大型循环流化床锅炉防磨材料及工艺研究

第!"卷第#期)**#年+月

东方电气评论

,-(./0(.,10(2131(.45(

$%&’!"(%’#678’)**#

大型循环流化床锅炉防磨材料及工艺研究

李

健，屠

勇

;东方锅炉;集团<股份有限公司，四川自贡B=#**!<

摘要：磨损从机理上可分为变形磨损和切削磨损。从实质上分析，磨损主要取决于烟气流速、飞灰浓度、飞灰的撞击可能系

数、灰粒磨损特性、烟气的浓度和流速的分布以及内衬材料的耐磨系数等因素。根据9/:各部位的工况特点和结构形式，研制了C种非金属材料，在工程中的使用效果较好，质量稳定，保证了9/:的正常运行。耐磨材料及结构模拟实验表明：炉衬材料的磨损量随冲刷角度的增加而增加；材料需经充分烘烤后可获得较好的耐磨性能。施工工艺实验表明：不定形耐火材料的最终质量很大程度上取决于现场施工。图)D表!关键词：9/:；磨损机理；材料；工艺

!前言

)磨损机理研究概况

磨损现象存在于各种工况中，对磨损机理的研

9/:因其具有低污染、高效率、燃料适应性广等优点，越来越受到世界各国的重视，已成为大力发展的能源设备之一。其运行特点是：炉内上升气流速度快，参与循环的颗粒浓度高；某些部件运行温度较高，且温度波动较大；不同的炉型和部件要求防磨耐火材料具有不同的传热特性。因此，采取必要可靠的防磨耐火技术，敷设具备优异耐磨性、耐高温性、抗热震性能和合理导热率的非金属材料，是保证锅炉正常运行的重要手段之一。)*世纪+*年代初，国内对于电站锅炉用防磨耐火材料未引起足够的重视，电厂常因锅炉炉衬的磨损、剥落以及高温失效等导致停炉事故，其原因主要有以下几点：

;!<选材不当；

;)<对制造耐火材料用的原料中有害杂质控制不严，质量不稳定，这是材料失效的一个重要原因；

;#<材料的固定和分布方式不当；

;=<材料的现场施工质量没得到有效的监督，必要的施工条件和时间未获得保证。

目前，国家正大力推广9/:发电技术，而其运行条件对防磨耐火材料的要求更高。因此，对其进行系统深入的研究是开发大型9/:不可缺少的一个重要环节。

究是十分必要的，但却是极为复杂的。国内外科技工作者对磨损机理进行了大量的研究工作，但侧重点有所不同：国外注重微观理论研究，而国内则侧重于实际工况下的宏观应用研究。!"#

磨损机理

在流化床系统中，磨损现象十分严重。磨损可分为两种形式：第!种是由于碰撞过程中的反复变形引起的材料破损，称为变形磨损；第二种是由于自由运动的颗粒的切削作用引起的磨损，称为切削磨损。

在实际情况下，这两种形式的磨损同时发生。对于变形磨损，有下面的公式：

!#?($?@A!%&))

!">?

式中，!"是磨损体积量；#和$分别表示撞击颗粒的总质量和速度；!是碰撞角度；&是常数;能从机械物理性能计算得出，表示磨损开始时的颗粒速度<；"代表把单位体积的物质从磨损体表面移走所需要的能量，用以描述物质的塑性———弹性行为。这个公式由试验结果得到了证实。

如果颗粒以一个锐角撞击物体表面，就会发生切削磨损，把一些材料从物体表面擦掉，这种刮擦作用主要受颗粒速度和撞击角度的影响。颗粒速度可分解为两部分，即垂直于物体表面的速度$垂和

".8东方电气评论第"9卷

平行于物体表面的速度!平。

对切削磨损的研究较之变形磨损更为复杂，因切削磨损有如下两种可能性：

!"#当颗粒离开物体表面时，仍然具有水平分速度!平；

!$#由于碰撞，水平分速度变%。

从物体表面擦掉单位体积的物质所需的能量的大小取决于物体的机械性能!假设颗粒没有被破坏#。这个能量叫做切削磨损因子"。

在情况!"#中，被一个颗粒从物体表面切削掉的体积：

#$"&

"%?(!平$&!平

$)$"

!"#在情况!$#中，被一个颗粒从物体表面切削掉的

体积：

#$$&

"$?

%!平

!$#在实际工况下，还需对!"#、!$#式进行修正，

修正后的切削磨损量公式为

#$(!’()"*))$$"’$(+[!+,’"*$(!’()"*))$

]

-!-##"([!$(+,’")$&)"?(!’()"*))$$$’$?

!.#式中，$为常数，与材料的弹性负荷极限和密

度有关；)"为常数，与材料的弹性负荷极限、密度、碰撞颗粒及被碰撞材料的泊松系数、样式模量有关；其余符号意义如前所述。

综合分析这两种类型的磨损，任何时刻的磨损总量：

#*&#+/#$"或#*&#+/#$$

若!’()"#)时，这些公式均有效，且若"""%，须采用!-#式；若"#"%，则!.#式有效。"%是颗粒离开物体表面时水平分速度刚好为%的碰撞角。!"!

#$%磨损现象研究

由于012燃烧的劣质煤含灰量高，飞灰粒子尺

寸又大，分离器对煤灰分离并循环燃烧，使得烟气中飞灰浓度很高，出现了飞灰粒子对炉内受热面及内衬的碰撞传热和严重的冲蚀磨损问题。

飞灰对锅炉受热面及内衬的磨损是颗粒流的冲击磨损，这里既有颗粒对炉内的撞击，又有含灰气流对炉内壁的冲刷。对于各种不同形式的磨损来说，尽管表面破坏的机械性能相似，但按颗粒的运动速度和方向，以及冲击载荷的大小，其磨损机理可分为以下-种典型的形式：

!"#灰粒平行于炉内壁冲刷!颗粒流冲击角"&%3#4

亦称为低应力擦伤磨损，其特点是在内壁表面产生滑动擦伤，灰粒本身受到的应力很小，属表层摩擦磨损，磨损量很小。

!$#灰粒斜冲击磨损!%35"56%3#。

亦称为凿削冲刷磨损，其特点是由于灰粒的高速运动与冲击，内壁表面被撕裂和切削。这种冲刷磨损量是较大的，是引起锅炉受热面管束泄露或爆管以及内衬严重磨损的主要因素。

!-#表面冲击磨损!"*6%3#。

亦称为正冲击磨损，颗粒以接近垂直的角度直接冲击炉内壁表面。对延性材料和脆性材料来说，其磨损机理有所不同。对于前者，在颗粒的撞击下磨损的主要因素是塑性变形；而对于后者则可能是断裂。对金属材料性能的研究表明，锅炉受热面管子所用的不锈钢为延性材料，故在颗粒冲击作用下，当冲击角"*6%3时，其磨损量并不大，而主要是塑性变形；但锅炉内衬为脆性材料，当颗粒冲击角"*6%3时，磨损量较大，甚至断裂。

从$%世纪7%年代开始，许多研究者提出了不同的材料受固体颗粒冲击磨损的理论：

!"#冲击磨损的微切削理论，

!$#变形磨损理论，

!-#非刚体颗粒破碎的二次冲击磨损理论，!.#高温环境下灰粒冲击磨损理论。

其中，第!"#、!$#种理论都将颗粒假定为不破碎的刚体，属理想化情况，这与实际情况有一定的差异；而第!-#、!.#种理论是结合实际工况对第!"#、!$#种理论的修正和补充。

从磨损的实质来分析，机械作用的磨损主要决定于下列因素：

!"#烟气流速。烟气流速是影响炉内壁磨损最主要的因素，研究表明，磨损量与烟气流速的-次方成正比关系。烟气流速的大小直接影响到流动飞灰的运动动能和单位时间内冲击到炉内壁的灰粒量。

!$#飞灰浓度。012中，在飞灰循环倍率较高的情况下，可以提高燃烧效率，增强传热效果，但循环倍率的高低也确定了炉内烟气中固体颗粒的浓度，因此，较高的循环倍率将导致含灰烟气流对炉内壁的严重磨损。如果煤质变差，灰分增加，燃煤量也增加，造成烟气中飞灰浓度剧增，更增加了分离器内衬的磨损。

!-#飞灰的撞击可能性系数。这与飞灰的颗粒特性有关，颗粒愈大，撞击的可能性也愈大。

第’期李健等大型循环流化床锅炉防磨材料及工艺研究7"?

!"#灰粒磨损特性。灰粒磨损特性指灰的硬度、温度、形状和颗粒大小等的影响。如果灰中多硬性物质、灰粒粗大而有棱角，则灰粒的磨损特性增强。

!$#炉内壁磨损量大小还受烟气中飞灰浓度及流速不均匀分布特性的影响。

!%#磨损量大小与受热面及内衬的材质有关。在同等条件下，材质耐磨性能越好，则磨损量越小；反之亦然。

磨损量与各影响因素的关系，考虑到运行时间，可用下式表达：

!&!""##’$’#$#%

式中，!为灰粒磨损特性系数；"为材料耐磨系数；"为飞灰的撞击可能性系数；#为烟气中的飞灰浓度；#为烟气流速，也看作飞灰浓度；$#为飞灰浓度不均匀分布系数；$#为飞灰流速不均匀分布系数；%为运行时间。

’()*各部位的特点及选材

总体上讲，锅炉用非金属材料的选择应根据具

体部位的工况，综合考虑材料的防磨性、耐高温性能、抗剥落性能、导热性能以及材料的固定方式等因素。对于有防磨要求的部位，选用的骨料应致密坚韧，材料的致密性好，具有较高的抗压强度!#+,-./#；如果要求高温性能好，则应严格控制0/12、312、)412’、5621等易形成低共熔物的杂质的含量；温度波动较大的部位则要求材料具有优异的抗热震性能；另外，锚固钉的形状、尺寸及其分布，材料与锚固钉之间的膨胀补偿措施也很重要；有些材料在氧化性气氛和中性气氛下耐磨耐火性均很优异，一旦使用于还原性气氛则被迅速损毁，而炉膛内的局部性还原气氛是难免的。

根据()*各部位的工况特点和结构形式，需使用七八种非金属材料，涉及防磨、耐高温、保温等用途。

"()*防磨耐火材料的应用

宁波中华纸业有限公司发电厂78、18炉系东方锅炉!集团#股份有限公司设计制造的11,9:;()*，燃料为烟煤。其内衬材料总的使用效果较好，质量稳定，保证了锅炉的正常运行。

宁波78炉投运7年后检查，炉膛内耐磨料无大面积脱落现象，只有密相区有少量表面脱落，露出销钉头。风室内布风板耐磨料无脱落，四周点火风

道情况也较好。回料器出口和水平烟道由于其他原因导致炉衬脱落，并非材料自身质量原因造成的。分离器入口切向区有磨损现象，但不太严重。整台炉子的炉衬脱落主要发生在分离器锥体下部到回料器管口。冷渣器底部材料被磨出沟槽，此处最初使用的是耐磨浇注料，由于现场条件限制，未得到充分的烘烤，导致该部位的炉衬耐磨性能达不到设计要求，大修时改为使用棕刚玉砖。此外，炉内所有内衬表面均出现“龟裂”现象，属正常情况。