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循環流化床鍋爐(CFB)用耐火材料

昨天無意看到一篇關于循環流化床鍋爐(CFB)用耐火材料的文章,文章里面詳細的描述了循環流化床鍋爐所用得耐火材料、損壞機理及其他事項,所以河南耐火材料廠轉載過來,以供大家學習和參考。

內容摘要 該文簡述了循環流化床鍋爐(Circulating  Fluidized  Bed  Boiler)產生磨損的原因,分析了目前國內CFB用耐火材料狀況和存在的問題,為今后CFB用耐火材料的選用、施工和檢修提出了建議。

關鍵詞 循環流化床鍋爐;耐火材料;耐火磚  

1. 前言

煤的循環流化床燃燒技術是近二十年發展起來的一種新型燃煤技術,是對傳統的爐排爐和煤粉爐的一個重大革新。由于爐內物料的高熱容量、強摻混和低溫燃燒的特點,它可以有效燃用褐煤、煙煤和無煙煤,也可燃用造氣爐渣和石油焦等劣質燃料,在同一臺鍋爐上還可以同時燃用多個煤種,燃料適應性好。循環流化床燃燒可以通過添加石灰石,進行爐內煙氣脫硫處理,為高硫煤的合理利用提供了途徑,而一般的尾部脫硫技術成本高,難以在中國的中小鍋爐上推廣應用。循環流化床鍋爐遍布世界各地,經過多年的發展,形成了結構各異、形式多樣的許多爐型。在我國,循環流化床燃燒技術發展很快,各種形式的CFB不斷出現,并逐漸向大型化發展,CFB的優勢已得到了廣大用戶的認可。從潔凈煤燃燒角度看,也是我國近期解決環保問題的一個重要出發點。

2 .磨損產生的機理

磨損產生的機理磨損產生的機理磨損產生的機理 CFB與傳統的煤粉鍋爐不同,爐內床料在煙氣攜帶下沿爐膛上升,經爐膛上部出口進入分離器,在分離器中進行氣、固兩相分離,分離后的煙氣進入鍋爐尾部煙道,分離出來的固體粒子,經回料閥再返回爐膛下部。在CFB的運行中,含有燃料灰、石灰石及其反應產物的固體床料,在爐膛-分離器-回料閥-爐膛這一封閉循環回路里處于不停的高溫循環流動中,并在爐內以850~900℃進行高效率燃燒及脫硫反應。除床料在這一回路中作外循環流動外,床料在重力作用下,在爐內不斷地進行內循環流動。因此,在循環回路的相應部位必然產生磨損。磨損不僅影響鍋爐的安全運行,還限制了這類鍋爐的一些優點的發揮;磨損給鍋爐造成的直接危害是使承受內壓的受熱面金屬管子壁厚減薄直至爆管停爐;磨損使鍋爐的運行維護費用增大,機組利用率降低,給用戶造成巨大的損失。

磨損是煤或灰粒子以某一角度(0~90°)撞擊受熱面管子表面,引起沖蝕磨損,造成管子表面金屬流失。沖蝕磨損主要是沖擊與切削的作用,而切削是最主要因素,固體粒子作為微小切削工具在相對較軟的金屬表面上滑動切削出槽溝。磨損是非常復雜的失效過程,不僅受力學原因的影響,同時還與材料、環境、介質等多種因素密切相關。CFB受熱面管子的磨損是受煤粒子與灰粒子濃度、粒子特性、流道幾何形狀影響的。在固體粒子濃度較高區域、磨損主要取決于固體粒子及煙氣流與受熱面管子的對流運動,磨損與煙氣流速密切相關,固體粒子的速度是影響磨損的主要因素,因此嚴重磨損的部位通常發生在粒子流速突變區域。CFB的受熱面磨損主要發生在燃燒室下部、爐膛上部出口周圍及布置在燃燒室中屏式受熱面的下部。

目前CFB的防磨措施多采用敷設較厚的非金屬、耐火磚、澆注料或可塑料。根據現已掌握的有關資料,國外早期投入的CFB和國內的一些CFB的事故停爐,多數原因是由于物料的沖刷磨損造成耐火材料失效、脫落,阻塞排渣口和物料循環回路,使受熱面被磨損造成爆管。 

3 . 耐火材料失效的原因

目前,人們對CFB還缺乏經驗,特別是大型的CFB在選用材料上,尚有很多問題需要解決,其中耐火材料的耐磨性問題就是一大難題。由于各種耐火材料的綜合理化性能不同,根據使用部位、用途及鍋爐特性不同,合理選擇耐火材料至關重要。從目前有關資料和使用情況來看,CFB用耐火材料失效是由多種因素造成的。

沖刷磨損是各種CFB用耐火材料必須面對的問題,由于鍋爐本身的特性,在運行中耐火材料每天要受到燃料、燃料灰、石灰石及其反應產物的固體床料的磨損。煤種不同,其化學成分、揮發份和灰份不同,對耐火材料的沖刷速度也不同,熱態下對耐火材料的磨損也不同。另外爐子的設計結構和流速都與沖刷有直接關系,這些問題需要實際試驗與論證,才可把沖刷磨損降到最低限度。鍋爐結構特殊部位常會引起耐火材料的提前失效,尤其是爐膛上部出口及分離器上部的耐火材料在熱循環和機械振動共同作用下,經常產生塌落,這些必須從設計、選材和安裝上綜合考慮解決。

耐火材料隨溫度的升降,產生膨脹或收縮,如果此膨脹和收縮受到約束,材料內部會產生應力。耐火材料是非均質的脆性材料,與金屬制品相比,由于它的熱導率和彈性較小、抗拉強度低、抵抗熱應力破壞能力差、抗熱震性較低,熱沖擊循環作用下,耐火材料易先出現開裂剝落,終至整體損壞,這是CFB耐火材料的提前失效又一重要原因。影響耐火材料熱震穩定性的因素是比較復雜的,要綜合考慮各個因素的影響。

耐火材料的理化性能非常重要,一般來說耐火材料的耐壓強度、抗折強度、耐磨性、熱震穩定性和重燒線變化是主要的考核指標,同時高溫耐壓強度指標也要考慮。特別是一些澆注料在CFB燃燒溫度下使用,不能達到燒結溫度而強度較低。如加入高鋁水泥的澆注料,由于鈣的帶入量增加,常溫和110℃干燥后強度達到高峰,但隨著溫度的升高強度下降,700~1100°C時強度最低。還有許多耐火材料結合劑須經1200℃以上溫度燒結后才有一定強度,在1200℃以下使用因耐火材料達不到燒結溫度而強度很低,因此在CFB上選用效果不理想。

施工、安裝和烘爐不合理也是耐火材料損壞的主要原因之一。大多數耐火材料廠家都沒有施工和安裝的經驗,在施工和安裝中不能嚴格按照設計要求和材料生產廠提供的耐火材料施工要求進行監督施工。一些安裝公司也沒有CFB耐火材料的安裝經驗,按照工業鍋爐的砌筑辦法和經驗進行施工,結果造成安裝質量缺陷較大。還有個別工程為了縮短安裝工期提前運行,由于沒有達到鍋爐要求,使材料中所含的水分未完全轉化為水蒸氣逸出,爐子點火運行后耐火材料中的水蒸氣壓力超過了材料的拉伸強度時引起襯里分層和崩潰,導致爐子點火不久就引起爐墻大面積塌落。

 4.  CFB用耐火材料的現狀

目前國內CFB用耐火材料一般按作用可分為三類:耐磨耐火磚、澆注料、可塑料和灰漿;耐火磚、澆注料和灰漿;耐火保溫材料的磚、澆注料和灰漿。通常采用的耐磨耐火材料的品種有:磷酸鹽磚和澆注料;硅線石磚和澆注料;碳化硅磚和澆注料;剛玉磚和澆注料;耐磨耐火磚和澆注料;最高檔的還有氮化硅結合碳化硅產品等品種。從現有的CFB的使用結果上看,這些材料的使用效果都不很理想。

磷酸鹽磚是經低溫(500℃)熱處理的不燒磚,通常在1200~1600℃范圍內使用,它在水泥窯上應用已有多年,早期CFB的設計材料大部分采用磷酸鹽磚和磷酸鹽澆注料。當時國家建材行業制定了一種磷酸鋁耐磨磚標準,而其他行業沒有制定耐磨材料標準。尤其CFB用耐火材料,更是少有人知道和研究。由于CFB是在850~900℃范圍內運行,在這種溫度下,該耐火材料物理性能不穩定,耐磨性能得不到充分發揮。磷酸鹽澆注料的理化性能與磚相同,所不同的是它的施工比較復雜,受環境限制。雖然磷酸鹽材料在CFB上使用有它的不足,但是這種耐火磚價格能使用戶接受。

硅線石是一種優質耐火材料,通常加入到耐火材料中能使荷重軟化溫度提高100~150℃,耐火材料起變化的溫度是1450~1600℃,硅線石磚成型燒結溫度達到這一溫度,因此硅線石磚在CFB上使用是一種理想的耐磨耐火材料;但是硅線石澆注料因CFB燃燒達不到這個溫度范圍,硅線石的耐磨性就不能充分發揮出來,另外硅線石材料價格較高,增加了使用者的成本,這些影響了硅線石澆注料在CFB上的推廣應用。

碳化硅制品在高溫無氧化氣氛下使用具有較好的耐磨性和很好的熱震穩定性,在一定溫度下燒結其表面能形成一層釉面保護層,主要原因是CFB燃燒中帶有少量氧化氣氛,有關文獻指出,美國也嚴禁在CFB中選用碳化硅耐火材料制品,且價格較高。

剛玉制品在CFB上的使用品種有白剛玉、高鋁剛玉(也叫亞白剛玉)和棕剛玉。剛玉的主要性能是耐火度高、體積密度高、耐磨性能好,但它的熱震穩定性差,這給CFB使用帶來了困難。剛玉質澆注料在使用過程中經常出現塌落現象,原因就在于鍋爐運行中壓火、提火現象較多,較短時間內溫度變化頻繁,造成耐火材料使用壽命縮短。另一個因素是鍋爐使用溫度低,耐火材料達不到燒結溫度,耐磨性得不到充分發揮。

以上幾種CFB用耐火材料在國內具有代表性,根據對大多數用戶使用情況了解,用戶反應不一,主要是各鍋爐生產廠家和設計單位選用耐火材料品種繁多,沒有統一標準,其耐磨性能高,與爐子能夠達到同周期運行,同周期性檢修,并能產生較好的經濟價值和社會效益的耐火材料少。國內早期35t/h、75t/hCFB選用的耐火材料,基本是參照相關行業(如冶金、石化)用耐火材料,但是與冶金、石化行業對耐火材料的高耐火度和高抗渣浸的要求不同,河南耐火材料廠的建議是CFB要求耐火材料具有高溫耐磨性和高熱震穩定性,施工時要求耐磨耐火材料和保溫密封材料分層施工、膠結一體,即重質和輕質、定型和不定型配套施工,生產工藝不同和施工方式不同的耐火材料要求達到相同的指標。

隨著國外CFB技術的引進,國內一些CFB設計制造廠家依據國外公司對CFB耐火材料的要求,制定了有關耐火材料的技術要求,補充和完善了國內CFB耐火材料的規范體系,但是目前國內各鍋爐生產廠家和設計單位各持己見,用戶選材中有一定程度的盲目性,加上一些廠家產品質量不過關,耐火材料施工安裝后,運行不到72小時就出現大面積塌落或磨損,結果是用戶既花了大價錢,又不能滿足需要,給用戶造成很大的經濟損失;給CFB的推廣應用造成了不良影響,一些用戶在鍋爐選型時,提起CFB就認為磨損問題解決不了。CFB用耐火材料已被列為國家“九五”重點科技攻關項目,針對不同爐型和不同部位對耐火材料的不同要求,開展系統全面的研究工作。 

5.耐火材料的選用耐火材料的選用安裝和檢修的建議

在目前國內沒有CFB用耐火材料統一標準的情況下,建議設計單位和使用廠家選用耐火材料時,應聘請CFB用耐火材料的專業技術人員和有實踐經驗專家對以下內容進行評估論證,以期達到耐磨損和耐高溫等具體要求。

所選用的耐火材料是否專為CFB使用而研制的;耐火材料的理化性能能否滿足CFB的特殊性能要求(耐火材料的主要指標有耐壓強度、抗折強度、耐磨性能和熱震穩定性等);耐火材料的理化性能是否經過國家權威部門檢驗,檢驗的指標是否達到設計說明書要求;應對耐火材料的使用情況進行認真調查和了解,耐火材料的周期性使用性能是否得到眾多用戶認可;耐火材料的價格、使用壽命及產生的經濟效益能否達到最佳效果;耐火材料生產廠家的生產能力、生產設備、檢驗手段和質量保證體系能否滿足耐火材料生產要求;能否提供耐火材料全面技術說明和施工資料,是否有專業技術人員進行現場施工技術指導和監督。

建議使用單位購進耐火材料時,應該及時委托專業檢驗機構檢驗;耐火材料使用單位由第三方作為檢驗者來監督耐火材料的施工和安裝;對安裝人員的技術水平預先進行測驗,這將大大減少將來的維修費用;施工和安裝時,除遵守設計要求外,還要按照耐火材料生產廠家提供的升溫曲線進行烘爐。

河南耐火材料廠建議用戶嚴格執行定期檢修,一般是一年一次小修,三年進行一次大修。小修是對嚴重磨損區域進行一次修補。鍋爐在運行中要盡量減少停爐次數,多次停爐和啟動會使耐火材料產生熱沖擊循環應力疲勞,局部裂縫加寬增多。檢修時如發現永久性裂縫時要及時進行修補,可選用酸性高溫粘合劑加部分高鋁細粉混合后進行修補,也可選用專用補爐料進行修補。應注意小的裂縫,如不及時修補裂縫會繼續擴大,有時灰從裂縫進到保溫層,天長日久縫隙中灰量逐步增加會引起爐墻突出塌落。

本文由河南耐火材料廠轉載并整理,未經允許,不得轉載!

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