代澤華 龔蓮輝 龔興利 營利萍 辛勝偉

1）四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司 四川內(nèi)江641005 2）無錫市宜剛耐火材料有限公司 江蘇宜興210000 3）神華集團(tuán)循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心 陜西西安710065

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐旋風(fēng)分離器是鍋爐的關(guān)鍵部件，主要作用是將大量高溫固體物料從氣流中分離出來，送回爐膛，以維持爐膛內(nèi)的快速流化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)燃燒反應(yīng)，達(dá)到理想的燃燒效率和脫硫效果［1－3］。因此，循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器的性能優(yōu)劣及運行的穩(wěn)定性，將直接影響整個鍋爐的效率及運行壽命。在CFB鍋爐的燃燒工況下，固體顆粒對受熱面的磨損，一直是制約CFB鍋爐經(jīng)濟(jì)運行和發(fā)展的關(guān)鍵問題。CFB鍋爐內(nèi)部存在不同速度、不同角度、不同濃度的高溫物料，它們以各種形式作用于內(nèi)襯，加之腐蝕性氣體和其他介質(zhì)的存在，形成了復(fù)雜的磨損過程［4－5］。

隨著循環(huán)流化床鍋爐大型化的發(fā)展，對旋風(fēng)分離器內(nèi)部耐磨結(jié)構(gòu)有更高的要求，它不但要能處理大容量的煙氣，還要在高溫、高速磨損等惡劣環(huán)境中可靠、穩(wěn)定運行［6－7］。因此，設(shè)計、優(yōu)化、改進(jìn)高溫旋風(fēng)分離器耐磨內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，提高分離器耐磨性和抗沖擊性，提高鍋爐可用率，在大型循環(huán)流化床鍋爐上發(fā)揮其更大作用，有著特別重要的意義。

1 分離器工作原理及耐磨層結(jié)構(gòu)

絕熱式高溫旋風(fēng)分離器是目前循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用最多的旋風(fēng)分離器，有技術(shù)成熟、造價相對較低等優(yōu)勢［8］。白馬公司引進(jìn)的300 MW 循環(huán)流化床鍋爐采用了4臺絕熱式高溫旋風(fēng)分離器，對稱布置在鍋爐的兩側(cè)。旋風(fēng)分離器由中心筒、頂蓋、上部圓筒體和下部錐體組成。中心筒采用高溫不銹鋼鋼板卷制而成，頂蓋、上部圓筒體和下部錐體由碳鋼板卷制而成。分離器運行溫度900℃，內(nèi)部受到高溫?zé)煔鉀_刷，易磨損。因此，在頂蓋、上部圓筒體和下部錐體等區(qū)域內(nèi)壁采用保溫＋耐磨材料，總厚度400 mm。旋風(fēng)分離器內(nèi)煙氣流動的動力來源于引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓，在中心筒內(nèi)的負(fù)壓大于分離器煙氣進(jìn)口的負(fù)壓，煙氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器后旋轉(zhuǎn)下行，再經(jīng)中心筒上行排出。在旋轉(zhuǎn)的過程中，較大的顆粒在中心外層，對上部圓筒體沖擊較大，循環(huán)灰的濃度大，加之分離器入口處的煙氣流速達(dá)到29 m·s－1。因此上部圓筒體內(nèi)壁磨損嚴(yán)重。經(jīng)過多年的運行，發(fā)現(xiàn)分離器上部圓筒體煙氣進(jìn)口正對側(cè)位置（靶區(qū)）磨損最嚴(yán)重，說明煙氣顆粒在此位置的沖擊比其他位置的多，形成了旋渦。

該絕熱分離器在直段和錐段全部采用保溫磚＋耐磨磚磚墻結(jié)構(gòu)，靶區(qū)采用了保溫磚＋高強(qiáng)高鋁耐磨磚。分離器頂部耐磨磚不容易固定，采用耐磨噴涂料＋保溫噴涂料，老鷹嘴等異型區(qū)域采用保溫澆注料＋耐磨澆注料。分離器體積大，直徑8 750 mm，高度17 348 mm。一臺分離器僅絕熱保溫磚、耐磨磚總質(zhì)量就達(dá)350 t。

2 絕熱式分離器磚墻耐磨結(jié)構(gòu)存在的問題

絕熱式分離器磚墻耐磨結(jié)構(gòu)采用錨固件與殼體焊接，通過錨固件將錨固磚固定。錨固件一般垂直布置在靶區(qū)和水平布置在直段與錐段交接處。整個分離器直段和錐段磚墻靠楔形磚磚磚相扣圍成圓形。運行過程中主要存在問題為：

（1）磚縫增大造成耐磨磚脫落。耐磨磚的灰縫飽滿度要求必須大于90%，灰縫控制在1.5～2 mm［3］。因機(jī)組長期運行沖刷磨損，造成磚縫過大，導(dǎo)致物料先磨損磚縫內(nèi)灰漿繼而影響到耐磨磚墻體的整體穩(wěn)固性，導(dǎo)致耐磨磚大量脫落甚至磚墻倒塌。

（2）膨脹縫破壞，縫區(qū)耐磨磚斷裂。在分離器筒體直段與頂部、直段與錐段、入口煙道與直段等區(qū)域磚墻體設(shè)計安裝了集中膨脹縫。CFB鍋爐在高溫下運行和頻繁啟停過程中，爐內(nèi)溫度變化較為頻繁，造成循環(huán)冷熱沖擊。同時，爐內(nèi)存在大量較復(fù)雜的高溫氣固兩相流動，這些高速運動的高溫固體粒子在動能的作用下對分離器集中膨脹縫形成不間斷的強(qiáng)力沖刷。分離器內(nèi)，一方面大量高速運動的高溫固體粒子不斷沖刷耐磨磚而使其破壞；另一方面因爐內(nèi)溫度波動、熱沖擊及機(jī)械應(yīng)力等造成耐磨材料產(chǎn)生裂紋和剝落，造成耐磨磚膨脹縫增大，縫區(qū)域耐磨磚斷裂或墻體內(nèi)凸，使得分離器內(nèi)墻體大面積脫落。

（3）分離器殼體腐蝕，錨固件斷裂。煙氣中的SO2通過磚縫滲透到金屬殼體，造成殼體腐蝕嚴(yán)重，固定支撐件與鋼板斷裂、脫離，造成墻體傾斜、倒塌。

（4）卸載托板高溫變形，造成磚墻間隙大。在分離器水平段安裝卸載托板，托板采用310S不銹鋼板制作，長期高溫運行，卸載托板變形嚴(yán)重，高溫物料通過間隙容易進(jìn)入墻體內(nèi)，使墻體內(nèi)凸嚴(yán)重，造成墻體垮塌。

磚縫增大，錨固件斷裂，卸載托板高溫變形，膨脹縫破壞等因素容易造成磚墻體松動、脫落，甚至垮塌，從而導(dǎo)致分離器殼體超溫、殼體發(fā)紅。同時大量脫落的耐磨磚堆積在回料器內(nèi)，造成回料器內(nèi)堵塞，管道壓力高，返料物不能回到外置床內(nèi)，造成外置床內(nèi)高溫再熱器、中溫過熱器氣溫溫度低，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運行，甚至造成停機(jī)。

3 采取的措施

分離器內(nèi)襯工作層要求具有耐高溫、高耐磨、抗沖擊、抗熱震等性能，保溫層要求具有耐高溫、線變化率小、熱導(dǎo)率低等，以適應(yīng)分離器的運行工況［9］。

3.1 耐磨及保溫材料選取

工作層采用SiC耐磨可塑料，其物理性能見表1。可見，該可塑料具有優(yōu)良的耐磨性能、較高的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度、較低的氣孔率、好的抗熱震性、抗氧化性和抗腐蝕性。安裝操作簡便，適應(yīng)于任何形狀表面的施工。在靶區(qū)部位施工時，要求在耐磨可塑料中添加不銹鋼纖維，以增強(qiáng)可塑料的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并提升墻體的抗剝落能力。保溫層采用輕質(zhì)保溫可塑料，其物理性能見表2。

表1 SiC耐磨可塑料的物理性能

表2 輕質(zhì)保溫可塑料的物理性能

3.2 錨固件選取及焊接

金屬錨固件既作為爐墻內(nèi)襯的質(zhì)量支撐件又起到了水平抓固的作用，將不定形耐磨保溫材料牢固固定于分離器殼體上，有效防止耐磨材料脫落。金屬錨固件采用了材質(zhì)為310S、尺寸395 mm×40 mm×4 mm、規(guī)格為Y型扁鋼連體抓釘，典型部位每平方米33件，上下排錯列排布，轉(zhuǎn)角部位加密布置。錨固件典型布置圖見圖1。在分離器殼體內(nèi)壁按150 mm×200 mm典型間距焊接材質(zhì)310S Y395型耐熱抓釘，要求雙面焊接，焊縫高4 mm。

圖1 金屬錨固件典型布置圖

3.3 內(nèi)襯施工

（1）內(nèi)襯結(jié)構(gòu)：保溫層施工250 mm厚的輕質(zhì)保溫可塑料，耐磨層施工150 mm厚的SiC耐磨可塑料。靶區(qū)區(qū)域耐磨層采用加鋼纖維的SiC耐磨可塑料?？伤芰媳仨毮鏆饬鞣较蚴┕ぃ乐故┕たp和氣流貫穿沖刷。

（2）膨脹縫設(shè)置：耐磨可塑料的修復(fù)區(qū)按1 200 mm×1 200 mm切割膨脹縫，膨脹縫錯列布置，深度為50 mm，寬度為3 mm。

（3）排汽孔：用針按300 mm×300 mm間距在耐磨可塑料刺扎全厚深度150 mm的排汽孔。

（4）外側(cè)鋼板排濕孔：在檢修部位外側(cè)鋼板處開設(shè)排濕孔，排濕孔數(shù)量為每平方米4個。烘爐結(jié)束后對該排濕孔進(jìn)行封焊處理。

3.4 分離器各區(qū)域膨脹縫設(shè)置

分離器膨脹系統(tǒng)分為兩大類：一類是爐墻內(nèi)襯與相鄰的爐墻內(nèi)襯之間的膨脹，此類膨脹需將鍋爐的膨脹與耐火材料爐墻的膨脹綜合考慮，確定科學(xué)、合理的膨脹縫形式及尺寸；另一類是耐火材料自身的膨脹，如磚墻或不定形耐火材料，此類膨脹需耐火材料供應(yīng)商基于所選耐火材料內(nèi)襯的理化特性、試驗數(shù)據(jù)等，確定精確、恰當(dāng)?shù)呐蛎浛p形式及尺寸。

分離器直段與頂部、入口煙道等區(qū)域接口處為膨脹集中區(qū)域，該區(qū)域膨脹縫設(shè)計很重要，垂直膨脹縫及水平膨脹縫計算見表3，其膨脹縫的設(shè)計見圖2。

表3 分離器直段與頂部、入口煙道等區(qū)域接口處膨脹縫的計算

圖2 分離器直段與頂部、入口煙道等區(qū)域接口處膨脹縫設(shè)置

各膨脹縫設(shè)計如下：1）分離器直段墻體與頂部的膨脹縫為七字型，縫寬為30 mm，見圖3所示的墻與頂部膨脹縫設(shè)置圖，縫內(nèi)填充陶瓷纖維制品。分離器頂部一般采用耐磨澆注料或耐磨噴涂料，該區(qū)域磨損量少，頂部耐磨層更換修復(fù)量少。2）直段處直徑方向設(shè)置三道膨脹縫，均為七字型。第一處膨脹縫在老鷹嘴相鄰邊，縫寬20 mm，第二處在長墻切線處，縫寬20 mm，第三處在一與二中間位置設(shè)置，縫寬為20 mm。七字型膨脹縫見圖4所示的分離器直段中間及直徑方向膨脹縫設(shè)置圖。3）高度方向中部設(shè)置一道寬20 mm的七字型膨脹縫。4）典型膨脹縫的留設(shè)：為了防止施工中大面積耐火材料在受熱后因膨脹不均而造成不規(guī)則的裂縫，耐磨可塑料修復(fù)區(qū)域按1 200 mm×1 200 mm切割膨脹縫，膨脹縫錯列布置，深度為50 mm，寬度為3 mm，見圖5所示的典型膨脹縫設(shè)置圖。典型膨脹縫寬度計算也參考表3。新舊材料接縫寬度10 mm，填充陶瓷纖維制品，在其后部設(shè)計擋火塊，形成折縫，見圖6所示的新舊材料接縫設(shè)置圖。

圖3 墻與頂部膨脹縫設(shè)置圖

圖4 分離器直段中間及直徑方向膨脹縫設(shè)置圖

圖5 典型膨脹縫設(shè)置圖

圖6 新舊材料接縫設(shè)置圖

3.5 內(nèi)襯烘烤

烘烤工作通過分階段加熱、恒溫烘烤，蒸發(fā)耐磨保溫材料中的游離水和結(jié)晶水，從而使耐火材料達(dá)到設(shè)計的性能［10］。為防止烘爐和點火啟動過程中升溫過快，由于產(chǎn)生的水蒸氣不能及時排出，造成耐磨層爆裂破壞；為防止耐磨層內(nèi)溫度梯度大，產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，造成耐磨層開裂和脫落。必須嚴(yán)格按烘爐升溫曲線進(jìn)行烘爐，嚴(yán)格按點火啟動升溫曲線進(jìn)行點火啟動。制定的內(nèi)襯烘烤程序為：1）低溫階段，即自室溫至350℃，控制升溫速率≤30℃·h－1，降溫速率≤30℃·h－1，并分階段長時間保溫烘烤，完成耐磨耐火材料的初步固化。2）中、高溫階段，自350℃至800℃，可以通過試投燃料煤加熱爐膛，升溫速率達(dá)80℃·h－1，使耐火材料進(jìn)一步固化和燒結(jié)，性能趨于穩(wěn)定。

4 使用效果

針對白馬300 MW 高溫絕熱式分離器長時間運行，墻體的膨脹縫和耐火磚縫間隙增大，造成耐火磚大面積脫落問題，工作層采用SiC質(zhì)耐磨可塑料，保溫層采用輕質(zhì)保溫可塑料。先在外筒壁上焊接耐熱錨固件，再敷設(shè)輕質(zhì)保溫可塑料和SiC質(zhì)耐磨可塑料，這樣就解決了大面積使用耐磨磚造成磚墻垮塌而引起的外筒發(fā)紅等問題。同時，采用可塑料搗打施工，工序簡單、水分少，在保證使用效果的前提下盡可能地縮短檢修周期和烘烤養(yǎng)護(hù)時間。經(jīng)改進(jìn)后的高溫絕熱式分離器使用5年，再無殼體發(fā)紅現(xiàn)象，內(nèi)部耐火材料無脫落、垮塌情況，改進(jìn)效果明顯。