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循环流化床锅炉用耐火材料的现状与选材

1 CFBB的磨损与防护
    CFBB以其燃料适应范围广、廉价脱硫、控制污染物排放、燃烧效率高、负荷调节比大和灰渣综合利用等优点,成为清洁燃烧技术的一个发展方向,受到各国普遍关注,是解决节约能源和保护环境两大难题的一条新途径。从80年代初国内开始开发CFBB,并有一批35t/h、75t/h、220t/h和410t/h的CFBB投入商业运行。
    CFBB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,被分离后的烟气经分离器上部出口,进入锅炉尾部烟道,被分离出来的固体粒子,经回料阀再返回炉膛下部(见CFBB防磨位置示意图)。在CFBB的运行中,含有燃料、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℃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严重磨损。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的痕迹。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。CFBB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。
    CFBB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。
    CFBB防磨位置示意图
    1.燃烧室下部;2.水冷屏或过热器屏;3.燃烧室出烟口;4.分离器出口烟道;5.分离器;6.返料装置
    目前CFBB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CFBB和国内的一些CFBB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。冲刷磨损是CFBB本身的特性,这就要求有关工程技术人员对CFBB用耐火材料的选用、施工和检修有一个深入了解,开发出综合性能优异的耐火材料,并执行严格规范的施工质量保证体系,就能满足CFBB的要求。
    2 耐火材料失效的原因
    CFBB在我国是新生事物,还缺乏经验,特别是大型的CFBB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,CFBB用耐火材料易出现失效是由多种因素造成的。
    冲刷磨损是各种CFBB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。另外炉子的大小、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,如果此膨胀或收缩受到约束,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CFBB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综合影响。
    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CFBB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100℃干燥后强度达到高峰,但随着温度的升高强度下降,700℃~1100℃时强度最低。还有许多种耐火材料结合剂须经1200℃以上温度烧结后才有一定强度,在1200℃
    以下使用因耐火材料达不到烧结温度而强度很低,因此在CFBB上选用效果不理想。
    施工、安装和烘炉不合理也是耐火材料的损坏主要原因之一。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CFBB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,由于没有达到烘炉要求,使材料中所含的水份未完全转化为水蒸汽逸出,炉子点火运行后耐火材料中的水蒸汽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。
    3 CFBB用耐火材料的现状
    目前国内CFBB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CFBB的使用结果上看,这些材料的使用效果都不很理想。根据这些耐火材料的使用情况,我们对耐火材料的性能及成本做如下分析。
    磷酸盐砖是经低温(500℃)热处理的不烧砖,通常在1200℃~1600℃范围内使用,它在水泥窑上应用已有多年,早期CFBB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CFBB用耐火材料,更是少有人知道和研究。由于CFBB是在850℃~900℃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,要求施工人员有一定的专业技术,如施工不当质量不能保证,这已被众多厂家所了解。虽然磷酸盐材料在CFBB上使用有它的不足,但是它的价格能使各个厂家接受。
    硅线石是一种优质耐火原料,通常加入到耐火材料中能使荷重软化温度提高100℃~150℃,耐火材料起变化的温度是1450℃~1600℃,硅线石砖成型烧结温度达到这一温度,因此硅线石砖在CFBB上使用是一种理想的耐磨耐火材料;但是硅线石浇注料因CFBB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,另外硅线石材料本身价格较高,生产出的产品价格也高,增加了使用者的成本,这些影响了硅线石浇注料在CFBB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,根据国内个别使用单位情况了解,对CFBB也不能得到满意的使用效果。主要原因是CFBB燃烧中带有少量氧化气氛。从有关CFBB技术的文献中看到,美国也严禁在CFBB中选用碳化硅耐火材料制品。同时其价格较高,好材料没有得到合理的应用,用户不能产生好的经济效益,也是一种浪费。
    刚玉制品在CFBB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CFBB使用带来了困难。根据所了解到的情况,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。有较多用户为解决磨损问题,往往花大价钱选用刚玉材料,结果却得不到好的经济效益。
    以上几种CFBB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,用户反映不一,存在问题较多,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,没有统一的标准,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CFBB选用的耐火材料,基本上是参照相关行业(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,CFBB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CFBB技术的引进,国内一些CFBB设计制造厂家依据国外公司对CFBB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CFBB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,结果是用户既化了大价钱,又不能满足需要,给生产造成很大的经济损失;给CFBB的推广应用造成了不良的影响,一些用户在锅炉选型时,提起CFBB就认为磨损问题解决不了。CFBB用耐火材料已被列为国家“九五”重点科技攻关项目,针对不同炉型及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。
    4 耐火材料的选用、安装和检修的建议
    在目前国内没有CFBB用耐火材料统一标准的情况下,我们建议设计单位和使用厂家选用耐火材料时,应聘请CFBB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需要。
    所选用的耐火材料是不专为CFBB使用而研制的;耐火材料的理化性能能否满足CFBB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后,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,这将大大地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。
    建议电厂应该严格执行定期检修,一般是一年一次小修,三年进行一次大修。一年一次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加大,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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