循环流化床(CFB)锅炉磨损问题初探

循环流化床（CFB）锅炉磨损问题初探能源部西安热工研究所叶善佩[内容提要]本文通过计算一个能反映磨损程度的量―――磨损特征量，比较CFB锅炉，煤粉锅炉受热面的磨损程度。

结合国内外CFB锅炉受面磨损爆管的实例，提出一个判断受热面磨损程度的准则。

最后介绍有关国内外CFB锅炉受热面的防磨措施。

关键词：循环流化床锅炉（CFB）磨损磨损绪论据有关文献介绍，目前我国电站锅炉因受热面腐蚀造成的停炉事故约占锅炉总事故的1／3。

由于循环流化床锅炉炉内灰浓度高，通常为煤粉炉的几十倍，几百倍，甚至上千倍，灰粒径大多在40－1000MM之间，所以在设计CFB锅炉的时候，应特别重视受热面的防磨。

国内外CFB锅炉都曾发生过受热面磨损爆管停炉事故。

世界上投运最早的一台较大容量的CFB锅炉――德国杜易斯堡第一热电厂267T／HCFB锅炉，在运行了约3500小时以后，流化燃烧室蒸发受热面的一根管子磨损爆管。

随后采取了防磨措施，在烟气的迎流面和折流处加了防磨罩。

运行到25000小时，又发生管子磨穿，造成被迫停炉事故。

在我国，较小容量循环流化床锅炉受热面磨损爆管事故也时有发生。

发生磨穿的原因大多由于惯性分离器的分离效率达不到原设计的要求，惯性分离器后的受热面直接受到浓度较高的载尘气流的冲刷所致。

下面首先介绍磨损特征量的定义。

由于磨损特征量与灰颗粒的运动速度有关，所以有必要介绍单颗粒运动速度的计算。

1、磨损特征量研究磨损速率的计算公式很多，原苏1973年标准推荐使用下式计算最大磨损其中Imax---最大磨损重（MM）；a——烟气中飞灰的磨损速率,（MM．S3／g．hr）；缺少数据时，可取a＝14×10－9M――管材的抗磨系统，对炭钢M＝1，合金钢M＝0．7；τ——管子的运行周期（h）R90——90μm筛子上的飞灰剩余量（％）；K W、K U---烟气速度场和飞灰浓度场的不均匀系数，对II型布置，K W＝1．25，Kμ＝1．2；μ——在管束计算断面处烟气飞灰浓度，（g／M3）、KD---铭牌锅炉负荷下烟速与平均运行负荷下烟速比值，对D120t/h，KD＝1．15，对D＝50－75t/h，KD＝1．4－1．3；d、S1——管径和横向节距；W P——对煤粉炉，通常为该烟区的平均烟速，（M／S）。

文献[3]介绍了一个根据循环流化床锅炉特点提出的较简单的磨损速率计算公司：E＝ad p2w p3.pe——管壁磨损量（MM／105H）DP——灰粒平均粒径，（MM）；W P——颗粒运动速度，（M／S），P——气流含尘浓度，（Kg／M3）a——与煤种、磨损件几何特性有关的常数，粗略可取a＝10－3由于CFB锅炉内颗粒径颗料粗，粒径范围较大，不同粒径的颗粒运动速度W P，也不同（见图2）。

因此应分别计算不同粒径的磨损速率。

为此首先对CFB灰进行粒度筛分，分级计算各组分的磨损量，然后累加求得磨损总量。

磨损特征量就是根据CFB锅炉的特点，参考式（1）和（2）后提出来，其定义式为：φi——i组分颗粒数份额，φi＝n i / n on o——i单位质量灰颗粒总数（颗／kg）；n1——i组分的颗粒数；d pi——i组分颗粒当量粒径(m)；W p——i组分颗粒的平均运动速度(m/s)；k——浓度速度场分布不均匀系数，参考（1）式，当烟尘9转弯时，取k＝2．343；μ——灰浓度，(kg/Nm3)。

（3）式特作如下说明：A、参考文献及[2.4]及式（1），磨损特征量取与速度的3．3次方成正比，磨损特征量反映了磨损的相对程度，不表示磨损绝对量。

但同样结构的受热面可以参照比较；C、对于一般性的工程设计，不专门测量飞灰磨蚀系数是一个常数。

实际上，与煤粉炉灰相比，CFB灰末经高温烧结，较软，灰外形通常为不规则尖状体；D、假设受热面的结构尺寸相同、E、所比较的受热面金属材料表面硬度相同F、不管错列还是顺列布置，所计算的管子均为迎流面第一排管子，至于错列的第二排管子，其磨损大于第一排，在比较计算时乘以适当常数；G、快速床内提升的物粒实际上呈颗粒团特性[5]，本文计算颗粒的提升速度时假设单颗粒提升。

这种假设的计算结果与实际吻合较好。

实际运行的循环灰有极少量的粗灰，大概颗粒团携带的结果；假设颗粒处于稳定的运动。

颗粒运动速度的计算2．1 颗粒在燃烧室内的提升固体颗粒在CFB燃烧室固两相流中受到三个力的作用，即颗粒本身的重力，烟气对颗粒的推动力和颗粒在烟气流中受到的浮力。

如图1所示。

在流化态中，我们将在静止流体中下落的颗粒最后达到的速度称作下落极限速度。

这个速度其值等于CFB内提升固体颗粒的最小速度，即终端速度U。

在稳定状态，当烟气流的速度为U。

颗粒运动速度为WP时，该颗粒在气流中的滑移速度为终端速度U即。

U t=U0-W p此时颗粒在流休中的重力浮力：烟气对颗粒的推动力；稳态时，F重＝F浮＋F推，根据（4）－（7）式，可以得到；其中；DP——颗粒当量直径（M）d P＝φC．δPφC——颗粒形状系数，本文取φC＝0．65δP——筛分粒径（M）P P、Ρg——颗粒和气流的密度（kg/m3）§——阻力系数，其值与绕流颗粒的雷诺数有关。

从（8）式可求U值。

当Ret=(U t.d p/v)<0.4时，ζ=24/Re t U t = g(P P -Ρg) dp2/18 P Pgν2 (m/s)当0．4＜Re t＜500时，ζ=10/Re t0．5当＜500 Re t＜200000时，ζ＝0．43U t（3．1g(P P -Ρg) P P /Ρg）1／2(m/s)当烟温800℃时，在典型烟气气氛下（烟气组分：γco2＝0.13γH2O=0.11γN2=0.76）烟气运动密度P P＝0．330kg/m2烟气运动粘度γ＝132×10－62 m2/s。

假设灰粒密度P P＝2500 kg/m3，炉内空塔烟速U0＝5 m/s，当Re t＝0．4时，临界颗粒径：d ij P＝(7.2Ρgγ2/g(P P -Ρg) 1／3=0.119×10－3(m)从（4）（9）（10）式计算得到不同粒径颗粒在炉内的运动速度如图2所示。

1．2颗粒在尾部对流竖井中的运动速度与单颗粒在炉内运动速度的计算相似，当颗粒的在对流竖井中随烟气向下稳态流动时，单颗粒的运动速度为：W P＝U t＋U0设烟温500℃，烟气平均速度U0＝8m/s, Ρg＝0．475kg/m3, γ=7.63×10－6 m2／s。

当Re t＝0．4时，临界粒径D P11＝0．092×10－3（M）由9）10）12）式计算得到结果见图3。

从惯性分离器选离的固体颗粒直入到入水平烟道，随后冲刷下游的受热面。

在水平烟道内，固体颗粒受到水平方向、垂直方向的阻力、重力和浮力的作用，如图4所示。

因为水平和垂直方向的速度是个变量，而阻力一速度有关,所以在水平垂直方向，单颗粒均受到变阻力的作用。

单颗粒在流体中的重力F G、水平方向阻力F X、垂直方向阻力F Y，分别见（13）（14）、（15）式。

其中d p——球形颗粒粒径（M）ρp-ρg——颗粒和烟气的密度（kg/m3）U O——平均烟速（M／S）ξX、ξY——－水平、垂直方向的阻力系数；V X、VY——水平、垂直方向的分速度（M／S）如图4X处，颗粒在水平，垂直方向受到的加速度：当RE＜00．4时，ξX＝24／RE X24×[V/ρp（V X－U O）]ξY＝24／REY=24V/ρp VY当0．4＜Re X＜500时，ξX＝10ReX1/2=10V1/2d P1/2(（V X－U O）1/2ξYξ＝10Re X1/2=10V1/2d P1/2 VY1/22．3．1单颗粒冲刷受热面时水平分速W P X的计算将18）20）、代入式16）则，a x1=-18Vp g(V X－U O)/d3pΡp(Re X <0.4)a x2=（—15/2）×V1/2ρg（V X－U O）3/2／d3／2pΡp（0．4＜Re X＜500）当单颗粒的临界速度V1ij=（0．4V/ dp）＋U O＞W P X时，由下计算W P X值：将22）式、23）式代入上式、并求积发化简得，当临界速度W P X可从下式求得：同理，求积分可化成下式：（W P X－U O）1/2－U O（W P X－U O）1/2－（V1－U O）1/2＋－U O（（V1－U O）1/2=（—15/4）x( V1/2ρg )/ (dp2/3ρp)x124)25)两式中，I——自由区间长度（M），见图4；W P X——灰颗粒碰到受热面时水平方向分速（M／S）V1——烟尘离开惯悸分离器时的速度，（M／S）；式24）25）的已知条件：烟温800 0C，烟气运动粘度V－1321－6 M2／S，自由区间烟气平均速度U0＝5M／S，Pg＝0．33kg/m3,P0=2500kg/m3,I=0.5(m)。

计算结果见表1。

几种粒径颗粒的试算都表明，与水平方向的分速相比，单颗粒在垂直方向的分速很小，不到水平方向分速W P的50％,作为工程计算，近似将W X P作为颗粒的运动速度。

各种颗粒冲刷到受热面时的运动速度见图5。

图5水平烟道中不同出口速度，粒径时单颗粒碰撞受热面速度3、磨损特征量的计算表3为某工业CFB锅炉的炉内循环灰的粒度筛分特性及各组分颗粒平均提升速度。

1KG灰样第I组分的颗粒数NI可从下式近似求得：ni＝6×10Xi／D pi3P P其中P P――灰密度，P P＝2500kg／m3d pi--i组分颗粒平均粒径（m）Xi--i组分重量百分数％i组分的颗粒数份额：фi＝ni／n0其中n0＝ΣNI德国杜易斯第一热电厂267T／HCFB锅炉的炉内布置了蒸发对流受热面。

该区域平均烟速烟温约900灰浓度不同级循环灰颗粒平均运动速见表3。

有少量较粗的颗粒，基端速度大于烟速，大是由于颗粒团携带的作用，在此高颗粒运动速度的磨损特征量的计算分别见表3和表6。

目前我国许多较小容量CFB锅炉采用惯性分离器这种分离方式，惯性分离器出口烟气速度较高。

表4为某惯性分离器出口灰筛分特性及颗粒离开分离器后0．5米颗粒运动速度。

计算假设烟温＝8000C，惯性分离器出口烟尘速度V1＝20M／S，自由空间烟速UO＝5M/S,计算灰浓度U＝0．5KG／NM3。

其磨损特征量的计算见表6。

表4和表6还根据式9式、10式、12式及3式计算出惯性分离器后烟尘冲恻对流竖井时的颗粒运动速度和磨损特征量，计算假设烟温烟速与CFB锅炉相比，煤粉炉的飞灰粒度较细，见表5。

冲刷对流受热面的飞灰浓度也很低，通常为10－70G／NM对流过器的烟速通常为8－15M／S，对灰分较高的燃料设计通常取低限值。