延长循环流化床锅炉寿命的改进设计

李志强

（阳泉煤业化工集团有限责任公司， 山西 太原 030006）

引言

近年来，随着国家对环保要求越来越高，对各行业各领域的设备环保性能提出了更高的要求。锅炉作为供暖、钢铁等行业的关键设备，其在燃烧煤炭过程中会产生大量的有害气体，严重威胁着周边居民的居住环境。在实际生产过程中除了采用先进的排放技术减少污染外，还可采用先进的燃烧技术减少有害气体的产生[1]。循环流化床技术作为当前新一代洁净燃烧煤炭技术，已经在全球范围内被广泛应用，尤其已成功应用于锅炉中。

循环流化床锅炉能够实现对煤炭的多次循环燃烧，延长煤炭在炉膛内停留的时间，具有较强的燃烧效率。此外，循环流化床锅炉具有燃烧劣质燃料、良好的负荷调节性能等优势[2]。为进一步提升循环流化床锅炉的燃烧效率及使用寿命，本文将着重对其在实际生产过程中存在的问题进行改造。

1 循环流化床锅炉存在的问题

由于循环流化床锅炉在设计初期存在弊端，导致其在实际生产过程中存在寿命不满足要求的问题。尽管，循环流化床锅炉在使用过程中均会出现不同程度的磨损。经统计可知，常见的循环流化床锅炉的磨损具体可归纳为以下几点：

1）循环流化床锅炉的中心筒出现变形、串漏、脱落以及歪斜。

2）循环流化床锅炉的风帽存在漏渣的现象，且风帽的使用周期短。

3）循环流化床锅炉的水冷壁被磨损。但是，由于锅炉的热负荷小，水冷壁被磨损的情况相对较轻。

4）循环流化床锅炉炉膛锥段上部分出现磨损。当设备在高料层并以较大风速运行时该区域磨损相对严重；

5）此外，在炉膛出口、两侧墙水冷壁管迎气流方向存在单向冲刷磨损、炉膛四角及顶部均存在不同程度的磨损[3]。

2 循环流化床锅炉磨损原因

初步原因分析：导致循环流化床上述磨损现象主要与锅炉炉膛的结构、烟速、燃料种类以及进入炉膛内燃料粒度的直径大小相关。

定性分析：锅炉受热面的磨损量如公式（1）所示：

式中：E为锅炉受热面的磨损量；f1为锅炉燃料灰粒特性系数；f2为不同布置型式及冲刷方式系数；C为燃料飞灰的浓度；V为燃料燃烧产生烟气的速度。

如公式（1）所示，锅炉受热面的磨损量受燃料燃烧所产生烟气速度的影响因素较大。因此，除了简单控制灰粒特性系数、不同布置型式及冲刷方式系数以及飞灰浓度外，可通过控制烟气的速度减轻对锅炉受热面的磨损。

此外，锅炉受热面的磨损还与燃料固体粒子的夹角相关[4]。经研究可知，锅炉表面磨损量与固体粒子夹角的关系如图1 所示。

图1 锅炉表面磨损量与固体粒子夹角关系

如图1 所示，当燃料固体粒子与锅炉表面的夹角为20°时，锅炉表面的磨损最为严重。

3 循环流化床锅炉的改进设计

经分析，循环流化床锅炉容易磨损的位置包括有中心筒、风帽、炉膛锥段上部区域、在炉膛出口、两侧墙水冷壁管迎气流方向以及炉膛四角和炉顶等[5]。本文将对上述位置进行改进设计。

3.1 中心筒的改进设计

1）采用瑞典进口的310S 材料替代原先材质，该材料能够确保中心筒在高温条件下的稳定性，进而减少其在高温环境下的变形量；

2）将原中心筒的上粗下细的结构（上部直径为2 000 mm，下部直径为1 500 mm）改进为上部直径为1 500 mm、下部直径为1 300 mm，中间采用大小头过渡的方式。改造后中心筒的分离效率得到很大程度的提升。此外，将原中心筒的三道单环防变形结构改进为三道槽钢结构，并为其配置24 块板筋。

3）将中心筒采用吊装的方式安装。采用8 根槽钢托起中心筒，要求中心筒与槽钢之间预留10 mm的膨胀缝，另一端与护板焊接的方式安装。

3.2 风帽的改进设计

目前，公司与循环流化床锅炉配套使用的风帽为新型节能风帽。该风帽的直径为8～13 mm，安装密度为35 个/m2。针对当前风帽磨损的原因，采用以下步骤对其进行改造：将原风帽拆卸，露出布风板；将布风板原先的开口进行均匀封堵，并将未封堵开口的尺寸由原来直径为25 mm 扩大为40 mm。要求未封堵开口呈现等腰三角形的布置；将风帽安装、焊接于剩余开口上；在底座增设钟罩式风帽。此外，风帽除采取上述步骤改造后，将渣管的材质替代为铸耐热合金钢。

3.3 炉膛的改进设计

1）针对循环流化床锅炉炉膛四角和炉顶磨损的问题，可采用对关键位置进行喷焊或打防磨浇筑料的方式增强其耐磨特性。但是，经实践表明：对关键位置喷焊处理后其使用寿命仅延长为90 d。因此，可采用打防磨浇筑料的方式对循环流化床锅炉炉膛的四角和炉顶进行强化设计。

2）针对炉膛锥段上部区域磨损严重的问题，可采用让管结构的方式。若现场无采用让管结构的条件，可在锅炉炉膛增加阻流梳型内梁。若现场已采用让管结构后仍存在炉膛锥段上部区域磨损严重的现象，需根据实际情况对锅炉的运行方式进行调整。

3）针对锅炉炉膛出口、两侧墙水冷壁管迎气流方向的单向冲刷磨损严重的问题，考虑是由于布风板分布不均匀导致二次风风速偏差而出现的。因此，除了针对风帽改进时已对布风板进行改进设计外，还需在水冷壁鳍片上竖向焊接阻流片的方式避免对水冷壁的磨损。其中，阻流片所选用的材质为不锈钢材料，且要求阻流片应高于水冷壁管。

4 改造效果

1）中心筒改造后，锅炉的负荷得到明显提升，且设备运行更加稳定，使用周期延长为三年，直接降低了维修成本；

2）风帽改进后，从一定程度上降低了作业人员的劳动强度，达到了节能生产的目的，且改造后风帽的寿命延长为三年，同样降低了维修成本；

3）针对炉膛内关键结构及材质进行改造后，在试运行期间水冷壁、炉顶以及炉膛四角的磨损量几乎可以忽略不计。