大型循环流化床锅炉防磨材料及工艺研究.doc

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 643001)
    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CFB各部位的工况特点和结构形式,研制了8种非金属材料,在工程中的使用效果较好,质量稳定,保证了CFB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25表1
    关键词:CFB;磨损机理;材料;工艺
1 前言
CFB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。
20世纪90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:
(1)选材不当;
(2)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;
(3)材料的固定和分布方式不当;
(4)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CFB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CFB不可缺少的一个重要环节。
2 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1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:
式中,WD是磨损体积量;M和V分别表示撞击颗粒的总质量和速度;α是碰撞角度;K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);ε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V垂和平行于物体表面的速度V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:
(1)当颗粒离开物体表面时,仍然具有水平分速度ν平;
(2)由于碰撞,水平分速度变0。
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e。
在情况(1)中,被一个颗粒从物体表面切削掉的体积:
在实际工况下,还需对(1)、(2)式进行修正,修正后的切削磨损量公式为
式中,C为常数,与材料的弹性负荷极限和密度有关;K1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:

若Vsinα≥K时,这些公式均有效,且若α≤α 0,须采用(3)式;若α≥α 0,则(4)式有效。α 0是颗粒离开物体表面时水平分速度刚好为0的碰撞角。
CFB磨损现象研究
由于CFB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
3种典型的形式:
(1)灰粒平行于炉内壁冲刷(颗粒流冲击角α=0°).
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。
(