循环流化床锅炉内衬的性能要求及其应用

1　引　　言
　　循环流化床锅炉(简称CFBB)的燃烧特点是节约能源，减少对大气的污染，是我国热能动力发展的方向。在CFBB中，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内衬及受热面的严重磨损。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，更加剧了锅炉内衬的磨损。流化床锅炉的燃烧方式和性质决定了锅炉内衬的工作状况，要长期地经受带煤粒子的高温烟气高速冲刷，并且要在一定的工作年限内保持正常运转而不损坏。而实际情况是，内衬使用寿命一般较短，要频繁地拆换检修，这对整个热力机组不利，造成较大经济损失。解决好CFB锅炉内衬的破坏问题，是进一步发展流化床燃烧技术的关键。 字串9

2　循环流化床锅炉工况分析
　　CFBB的炉膛运行在一种特殊的流体动力特性下，细颗粒被以超过平均粒径颗粒终端速度的气流输送通过炉膛，同时又有足够的颗粒返混以保证炉膛内的温度分布均匀。
　　离开炉膛的大部分颗粒，由气固分离装置捕集并以足够高的速率从靠近炉膛底部的回送口再循环进入炉膛，使炉膛内的颗粒返混维持在最低程度。
　　燃烧一次风(风量通常小于化学当量值)通过布风装置送入炉膛，二次风则在布风装置以上的一定高度从侧壁送入炉膛。燃料在炉膛中燃烧产生热量，这些热量一部分由布置在炉膛内的水冷或蒸汽冷却受热面所吸收，余下部分则被尾部的对流受热面所吸收。
　　通常被称为快速流态化或稀相返混的特殊流体动力特性的形成，对循环流化床是非常关键的。风速、再循环速率、颗粒特性、物料量和系统几何形状的特殊组合，就可以产生特殊的流体动力特性。在这种流体动力特性下，固体物料被速度大于单颗物料的终端速度的气流所流化，同时在这种流体动力特性下，固体物料并不像在垂直气力输送系统中立即被气流所夹带，相反地物料以颗粒团的形式上下运动、产生高度的返混。这种细长的颗粒团既向上运动、向周围运动，也向下运动。颗粒团不断地形成、解体又重新形成。这种特殊的流体动力特性也可携带一定数量其终端速度远大于截面平均气速的大颗粒物料，这种气固运动方式产生了大的气固滑移速度。上述特性使循环流化床锅炉区别于其它形式的锅炉。循环流化床锅炉的工作原理见图1。

　　循环流化床锅炉的炉膛中有一定量的固体颗粒，这些颗粒的粒度通常在0.1～0.3mm范围内。固体颗粒包括：
　　(1) 砂或砾石(燃用木屑等低灰燃料时)；
　　(2) 新鲜的或反应过的石灰石(燃用高硫煤或需要脱硫时)；
　　(3) 煤灰(燃用高灰或中灰煤而不需要脱硫时)。
　　有时床料也可以是组合物料。燃料的粒度(特别对于低灰燃料)并不一定对床料的粒度起控制作用，这是因为在循环流化床锅炉中燃料只占床料总量的很小一部分(1～3%)。 流化床锅炉的工作特性决定了它必然对内衬材料的性能有更高的要求。

3　内衬材料的性能要求
　　对CFBB内衬材料的性能可按下列步骤进行分析：① 熟悉系统特点和整体性能；② 分析内衬敷设点的工作环境；③ 了解内衬敷设和锅炉性能的相关因素；④ 确定内衬的目的与功能。
　　按照上述步骤对低循环倍率CFBB的几种常见炉型典型内衬进行分析，其性能要求如下：
　　(1) 内循环涡流型湍流床内衬，要求高耐磨、高耐温性和抗冲刷；
　　(2) 高温外循环分离器入口段内衬，要求高耐磨、高耐温性；
　　(3) 中温外循环分离器入口，要求高耐磨、高耐温性；
　　(4) 中、高温外循环分离器筒体，要求耐热、保温、热惰性小；
　　(5) 点火燃烧室烟道，要求耐热；
　　(6) 悬浮室，要求高耐热、耐磨、热惰性小。
　　对燃用城市废弃物、化工废料等含腐蚀性成分的CFBB，要根据具体情况考虑防腐和内衬材料的稳定性等问题。
　　蒸发量35t/h以上的外循环CFBB膜式或光管组成的炉膛，炉型为悬吊式。对这种炉膛的湍流床和悬浮室内衬结构设计要求：内衬要薄，宜单层结构，材料的物化性能要高。薄体内衬与CFBB具有快速负荷响应能力的特性相适应。
　　蒸发量35t/h以下的CFBB一般采用光管宽节距管架式或支撑式水冷壁。这种内衬多采用复合结构。内衬的荷载靠水泥地基承担或用分段卸载方式导给炉室构架。这种结构由耐磨耐热层、绝热层、保温层和密封层组成。该结构热惰性较大，不适应负荷突变的需要。 字串9

4　内衬材料的实际应用
　　材料选择要从材料的物化性质(包括耐磨性、耐热性、耐蚀性、导热性、稳定性、热胀性、收缩率、抗压抗折性和容重)着手，兼顾经济性。结合内衬部位的特点、承载内衬的部件结构、耐温抗磨要求进行综合比较，做到技术先进、结构可靠和经济合理。
　　其中对内衬材料耐磨性影响最直接的因素是抗压强度。B.CLAVAUD等人曾做了400个样品的磨蚀试验，按ASTM C704法的磨蚀与冷态抗压强度之间的关系见图2。由图2可见，当冷态抗压强度高于80MPa时，磨损量较低；高于120MPa时，磨损量可确保低于12cm³；高于140MPa时，磨损量可低于4cm³。图3为1000℃下热态磨损和1000℃烧后冷态磨损之间的关系。我们认为：一般磨损部位，其材料的冷态抗压强度达到80MPa就够了；对于磨损严重的部位(如旋风筒入口处)，其抗压强度最好能达到140MPa左右，这时按ASTM C704法试验的磨损量低于4cm³；对于耐磨浇注料来说，强度应选得更高些。  字串3串2

　　在湍流床部位，内衬的工作条件恶劣，要求内衬材料应有高耐磨性，耐温好，抗折耐压性好以及导热系数低，容重尽量小的特点。应主要着眼于满足耐磨和耐温这两个条件，再考虑能否满足适应温度频繁变化的抗热震稳定性，导热系数可限定在15～20W/(m^.K)范围内。满足这样条件的材料有两种：一种是SiC，另一种是黑体硅酸锆。两种材料性质基本相同。两种材料的缺点是容重都较大(＞2500kg/m³)，价格较贵。由于湍流床区域内衬面积只占炉室内衬敷设总面积的1/4左右，使用这种材料寿命长，稳定性好，可减少因炉衬事故而导致的停炉检修次数，节省运行费用。因此，综合效果还是较好。
　　外循环CFBB分离器入口处是易磨损区，材料应选耐磨的，分离器筒体部分内衬要耐高温。因为对高温型分离器，有一部分未燃尽粒子有时会在这里继续燃烧。CFBB的分离灰主要部分要参与再循环以控制床温和提高燃烧效率。灰入炉温度要求不大于烟气炉膛出口温度与分离器灰出口温度差±5℃范围，这也就要求该区域内衬结构既要耐热又要保温。要求耐热材料的导热系数＜2 W/(m^.K)。这种材料可选择高铝制品或其它相近材料。

5　结　　语
　　CFBB内衬材料随着锅炉向高参数、大容量、新技术发展而不断发展，开发了许多新品种、新的施工方法和技术，促进了内衬结构的创新和改进，使耐磨耐热性能不断改善，推动了流化床燃烧技术的进步。

本文属国家科委资助研究项目
作者单位：何祥义　郭森魁　陈永国　昆明理工大学，昆明650093
　　　　　罗廷元　东方锅炉集团股份有限公司，自贡 643001

参考文献
　［1］P.巴苏,S.A.弗雷泽著,岑可法等译.循环流化床锅炉的设计与运行.北京：科学出版社,1991,10
　［2］刘建斌.电站锅炉耐火材料的选择及性能要求.锅炉技术，1997, No.12
　［3］杨长珊等.循环流化床锅炉用耐磨耐火材料.余热锅炉，1993,No.3
　［4］何祥义等.CFB旋风分离器内衬磨损机理分析及选材建议.锅炉技术，待刊登