豐鏈智能對鍋爐尾部受熱面防磨的分析

燃煤鍋爐受熱面，由于內部是高溫高壓、超高壓的工質一汽、水在流動，使其承受很大的工作壓力和各種溫差應力；外部是帶有固體顆粒或腐蝕成分的高溫煙氣在沖刷磨損，其工作環境較為惡劣，導致設備健康狀況日趨惡化。特別是燃燒灰分大的燃煤鍋爐，其尾部受熱面處煙氣溫度比較低，煙氣中灰粒相對較硬，發生磨損尤為突出。攜帶有灰粒和未完全燃燒燃料顆粒的高速煙氣通過受熱面時，粒子對受熱面的每次撞擊都會剝離掉極微小的金屬，從而逐漸使受熱面管壁變薄。煙速越高，灰粒對管壁的撞擊力就越大；煙氣攜帶的灰粒越多(飛灰濃度越大)，撞擊的次數就越多，其結果都將加速受熱面的磨損。導致“四管”泄漏事故發生，對電廠安全運行和經濟效益受到很大影響。因此，豐鏈智能科技產品技術研發部門通過鍋爐尾部受熱面的沖擊磨損機理，提出有效的防磨措施。

1、磨損的機理

鍋爐受熱面管壁金屬的飛灰磨損,是由于高溫煙氣攜帶的飛灰顆粒具有的動能所引起,飛灰顆粒沖擊受熱面金屬表面時,消耗了動能并對金屬表面產生沖擊和切削作用,也就是鍋爐煙氣中的飛灰在一定溫度下有足夠硬度和動能,對受熱面管子產生磨削作用造成的。

1.1受熱面管磨損位置

飛灰顆粒沖擊到金屬壁面時的情況可分為正向沖擊和斜向沖擊二種,而斜向沖擊根據力學原理可以分為切線和法線二個方面,切線方向的切向力可使管壁金屬產生磨損。氣流中的飛灰顆粒對管壁金屬的作用力包括法線方向的沖擊力和切線方向

的切削力,而對管壁金屬磨損起主要作用的則是切向力,因此當飛灰顆粒的沖擊角逐漸減少時,切向力逐漸增大,磨損逐漸嚴重,當沖擊角為30°~50°時,由于沖擊力和切向力的雙重作用達到最大值,所以磨損也最為嚴重。當飛灰顆粒的沖擊角再繼續減少時,切向力和沖擊力綜合結果所造成的磨損又逐漸減少。

1.2磨損機理和影響因素

飛灰顆粒對于金屬表面的磨損主要是機械作用,即由于飛灰顆粒的沖擊作用和切削作用所引起,而其中又以切削作用為主。

管壁金屬表面的最大磨損量見以下公式。磨損主要取決于以下一些因素:

Emax——管壁金屬表面的最大磨損量,g/m2;

a——煙氣中飛灰的磨蝕系數,與煤種有關;

M——受熱面管材的抗磨系數;

μ——飛灰濃度;

T——鍋爐運行時間,h;

kμ——橫斷面煙氣中飛灰濃度不均勻系數;

kv——橫斷面煙氣速度分布不均勻系數;

Vg——煙氣速度,m/s;

R90——在90μm篩子的飛灰剩余量,%;

kD——設計煙氣速度與平均運行負荷下煙氣速度的比值;

S1——受熱面橫向節距,mm;

d——受熱面直徑,mm。

受熱面磨損主要與煙速、飛灰濃度、灰粒特性、管束結構、煙氣溫度等有關。

1.2.1飛灰速度w

由上述公式可知,煙速若增加一倍,磨損量將增加10倍。煙氣流速對受熱面磨損的影響最為嚴重,因此,對于燃用高灰分燃料的鍋爐,不宜采用過高的煙氣流速,在設計布置受熱面時,更應避免局部的煙氣流速增大。對于布置在尾部豎井進口處的再熱器、省煤器,豐鏈智能科技產品技術研發部門分析，在靠近前后墻和兩側墻處的管子,最易發生劇烈的磨損,因為這些地區最容易發生局部煙氣流速增大,一般可比平均流速高3~4倍,這樣由于局部煙氣流速增高而引起的局部磨損可增大幾十倍,而且在這些局部煙氣流速增大的區域,飛灰濃度也隨著煙氣流速的增大而相應增加,因此磨損情況就更為嚴重。

鍋爐運行時,隨著鍋爐負荷的增加,煙氣流量及流速相應增加,飛灰磨損加快。對于負壓燃燒的鍋爐,煙道漏風量增大時,因煙氣容積增大,流速相應增高,磨損也將加快。

當受熱面管處鍋爐本體存在漏點,則該處灰粒的速度遠高于該斷面的設計煙速,因為熱煙氣遇冷風后,由于溫度的驟降,體積將收縮,進出口壓差加大,導致煙氣速度加大,灰粒速度也將隨之驟增。同時,煙氣的流動方向發生驟變,這個方向是煙氣的垂直流向與漏入冷風的水平方向的合成,這樣會造成有規律的局部磨損。

在布置鍋爐對流管束時,因為管束不能碰到爐墻或中隔墻,所以管束和爐墻(或中隔墻)之間應留有一定的間隙,該間隙即所謂的煙氣走廊。在煙氣走廊中的氣流因阻力較小,其速度將逐漸增大。

通常用kv來考慮橫斷面速度分布的不均勻性。當氣流轉彎90°時,kv=1.25,而轉彎180°沖刷時,kv=1.6;kv由1增加為1.25,磨損量將增加一倍以上。

對管束和爐墻之間存在著間隙(即所謂煙氣走廊)時,kv值可由此間隙的大小而定。

1.2.2飛灰濃度μ

磨損量與飛灰濃度μ的一次方成正比。飛灰濃度越高,對鍋爐受熱面的磨損亦越強烈,燃用高灰分燃料的煤粉鍋爐,尾部煙道中的受熱面管,磨損情況嚴重。

問題更嚴重的是由于運行和結構上的原因,如因設計安裝不妥而在煙道局部地區形成飛灰濃度集中,例如煙道中存在著煙氣走廊或煙氣流的急劇轉彎等使灰粒分布不均勻,使飛灰濃度在某處局部增大而引起局部磨損加劇。kμ表示其增加的倍數,當轉彎90°時,kμ=1.2,而轉彎180°時,kμ=1.6。

1.2.3飛灰撞擊率η

飛灰撞擊管壁的機率與多種因素有關,主要與飛灰的粒徑、濃度有關,還與煙速、煙氣粘度有關。η越大則η越高。直徑越大,撞擊的幾率也高,因此大灰粒對磨損起了主要作用。

1.2.4灰粒特性

影響磨損量的灰粒特性主要有灰粒的粒徑、硬度、粒顆形狀。粒徑越大,磨損越嚴重;硬度越高,磨損越嚴重;具有銳利棱角的灰粒比球形灰顆磨損嚴重。

1.2.5管束的結構特性

煙氣橫向沖刷管束比縱向沖刷嚴重,沖刷錯列布置管束比沖刷順列管束嚴重得多。

1.2.6煙氣的溫度

煙氣溫度對許多影響因素都起決定性作用。煙氣溫度越低,則灰顆粒的硬度越高,對管壁的磨損越嚴重。另外,如熱煙氣突然遇到冷空氣,溫度急降,導致煙氣體積收縮,飛灰濃度增加,同時,也增加了其進、出口的壓差,使其流速加快,從而加重磨損。

2、影響磨損的因素

受熱面磨損受飛灰速度、飛灰濃度、灰粒特性、管束的結構特性和飛灰撞擊率等影響。磨損分布是不均的，帶有局部的性質。管子金屬被灰粒磨去的量正比于沖擊管壁的灰粒的動能及沖擊次數。灰粒的動能與煙氣流速的二次方成正比，而沖擊次數在煙氣濃度一定時與煙氣流速的一次方成正比，因而管子磨損量與煙氣流速的三次方成正比。鍋爐尾部受熱面磨損速度可用下列公式估算：磨損率（nm/year）=57.2×磨損系數×（%灰份/%含碳量）×流速3.3/煙氣溫度K。

3、鍋爐尾部受熱面易受磨損部位磨損原因分析

廣東某電廠采用的是HG-1021/18.2–WM10型型鍋爐，豐鏈智能科技產品技術研發部門分析，在多年的運行中，局部區域產生了較嚴重的飛灰磨損：a.煙井后部低溫過熱器出口聯箱水平段靠近左、右側包覆過熱器處；b.省煤器下集箱靠近爐墻彎頭處；c.省煤器下集箱靠近空氣預熱器入口水平段彎頭處。a區域尤其是低溫過熱器靠近煙井左后角部分磨損最為嚴重，其原因是：當煙氣由爐膛轉向進入下行尾部煙道時，由于氣流轉彎時離心力的作用，飛灰被拋向煙道后墻附近，使這部分受熱面周圍飛灰粒子濃度增大，單位體積的煙氣含灰量大，此時飛灰對受熱面的磨損就大；b區域省煤器管束與煙井后墻存在間隙，形成煙氣走廊，研究表明，煙氣走廊進口處煙速大于截面平均煙速，而且沿煙氣走廊煙氣流速不斷增加，在煙氣走廊末端，煙速可加速至走廊入口煙速的1.5～2倍以上，而飛灰磨損量隨煙速的3.3次方劇增，因此，煙氣走廊處尤其是末端管壁的磨損遠大于其他部位；b、c區域雖然屬于不同類型的受熱面，但都位于省煤器垂直段下部附近，其磨損的原因也是相同的，因此煙氣走廊的煙氣加速作用使這些區域磨損

較重；c區域下方的省煤器水平段對煙氣具有導流作用，使煙氣走廊的高速灰粒轉向，撞擊在水平彎頭上，造成磨損。

另外，在對流受熱面中，過熱器蛇形管是順列布置，所處煙溫較高灰粒較軟，磨損并不嚴重；空氣預熱器是立置的，煙氣縱向沖刷，除管子進口2～3倍管徑處局部磨損嚴重其余磨損也較輕；省煤器錯列布置，煙溫相對較低灰粒較硬煙氣的沖刷較嚴重。而且尾部受熱面各蛇形管排的彎頭、邊排管及聯箱、穿墻管等部位，由于所在位置與周圍均留有間隙，易產生煙氣走廊；部分聯箱由于體積相對較大，對煙氣的導流作用會使附近煙速、濃度突增，并且聯箱處焊口較多，焊接時易留下缺陷；管束、支架穿墻部位保溫耐火材料易脫落，漏風會改變煙氣流動方向。所以這些部位往往會造成煙氣流場不均勻或產生較大的熱應力而發生磨損泄漏的危險。

4、減輕鍋爐磨損的措施

由于鍋爐尾部受熱面的磨損是多方面因素作用的結果，只有找到主要原因，通過消除發生磨損的根源或采取抑制措施，來降低磨損速度。減輕磨損的積極措施是控制煙氣流速，尤其是煙氣走廊區的煙氣流速。如管子彎頭與墻之間的距離盡量小，管子距離要均勻等。但是局部煙速過高是難免的，所以在易磨處加裝防磨裝置。

（1）為消除局部煙速過高產生的磨損，可加裝煙氣均流擋板，使煙氣均勻流過受熱面管子，消除煙氣走廊。在不影響受熱總面積情況下將錯列布置管排改成順列布置，利用順列管束的繞流作用消除灰粒對后列管束的沖刷。

（2）對于易發生磨損的部位如尾部煙井后墻左右墻角區域、煙氣走廊處、蛇形管排的彎頭、固定卡子、管排交叉部位重點檢查，對于脫落在管排間的支吊架、卡子、耐火磚等異物及時清除，防止這些異物對煙氣產生導流作用而發生煙速局部變化，加快局部管束的沖刷。

（3）采用耐高溫防磨涂料對易受磨損部位進行噴涂。噴涂層與管子粘貼力強，傳熱性好，致密耐磨，相比傳統的防磨蓋板或防磨罩而言，防磨涂層不妨礙煙氣通流，不會增大煙速，又能有效提高受熱面防磨能力。

（4）應嚴格控制鍋爐尾部煙道的嚴密性，若負壓燃燒室鍋爐漏風嚴重，不但鍋爐效率降低，而且使煙氣流速提高，加劇受熱面管子磨損，因此應及時發現并堵漏，并在運行中控制好爐膛負壓，提高爐墻的保溫密封質量。

（5）加強燃煤及運行管理。燃用煤種應接近設計煤種，且要相對穩定。若燒灰分高、水分大、熱值低、揮發分少的劣質煤時，運行應適當提高煤粉細度，加強燃燒調整，應盡量使兩側引風機擋板開度均衡，避免兩側煙氣流通量存在較大偏差，產生不均勻磨損。并且嚴禁鍋爐超負荷運行。

5、結語

鍋爐尾部受熱面的飛灰磨損是一項較為復雜的技術問題，其影響的因素有很多，想要解決好這些問題，需要做大量的試驗和實際應用，進一步探討磨損的機理，研究防磨的措施，豐鏈智能科技產品技術研發部門特別提示，只有防磨技術研究有了進一步的提高，對設備的進一步完善，提高尾部受熱面的使用壽命，達到鍋爐長期安全經濟運行。

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