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循环流化床锅炉用耐火材料的现状与选材

循环流化床锅炉用耐火材料的现状与选材
张太生
(中国五环化学工程公司)
[内容摘要] 该文简述了循环流化床锅炉(Circulating Fluidized Bed Boiler)产生磨损的原因,分析了目前国内CFB用耐火材料状况和存在的问题,为今后CFB用耐火材料的选用,施工和检修提出了建议.
[关 键 词] 循环流化床锅炉;耐火材料
前言
煤的循环流化床燃烧技术是近二十年发展起来的一种新型燃煤技术,是对传统的炉排炉和煤粉炉的一个重大革新.由于炉内物料的高热容量,强掺混和低温燃烧的特点,它可以有效燃用褐煤,烟煤和无烟煤,也可燃用造气炉渣和石油焦等劣质燃料,在同一台锅炉上还可以同时燃用多个煤种,燃料适应性好.循环流化床燃烧可以通过添加石灰石,进行炉内烟气脱硫处理,为高硫煤的合理利用提供了途径,而一般的尾部脱硫技术成本高,难以在中国的中小锅炉上推广应用.循环流化床锅炉遍布世界各地,经过多年的发展,形成了结构各异,形式多样的许多炉型.在我国,循环流化床燃烧技术发展很快,各种形式的CFB不断出现,并逐渐向大型化发展,CFB的优势已得到了广大用户的认可.从洁净煤燃烧角度看,也是我国近期解决环保问题的一个重要出发点.
2 . 磨损产生的机理
CFB与传统的煤粉锅炉不同,炉内床料在烟气携带下沿炉膛上升,经炉膛上部出口进入分离器,在分离器中进行气,固两相分离,分离后的烟气进入锅炉尾部烟道,分离出来的固体粒子,经回料阀再返回炉膛下部.在CFB的运行中,含有燃料灰,石灰石及其反应产物的固体床料,在炉膛-分离器-回料阀-炉膛这一封闭循环回路里处于不停的高温循环流动中,并在炉内以850~900°C进行高效率燃烧及脱硫反应.除床料在这一回路中作外循环流动外,床料在重力作用下,在炉内不断地进行内循环流动.因此,在循环回路的相应部位必然产生磨损.磨损不仅影响锅炉的安全运行,还限制了这类锅炉的一些优点的发挥;磨损给锅炉造成的直接危害是使承受内压的受热面金属管子壁厚减薄直至爆管停炉;磨损使锅炉的运行维护费用增大,机组利用率降低,给用户造成巨大的损失.
磨损是煤或灰粒子以某一角度(0~90°)撞击受热面管子表面,引起冲蚀磨损,造成管子表面金属流失.冲蚀磨损主要是冲击与切削的作用,而切削是最主要因素,固体粒子作为微小切削工具在相对较软的金属表面上滑动切削出槽沟.磨损是非常复杂的失效过程,不仅受力学原因的影响,同时还与材料,环境,介质等多种因素密切相关.CFB受热面管子的磨损是受煤粒子与灰粒子浓度,粒子特性,流道几何形状影响的.在固体粒子浓度较高区域,磨损主要取决于固体粒子及烟气流与受热面管子的对流运动,磨损与烟气流速密切相关,固体粒子的速度是影响磨损的主要因素,因此严重磨损的部位通常发生在粒子流速突变区域.CFB的受热面磨损主要发生在燃烧室下部,炉膛上部出口周围及布置在燃烧室中屏式受热面的下部.
目前CFB的防磨措施多采用敷设较厚的非金属耐火砖,浇注料或可塑料.根据现已掌握的有关资料,国外早期投入的CFB和国内的一些CFB的事故停炉,多数原因是由于物料的冲刷磨损造成耐火材料失效,脱落,阻塞排渣口和物料循环回路,使受热面被磨损造成爆管.
3 . 耐火材料失效的原因
目前,人们对CFB还缺乏经验,特别是大型的CFB在选用材料上,尚有很多问题需要解决,其中耐火材料的耐磨性问题就是一大难题.由于各种耐火材料的综合理化性能不同,根据使用部位,用途及锅炉特性不同,合理选择耐火材料至关重要.从目前有关资料和使用情况来看,CFB用耐火材料失效是由多种因素造成的.
冲刷磨损是各种CFB用耐火材料必须面对的问题,由于锅炉本身的特性,在运行中耐火材料每天要受到燃料,燃料灰,石灰石及其反应产物的固体床料的磨损.煤种不同,其化学成分,挥发份和灰份不同,对耐火材料的冲刷速度也不同,热态下对耐火材料的磨损也不同.另外炉子的设计结构和流速都与冲刷有直接关系,这些问题需要实际试验与论证,才可把冲刷磨损降到最低限度.锅炉结构特殊部位常会引起耐火材料的提前失效,尤其是炉膛上部出口及分离器上部的耐火材料在热循环和机械振动共同作用下,经常产生塌落,这些必须从设计,选材和安装上综合考虑解决.
耐火材料随温度的升降,产生膨胀或收缩,如果此膨胀和收缩受到约束,材料内部会产生应力.耐火材料是非均质的脆性材料,与金属制品相比,由于它的热导率和弹性较小,抗拉强度低,抵抗热应力破坏能力差,抗热震性较低,热冲击循环作用下,耐火材料易先出现开裂剥落,终至整体损坏,这是CFB耐火材料的提前失效又一重要原因.影响耐火材料热震稳定性的因素是比较复杂的,要综合考虑各个因素的影响.
耐火材料的理化性能非常重要,一般来说耐火材料的耐压强度,抗折强度,耐磨性,热震稳定性和重烧线变化是主要的考核指标,同时高温耐压强度指标也要考虑.特别是一些浇注料在CFB燃烧温度下使用,不能达到烧结温度而强度较低.如加入高铝水泥的浇注料,由于钙的带入量增加,常温和110°C干燥后强度达到高峰,但随着温度的升高强度下降,700~1100°C时强度最低.还有许多耐火材料结合剂须经1200°C以上温度烧结后才有一定强度,在1200°C以下使用因耐火材料达不到烧结温度而强度很低,因此在CFB上选用效果不理想.
施工,安装和烘炉不合理也是耐火材料损坏的主要原因之一.大多数厂家都没有施工和安装的经验,在施工和安装中不能严格按照设计要求和材料生产厂提供的耐火材料施工要求进行监督施工.一些安装公司也没有CFB耐火材料的安装经验,按照工业锅炉的砌筑办法和经验进行施工,结果造成安装质量缺陷较大.还有个别工程为了缩短安装工期提前运行,由于没有达到锅炉要求,使材料中所含的水分未完全转化为水蒸气逸出,炉子点火运行后耐火材料中的水蒸气压力超过了材料的拉伸强度时引起衬里分层和崩溃,导致炉子点火不久就引起炉墙大面积塌落.
4. CFB用耐火材料的现状
目前国内CFB用耐火材料一般按作用可分为三类:耐磨耐火材料的砖,浇注料,可塑料和灰浆;耐火材料的砖,浇注料和灰浆;耐火保温材料的砖,浇注料和灰浆.通常采用的耐磨耐火材料的品种有:磷酸盐砖和浇注料;硅线石砖和浇注料;碳化硅砖和浇注料;刚玉砖和浇注料;耐磨耐火砖和浇注料;最高档的还有氮化硅结合碳化硅产品等品种.从现有的CFB的使用结果上看,这些材料的使用效果都不很理想.
磷酸盐砖是经低温(500°C)热处理的不烧砖,通常在1200~1600°C范围内使用,它在水泥窑上应用已有多年,早期CFB的设计材料大部分采用磷酸盐砖和磷酸盐浇注料.当时国家建材行业制定了一种磷酸铝耐磨砖标准,而其他行业没有制定耐磨材料标准.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°C范围内运行,在这种温度下,该耐火材料物理性能不稳定,耐磨性能得不到充分发挥.磷酸盐浇注料的理化性能与砖相同,所不同的是它的施工比较复杂,受环境限制.虽然磷酸盐材料在CFB上使用有它的不足,但是它的价格能使用户接受.
硅线石是一种优质耐火材料,通常加入到耐火材料中能使荷重软化温度提高100~150°C,耐火材料起变化的温度是1450~1600°C,硅线石砖成型烧结温度达到这一温度,因此硅线石砖在CFB上使用是一种理想的耐磨耐火材料;但是硅线石浇注料因CFB燃烧达不到这个温度范围,硅线石的耐磨性就不能充分发挥出来,另外硅线石材料价格较高,增加了使用者的成本,这些影响了硅线石浇注料在CFB上的推广应用.
碳化硅制品在高温无氧化气氛下使用具有较好的耐磨性和很好的热震稳定性,在一定温度下烧结其表面能形成一层釉面保护层,主要原因是CFB燃烧中带有少量氧化气氛,有关文献指出,美国也严禁在CFB中选用碳化硅耐火材料制品,且价格较高.
刚玉制品在CFB上的使用品种有白刚玉,高铝刚玉(也叫亚白刚玉)和棕刚玉.刚玉的主要性能是耐火度高,体积密度高,耐磨性能好,但它的热震稳定性差,这给CFB使用带来了困难.刚玉质浇注料在使用过程中经常出现塌落现象,原因就在于锅炉运行中压火,提火现象较多,较短时间内温度变化频繁,造成耐火材料使用寿命缩短.另一个因素是锅炉使用温度低,耐火材料达不到烧结温度,耐磨性得不到充分发挥.
以上几种CFB用耐火材料在国内具有代表性,根据对大多数用户使用情况了解,用户反应不一,主要是各锅炉生产厂家和设计单位选用耐火材料品种繁多,没有统一标准,其耐磨性能高,与炉子能够达到同周期运行,同周期性检修,并能产生较好的经济价值和社会效益的耐火材料少.国内早期35t/h,75t/h的CFB选用的耐火材料,基本是参照相关行业(如冶金,石化)用耐火材料,但是与冶金,石化行业对耐火材料的高耐火度和高抗渣浸的要求不同,CFB要求耐火材料具有高温耐磨性和高热震稳定性,施工时要求耐磨耐火材料和保温密封材料分层施工,胶结一体,即重质和轻质,定型和不定型配套施工,生产工艺不同和施工方式不同的耐火材料要求达到相同的指标.
随着国外CFB技术的引进,国内一些CFB设计制造厂家依据国外公司对CFB耐火材料的要求,制定了有关耐火材料的技术要求,补充和完善了国内CFB耐火材料的规范体系,但是目前国内各锅炉生产厂家和设计单位各持己见,用户选材中有一定程度的盲目性,加上一些厂家产品质量不过关,耐火材料施工安装后,运行不到72小时就出现大面积塌落或磨损,结果是用户既花了大价钱,又不能满足需要,给用户造成很大的经济损失;给CFB的推广应用造成了不良影响,一些用户在锅炉选型时,提起CFB就认为磨损问题解决不了.CFB用耐火材料已被列为国家"九五"重点科技攻关项目,针对不同炉型和不同部位对耐火材料的不同要求,开展系统全面的研究工作.
5 . 耐火材料的选用,安装和检修的建议
在目前国内没有CFB用耐火材料统一标准的情况下,建议设计单位和使用厂家选用耐火材料时,应聘请CFB用耐火材料的专业技术人员和有实践经验专家对以下内容进行评估论证,以期达到耐磨损和耐高温等具体要求.
所选用的耐火材料是否专为CFB使用而研制的;耐火材料的理化性能能否满足CFB的特殊性能要求(耐火材料的主要指标有耐压强度,抗折强度,耐磨性能和热震稳定性等);耐火材料的理化性能是否经过国家权威部门检验,检验的指标是否达到设计说明书要求;应对耐火材料的使用情况进行认真调查和了解,耐火材料的周期性使用性能是否得到众多用户认可;耐火材料的价格,使用寿命及产生的经济效益能否达到最佳效果;耐火材料生产厂家的生产能力,生产设备,检验手段和质量保证体系能否满足耐火材料生产要求;能否提供耐火材料全面技术说明和施工资料,是否有专业技术人员进行现场施工技术指导和监督.
建议使用单位购进耐火材料时,应该及时委托专业检验机构检验;耐火材料使用单位由第三方作为检验者来监督耐火材料的施工和安装;对安装人员的技术水平预先进行测验,这将大大减少将来的维修费用;施工和安装时,除遵守设计要求外,还要按照耐火材料生产厂家提供的升温曲线进行烘炉.
建议用户严格执行定期检修,一般是一年一次小修,三年进行一次大修.小修是对严重磨损区域进行一次修补.锅炉在运行中要尽量减少停炉次数,多次停炉和启动会使耐火材料产生热冲击循环应力疲劳,局部裂缝加宽增多.检修时如发现永久性裂缝时要及时进行修补,可选用酸性高温粘合剂加部分高铝细粉混合后进行修补,也可选用专用补炉料进行修补.应注意小的裂缝,如不及时修补裂缝会继续扩大,有时灰从裂缝进到保温层,天长日久缝隙中灰量逐步增加会引起炉墙突出塌落.
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