防磨梁技術方案優(yōu)點是多層主動阻擋貼壁灰流，逐級降低貼壁灰流速和濃度，因而大大減輕了管壁的磨損，延長了水冷壁的使用周期。

1）3#鍋爐設計在爐膛內部從水冷壁過渡區(qū)至爐頂，沿爐膛高度方向共設計5 道防磨梁（凸臺），每兩道防磨梁間距依次為2m、2.5m、2.8m、3.2m，防磨梁設計標高為：第一道14950mm；第二道16950mm；第三道19450mm；第四道22250mm；第五道25450mm。

2）防磨梁形狀與布置：每層凸臺寬度為80mm，上邊水平，下邊傾斜，敷設水冷壁高度為110mm。下部三道防磨梁設計爐膛四周整圈，上部兩道防磨梁設計為前墻單側。防磨梁設計形狀呈直角梯形。

3）防磨梁材料：耐磨耐火澆注料是耐火骨料和結合及組成的混合料。未施工前為干態(tài)，加水或其他液體調配使用。主要結合劑為水硬化性結合劑，以澆注、振動的方法施工，暴露在高溫區(qū)域使用合金銷釘，施工結束后通過烘爐提高澆注料的物理強度。耐磨耐火澆注料材料成分：33.06%SiO2、1.23%Fe2O3、63.27%Al2O3；性能:耐火度1750℃，1100℃～水冷30 次無破損碎裂現象，常溫耐壓強度71.9 MPa，常溫抗折強度15.3，MPa 耐磨性7.2 cm3，體積密度2.73 g/cm3，0.32%熱膨脹率，20%空隙度，熱導率1.211 m.k。

4）抓釘材質：Φ8mm 形狀為“V”形的不銹鋼（304），長度70mm。

5）防磨梁施工要點：V

①“V”形抓釘必須焊于水冷壁管之間鰭片上，嚴禁在水冷壁管上點焊；

②預制好成型模板并確認好尺寸；

③配置耐磨耐火澆注料時使用專用攪拌機均勻攪拌，確保澆注料性能穩(wěn)定，水份均勻；

④防磨梁施工隊伍必須有大量耐磨耐火澆注料施工經驗。

6）為了確保在高溫高濃度高磨損環(huán)境中防磨梁能安全穩(wěn)定運行，增強耐磨性能，施工結束后必須進行烘爐，從而保證防磨梁的強度。烘爐前將蒸汽通乳鍋爐水冷壁管內，溫度控制在100℃到150℃，恒溫20h，點火后嚴格執(zhí)行澆注料要求的升溫速率，不得高于50℃/h。

5 防磨梁改造后經濟分析

3#循環(huán)流化床鍋爐改造后水冷壁噴涂周期由兩年延長到四年，年節(jié)約噴涂費用25 萬元左右；同時降低了因磨損造成爆管停爐檢修費用每次約10 萬元；每次點爐消耗燃料10 噸費用約8 萬元；防磨梁施工材料費用共計24 萬元，使用壽命按8年計，直接經濟效益按四年一個周期，每年節(jié)約費用80 萬元左右，對后續(xù)裝置的間接經濟效益就更多了。

6 防磨梁實施后的主要性能指標

防磨梁防磨技術研究的主要目的是徹底解決循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損的問題，從而提高鍋爐運行的可靠性和經濟型，促使循環(huán)流化床鍋爐能夠安全、穩(wěn)定、長周期運行，為公司帶了來巨大的經濟和社會效益。因此實施投運后3#鍋爐的負荷、床溫、爐膛差壓及煤量等參數是本項目最為關鍵的指標。鍋爐負荷在170t/h 至210t/h范圍內，床溫穩(wěn)定在930℃至950℃，爐膛差壓穩(wěn)定維持在啊1200Pa 左右，運行工況穩(wěn)定。

經過約80 天的運行，鍋爐負荷、床溫、爐膛差壓及煤量等運行參數無明顯變化，運行半年后對水冷壁管壁測厚驗證防磨效果良好，磨損大幅降低，管壁減薄不明顯，大大提高了運行周期，后續(xù)裝置的連續(xù)穩(wěn)定運行有了基礎保障。

7 結論

渭化集團3#鍋爐運行中存在的水冷壁磨損問題也是循環(huán)流化床鍋爐行業(yè)普遍存在的共性問題。經過改造，3#鍋爐運行周期明顯增長，水冷壁管壁厚度無明顯下降，運行參數無明顯變化，效果顯著，因此主動多階水冷壁防磨梁防磨技術，是目前較可靠的、適應性較強的循環(huán)流化床鍋爐水冷壁防磨技術，有效解決了磨損的問題，從而提高了鍋爐運行的可靠性和經濟性。公司隨后立即在4#5#兩臺鍋爐進行了改造，防磨效果同樣明顯。