循環流化床鍋爐具有高效、低污染、煤種適應性廣、爐渣綜合利用率高等特點，近年來在電站和熱電聯產項目上廣泛應用，但由于循環流化床鍋爐獨特的流態化燃燒方式，在煙氣沖刷水冷壁管時，在灰粒的沖擊力和剪切力的作用下，管表面金屬會受到磨損，逐漸變薄；在達到一定程度時，管內高壓給水會使磨損部位破裂，以至于頻繁發生泄漏爆管事故，嚴重影響電廠的經濟性和安全性。
晉田熱電廠2臺220t/h循環流化床鍋爐，采用循環流化床燃燒技術，分別于2002年11月29日和2003年4月29日投產以來，到2007年底僅僅累計運行約2×104h，水冷壁磨損嚴重，引起多次停爐事故，嚴重影響了電廠的安全經濟運行。從2006年9月開始進行燃燒調整，并從多方面采取措施，減緩磨損速度，收到明顯的效果。
本文根據電廠運行的實際情況，從運行、制造、燃用煤質等多方面進行了分析總結，另外與其他容量基本接近的鍋爐從結構上進行了比較，發現水冷壁的磨損速度與鍋爐的設計也有很大的關系，富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
1、設備簡介
1.1鍋爐整體布置
鍋爐主要由爐膛、汽冷旋風分離器、自平衡“U”形回料閥和尾部對流煙道組成。燃燒室蒸發受熱面采用膜式水冷壁，水循環采用單汽包，自然循環。采用水冷布風板，大直徑鐘罩式風帽。燃燒室內布置4片翼墻式水冷屏來增加蒸發受熱面和4片屏式過熱器（Ⅱ級過熱器）。鍋爐采用2個直徑約5m的汽冷旋風分離器，布置在燃燒室與尾部對流煙道之間，外壁由膜式壁制成，并作為過熱器的一部分，分離器上部為圓筒形，下部為錐形。汽冷旋風分離器回料腿下布置1個非機械型回料閥，回料系統為自平衡式，流化密封風用高壓風機單獨供給。
以上三部分構成了循環流化床鍋爐的核心部分，即物料循環回路。煤與石灰石在燃燒室內完成燃燒及脫硫反應。
經過分離器的煙氣進入尾部煙道，尾部對流煙道中布置Ⅲ級、工級過熱器、省煤器、空氣預熱器。過熱蒸汽溫度由在過熱器之間布置的兩級噴水減溫器調節，減溫噴水來自鍋爐給水。
1.2設計煤種要求
本鍋爐設計煤種的低位發熱量為19.7mj/kg，校核煤種的低位發熱量在15. 91～23. 87MJ/kg。其中燃煤粒度要求嚴格，最大粒度要求不大于6mm，粒度平均直徑為1.3～1.5mm，粒度小于100um的不大于10%。煤的元素分析與工業分析見表1。
2水冷壁磨損情況
2.1檢修中水冷壁磨損普查情況
在2006年6月到9月中旬，短短的3個月1號和2號鍋爐各有三次水冷壁磨損泄漏事故。2006年9月15日2號爐后墻中間標高17 m處發生水冷壁泄漏后轉為C級檢修，對水冷壁進行了全面的摸管外觀檢查、側厚檢查和割管檢查，發現磨損2.5mm左右的水冷壁達272根，總長度為607.65 m。
2.2磨損泄漏特點
a)磨損速度快。1號、2號鍋爐分別于2002年底和2003年初投運，截至2006年10月31日分別僅運行了19 832 h和19 781 h，就有270多根水冷壁磨損厚度超過2 mm，其中比較嚴重的超過3 mm，見圖1。
b)磨損范圍廣。循環流化床鍋爐磨損比較嚴重是各電廠的共性問題，但一般在標高比較低的密相區和稀相區交界區域或下部四個角比較嚴重。該電廠2臺爐在整個爐內水冷壁面都發生了嚴重的磨損，從外表面看被摩擦得非常光亮，在標高27—38m的高位稀相區水冷壁也發生嚴重磨損，這種情況比較少見。
c)斜向磨損嚴重。從稀相區的磨損痕跡看存在著斜向的磨損。以2個旋風分離器入口煙窗之間的中心為界線，存在氣流從西墻一南墻一南煙窗逆時針螺旋向上，和從西墻一北墻一北煙窗順時針螺旋向上的氣流運動痕跡，其中南側墻磨損的比較嚴重。
對于循環流化床鍋爐由于內部有大量的物料存在，爐膛中心是煙氣夾帶著物料自下向上運動，在水冷壁四周是比較大的顆粒沿壁面附近由上向下的內循環物料。由于二次風速的不均勻、煙窗效應、水冷壁焊口、水冷壁壁面不平整、爐內水冷屏和屏過布置的不對稱、兩旋風分離器阻力的不均勻等因素，使得顆粒沿爐膛高度分布不均勻，并產生局部的渦流，在該爐設計爐膛速度較高和爐內循環物料比較大的情況下，形成了很嚴重的局部斜向磨損。
3、水冷壁磨損原因分析
流體或固體顆粒以一定的速度和角度對水冷壁表面的沖擊磨損，包括沖刷磨損和撞擊磨損。一般在循環流化床鍋爐受熱面的磨損中，床料顆粒與受熱面的沖擊角度在0。～904，因此循環流化床鍋爐受熱面的磨損是上述兩類磨損基本類型的綜合結果。水冷壁的磨損與固體物料的濃度、速度、顆粒特性和流道的幾何形狀等密切相關。
3.1爐膛截面積設計偏小
風速的大小對水冷壁的磨損影響很大，磨損量與煙氣速度成n(>3)次方的關系，其原因在于顆粒動能與其速度的平方成正比，磨損還與灰濃度（灰濃度與速度的1次方成正比）、灰粒度撞擊頻率因子和灰粒對磨損物體的相對速度有關。在運行總風量一定的情況下，截面積越大，流化風速和爐膛風速就越小。表2是國內幾個220～240t/hCFB鍋爐的爐膛截面積尺寸，盡管引起磨損的因素很多，但從表2中可明顯看出，爐膛截面積的大小與水冷壁磨損有著明顯的對應關系。該爐膛截面積大約是其他鍋爐的75%左右，爐膛煙氣速度最高，z若按3.3計算，平均磨損速度大約為其他爐型的2倍，其中局部速度就快，所以該爐膛截面積偏小是水冷壁磨損嚴重的主要原因之一。由于二次風管阻力隨風量的增加而顯著增大，最大的二次風量只能在12萬Nm3／h左右，由于床溫較低的因素，一次風量也不能多給，正常運行中氧量普遍較低，一般空氣預熱器入口在2%左右，進入爐內的總風量并不多。
3.2燃用煤種發熱量偏低
循環流化床鍋爐具有許多煤粉爐沒有的優勢，其中之一就是循環流化床鍋爐有很強的燃料適應性，所用燃料可以是各種各樣的煤，包括煤矸石。因為其底部存在一個物料濃度較大的密相區，爐膛運行溫度一般在850～950℃之間，是一個很大的“蓄熱池”，不同的燃料投入爐內都能較好地著火燃燒。但在強調燃料適應性的同時，往往忽視這個特點是針對循環流化床鍋爐燃燒方式而言。對于循環流化床鍋爐，不同燃料在鍋爐設計上有較大的差異，一種型號的鍋爐只能適應一定范圍的煤種。對于已經運行的鍋爐，當燃料變化偏離設計值較大時，鍋爐的運行特性會發生很大變化。因此鍋爐結構參數和設計需要考慮煤種的影響，尤其是爐膛高度應能保證燃料在爐內有足夠的停留時間，這與燃煤的揮發分有直接的關系，而爐膛截面積要與燃料的發熱量相對應。
設計煤種的低位發熱量為19. 679MJ/kg，根據2006年9月初由山西省煤炭地質研究所化驗的數據，實際運行中大約在14～16 MJ./kg，設計煤種的灰分在32.02%，實際運行中在40%—53%．隨著煤種灰份的增加，爐內循環灰的濃度也增加，同時水冷壁磨損的速度也加快。
3.3入爐煤細顆粒比例偏多
為了解電廠入爐的燃煤篩分特性，對進入鍋爐的燃煤粒徑分布進行了實驗，試驗結果見表3，小于1mm的比例為34. 977%，遠高于設計中不大于10%的要求。
在燃用煤種特性和運行特性一定時，旋風分離器的分離效率對爐內物料的循環倍率有很大關系，很顯然，效率越高循環倍率也就越大。從飛灰和循環灰的粒徑分布進行了試驗，鍋爐飛灰的質量平均粒徑為43. 324um，左右旋風分離器循環灰的質量平均粒徑分別為72.8um和72.9um。可看出，旋風分離器對粒徑小于50um的基本上不能捕捉到，而對于粒徑大于64um的分離效率很高。總地來說，該鍋爐分離器的分離效率比較高。
給煤中細顆粒的比例偏多，較高的分離器效率，使得鍋爐的循環倍率很高，即爐內循環物料的量很大，加快了水冷壁的磨損。
3.4灰顆粒表面棱角度大且硬度高
隨著燃用煤種發熱量降低，煤矸石的比例也增加，煤矸石及形成的灰的表面棱角度大、硬度高，而高熱值煤及形成的灰的表面光滑且硬度低，對水冷壁的磨損大不一樣。
3.5二次風速不均勻
從就地風門執行機構檢查，發現有的開關銷脫開，有的門銷焊口開裂，有的風門全開，有的風門全關，二次風出口速度嚴重不均勻，最小的只有8 m/s左右，最大的超過50 m/s，熱態工況下差值更大。由冷態風速試驗結果表明，二次風速的不均勻，導致煙氣和循環物料嚴重擾動，從爐內的磨損痕跡也可得到印證。
3.6爐底兩側床料粒度大小不均勻
爐底兩排渣口位置不一樣，排渣容易的一側排渣次數多，床料粒度比較細且大顆粒較少。相反，另一側床料粒度比較粗且大顆粒較多，形成爐內煙氣中灰濃度不均勻。
3.7水冷壁變形及焊接錯口
該爐曾發生過打炮爆管事故，爐膛有一定的變形、水冷壁焊接錯口，水冷壁面的不平整以及凸凹平臺的存在，形成局部渦流區的磨損。
4、防止磨損的對策
根據該鍋爐的爐膛截面積偏小的實際特點，減緩水冷壁的磨損速度，延長運行壽命，采取如下措施，以便把水冷壁的磨損速度控制在最小的程度。
a)把燃用煤種的發熱量盡量與本鍋爐設計煤種的低位發熱量為19.7MJ/kg基本接近，考慮到煤源緊張的實際情況，當煤值較差時要適當降低鍋爐出力。從煤源上把好關，防止在入爐煤中加入熱值很低的煤矸石和石子，嚴格控制入爐煤中大顆粒的數量。電廠從煤源上加大了管理力度，嚴格考核。表4是從2007年11月到2008年4月的期間燃用煤種的平均低位發熱量，與設計值比較接近。發熱量平均值達到了18 532MJ/kg。
b)修復各二次風門把柄和執行機構。通過調整并結合理論分析和實踐經驗，最后確定上、中、下3層二次風噴口的風速比為3:2:2。并力求在同一層內，各二次風噴口的風速基本一致。由于爐膛四周均勻送人的二次風對由一次風流化后的循環物料的作用相同，所以大大降低了循環物料在爐內的饒流，物料對爐內受熱面的沖擊磨損也隨之大大降低。同時，使得爐膛每一橫截面的物料分布更趨均勻，沿爐膛高度的物料濃度分布更趨合理，爐內局部不會形成高流速、高濃度的礬力場，爐內的局部磨損也就大大降低了。
c)控制合理的床壓。爐內床料量的多少，床壓的高低，直接影響著流化床鍋爐的配風、換熱、爐內各處溫度水平、鍋爐的燃燒效率及爐內物料場的分布，從而不可避免地對鍋爐運行和爐內受熱面的磨損產生影響。床壓頻繁波動，會導致鍋爐運行不穩，床溫忽高忽低，負荷時大時小，金屬在材料交變機械應力和熱應力作用下會提前產生疲勞損壞。所以控制床壓在合理的范圍內穩定運行，采取“少量多次”的排渣原則，盡量減少床壓的波動，以確保在目前間斷排渣的情況下盡量接近連續排渣的效果，并規定大負荷時維持床壓5—6kPa，小負荷時維持床壓4—5kPa。
d)運行中在保證流化的情況下控制一次風量，適當增大二次風量以滿足燃燒所需的氧量，杜絕大風量運行，控制煙氣速度，并且及時根據來煤變化調整一、二次風配比及風、煤配比。
e)加強檢修質量。對于更換受熱管時應將焊接口上下對齊，防止大的錯口，焊接口一定要打磨光滑，確保受熱面的焊縫過渡處表面光滑平整。對壁厚已磨損30%的進行徹底更換，大約總長度達610 m，包括相應鰭片焊縫約2 500 m。并加強對爐內防磨澆注料施工工藝的管理，在澆注料的開始和收尾處保證圓滑過渡。
f)在爐內后墻17 m標高處加裝了防磨圈梁。防磨圈梁由可磨澆注料制成，在爐內稀相區下部加裝防磨罔梁后能有效地減緩自爐膛上部沿水冷壁下行的內循環物料的流速，減小內循環物料對澆注料與水冷壁過渡區域受熱面的磨損。
在采取上述措施后，自2007年10月31日啟動至4月16日供暖結束，長周期運行達168 d，此間承壓受熱面、管道、聯箱等部位均未發生泄漏，停爐后對受熱面檢查，發現爐內受熱面整體磨損程度較2006年大修時速度明顯減小，局部磨損范圍縮小，爐內水冷屏、汽冷屏及水冷壁管子受橫向沖擊磨損的程度明顯減縵，取得了較好的經濟效果。
5、結論
對于水冷壁的磨損問題，首先必須從設計上進行全面考慮，才能根本解決或減緩，特別是爐膛的截面積的大小，應引起高度的重視；其次要燃用與設計煤種基本接近的煤種，選用完善的原煤破碎設備和篩分裝置，保證人爐煤的粒度，控制細顆粒的比例；另外要進行鍋爐冷態風速試驗，保證各二次風速的均勻性，按照優化的參數運行；最后要加強安裝質量，提高工藝檢修，富通新能源不但生產銷售生物質鍋爐，而且大量銷售生物質鍋爐燃燒專用的生物質顆粒燃料，生物質顆粒燃料主要由木屑顆粒機壓制生產而成。
