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浅析入炉煤挥发份对CFB锅炉磨损的影响

中韩(武汉)石油化工有限公司3台CFB锅炉是由福斯特惠勒公司设计的高温高压的循环流化床锅炉,采用自然循环,单汽包,单炉膛,平衡通风,半露天布置,顶部悬吊,固态排渣。每台锅炉额定负荷为360t/h,主蒸汽温度540℃,主蒸汽压力12.5MPa,配两台65MW的双抽凝汽式汽轮机。设计煤种干燥无灰基挥发份指标为19%,实际控制指标为17%~25%。

(来源:微信公众号“循环流化床发电” ID:xhlhcfd 作者:钱锟)

1、CFB防磨的基本概况

自2012年开工以来,该3台CFB锅炉运行情况良好,但在计划检修停炉过程中检查发现存在飞灰再循环入炉膛部位严重磨损现象。其中,2号CFB锅炉曾在2013年10月28日发生飞灰再循环磨损导致锅炉泄漏紧急停车。

2014年4月17日,2号CFB锅炉因水冷壁磨损泄漏导致锅炉紧急停车。针对此次水冷壁磨损,测厚单位、锅炉厂家、设计院和第三方专家对锅炉水冷壁进行了**检查。经检查发现:水冷壁前墙右侧第5根管子在浇筑料上方约500mm的右侧与近鳍片处出现爆管,爆管后的蒸汽吹损到右侧炉墙上的12根炉管,造成其中的7根炉管爆管。2号CFB锅炉磨损区域主要集中在1号给煤口与右侧之间的浇筑料上方1500mm范围、2号~3号给煤口之间的浇筑料上方1500mm范围、4号给煤口与左墙之间的浇筑料上方1500mm。磨损特征为管子单侧的平削式磨损,磨损表面较光滑;四周浇筑料收边处炉管的局部磨损严重;屏式过热器个别炉管存在磨损。左右侧墙及后墙磨损较小,炉膛上部磨损较小。

整个炉膛浇筑料上方高度约2500mm范围原先采取合金喷涂处理区域,前墙涂层脱落明显,让管部位几乎全部脱开,涂层呈现红色氧化皮特征。

2号炉原炉管厚度为5.44mm,合金喷涂层厚度为0.8mm,而承受13MPa的炉管*低厚度为2.7mm。按照相关规定,3.5mm以下的炉管就必须进行更换。但经过超声测厚后发现:2号炉前墙大部分炉管厚度在4.2mm以下,*严重处仅有2.4mm。

经初步分析,可能造成2号CFB锅炉磨损泄漏的原因主要有:入炉煤干燥无灰基挥发份(以下简称入炉煤挥发份)较高且偏离设计值较多、在锅炉高负荷工况下掺烧全厂富余燃料气、施工质量不高导致炉墙垂直度不够。因炉墙垂直度已无法改变,为减小锅炉磨损只能从入炉煤挥发份指标调整和减少富余燃料气掺烧两方面入手。因富余燃料气掺烧量少且掺烧时间不连续,不便于调整,入炉煤挥发份指标的调整将作为主动减少锅炉磨损的主要手段。

经调整,在2号CFB锅炉检修完成后,自2014年7月以来,2号CFB锅炉入炉煤基本按照控制指标进行采购和使用。到2015年3月末,2号CFB锅炉连续运行157天,按计划进行检修。为监测炉管的磨损状况,检验指标调整后磨损的变化情况,采取与之前相同的超声测厚方法对炉管进行测厚,得出炉管的厚度。

2、数据对比

根据2014年1月至2014年4月中旬2号CFB锅炉爆管前,化验中心采样分析所得挥发份指标数据与2014年12月至2015年3月中旬2号CFB锅炉计划检修前,化验中心采样分析所得挥发份指标数据,随机抽取26组进行对比。

根据2014年4月24日,2号CFB锅炉爆管后炉管的超声测厚报告及2015年4月8日2号CFB锅炉计划检修后炉管的超声测厚报告,从中随机抽取相同部位的75组数据进行对比并经过简单的计算,可得2号CFB锅炉的炉管厚度及磨损厚度。

2.1 入炉煤挥发份指标分析

入炉煤挥发份控制指标为17%~25%,而2014年1月初至2号CFB锅炉爆管前,抽查的入炉煤挥发份指标仅一次在控制范围内,其余25次均超出规定值较多且绝大部分指标在35%以上,*大值达到41.5%,超过设计*大允许值15%。2014年12月至2015年3月,2号CFB锅炉计划检修前,大部分入炉煤挥发份指标在17%~25%之间,*大值为29.3%,超过设计*大允许值4.3%。

2.2 入炉煤挥发份指标分析

将两次入炉煤挥发份指标对比:调整前后入炉煤挥发份指标差别较大,调整前入炉煤挥发份指标偏离控制指标多,经调整后,入炉煤挥发份已经基本在控制指标范围内。

2.3 炉管厚度对比

2号CFB锅炉爆管后炉管厚度*小值为2.4mm,炉管厚度集中在4.2mm左右。计划检修后测得2号CFB锅炉炉管厚度*小值为2.9mm,炉管厚度集中在4.8mm左右。

2.4 炉管磨损厚度分析

炉管原厚度与测得厚度的差值,可以得出炉管厚度减少值,也就是炉管被磨损的厚度,该值可以直观的反映出炉管的磨损程度。炉管磨损厚度越大,则磨损越严重。2号CFB锅炉在爆管前的连续运行时间为158天。而计划检修前,2号CFB锅炉的连续运行时间为157天。在连续运行时间基本相同的情况下,入炉煤挥发份指标调整前磨损厚度*大值为3.04mm,平均磨损厚度为1.24mm。调整后磨损厚度*大值为2.54mm,平均磨损厚度为0.64mm。将两次停炉后炉管数据进行对比:入炉煤挥发份指标调整后,磨损厚度已明显减少,磨损情况已减小。

3、原因分析

干燥无灰基挥发份就是假定一块煤在完全不含水分且燃烧后没有固体残渣(也就是无灰)的情况下隔绝空气加热后减少的重量。将入炉煤挥发份指标由超标较多调整到贴近控制范围,2号CFB锅炉的炉管磨损减少,其原因分析如下:

3.1 可燃气体析出产生影响

入炉煤挥发份主要成分是可燃有机气体。挥发份越高的煤着火温度越低,主要是因为挥发份着火放出的热量多,对焦碳进行加热使其能够快速着火。挥发份析出后,煤会变得松散,孔隙较多,燃烧表面积增大使煤的燃烧速度快,从而导致瞬间产生的大量烟气。同时,挥发份高的煤燃烧时间短,形成烟气后在炉内停留时间相对较长,受到相同抽吸力的情况下,烟气流速更大。大量流速高的烟气在炉内运动,加剧了对炉管的磨损。

3.2 流动状态产生的影响

在燃烧过程中,挥发份的析出和燃烧反应产生强大的内力,使煤粉破裂成更细的碎粒。同时在该过程中,煤中矿物质颗粒由于热力冲击和颗粒中生成气体而碎裂。入炉煤挥发份高,该破裂表现得越迅速和明显。同时,在CFB锅炉内部,由于炉内向上运动的近壁气流与内循环中贴壁下降的颗粒流运动方向相反,在过渡区域内部分物料的流动方向受到扰动而改变,在局部容易产生涡流。两种原因共同导致烟气的流动状态不稳定,流动状态受到破坏,局部的流动特性受到干扰。而这样的扰动,使高速运动的烟气产生波动,对过渡区域的炉管进行磨损。

3.3 导致床温高产生的影响

入炉煤挥发份越高则其发热值越高。在发热值高的前提下,相对而言煤炭燃烧产生的热量越大。大量的热量无法立即被带到锅炉上部,导致床温较高而炉膛出口温度相对偏低。通过对锅炉运行数据的收集和对比,在入炉煤挥发份未调整前,负荷290t/h时2号CFB锅炉的平均床温达到940℃,其中中间四个测点的温度*高达975℃;而在入炉煤挥发份指标调整后,负荷290t/h时2号CFB锅炉的平均床温仅为900℃左右。在床温较高而炉膛出口温度相对偏低的情况下,为了降低床温,确保锅炉安全运行,就必须增加一次流化风的流量。一次风量的增加,将造成炉内烟气的流速增加,而风量大和烟气流速快这两个因素都将同时导致炉内的磨损加大。

3.4 投加物料产生的影响

入炉煤挥发份越高则其灰分越少。灰分少将造成烟气的灰浓度下降,在炉膛内部建立内循环则越困难。这就造成炉膛内部循环不好,循环流化的目的无法达到。为建立循环,必须加大投入炉膛的冷物料的量,如石灰石或飞灰等,从而达到吸收一部分热量、加大烟气灰浓度并建立内循环的目的。但此举将加大炉膛内的颗粒浓度,导致磨损加剧。

4、改进措施

(1)加强对煤炭指标的控制,特别是加强入炉煤挥发份指标的管理。尽可能采购入炉煤挥发份靠近设计值的煤种,燃用控制指标范围内的煤种,减少高挥发份煤的使用。

(2)对入炉煤进行**的分析,确认化验结果。在运行的过程中加强对CFB锅炉各参数的观察。针对**的检测结果和锅炉实际运行情况,逐渐摸索经验,给出适合2号CFB锅炉的燃料调整方案和配风要求。以达到减少锅炉磨损的目的。

(3)在锅炉内部实施被动防磨措施,如采用多阶防磨装置减少贴壁流对管壁的磨损、采用堆焊管替代原普通炉管、对某些磨损严重部位进行超音速电弧喷涂高硬耐磨合金层等。

5、结论

挥发份偏离设计值较多的燃煤在锅炉内的燃烧产生了一定的变化,从而加速了锅炉的磨损。加强对入炉煤挥发份指标的控制,将在一定程度上改善锅炉的磨损状况,以实现锅炉的长周期、安全、经济、平稳运行。

文献信息

钱锟. 浅析入炉煤挥发份对CFB锅炉磨损的影响[J]. 山东化工,2016,04:83-84+87.

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