循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展早期對耐火材料的耐磨問題并沒有引起人們的重視，直到隨著高流化風(fēng)速鍋爐的產(chǎn)生，鍋爐耐磨耐火襯里不斷發(fā)生損壞，造成事故，鍋爐的內(nèi)襯材料問題才引起了人們的注意。
早期投運(yùn)的循壞流化床鍋爐存在受熱面和鍋爐內(nèi)襯磨損的嚴(yán)重問題，最大持續(xù)運(yùn)行時(shí)間短，常見的故障為：燃燒室與旋風(fēng)分離器內(nèi)襯磨損、脫落及旋風(fēng)分離器腿及物料回送系統(tǒng)堵灰等現(xiàn)象。而內(nèi)襯耐磨耐火材料的矛盾尤為突出。
某工程兩臺鍋爐為濟(jì)南鍋爐的中溫次高壓循壞流化床鍋爐。該設(shè)備分為兩部分：第一部分由爐膛(快速流化床)、汽固物料分離設(shè)備-旋風(fēng)分離器、返料器和回送管路;第二部分分為對流煙道內(nèi)布置二級預(yù)熱器。整個(gè)燃燒在較高流化風(fēng)速下進(jìn)行的，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)流態(tài)化的固料(包括燃料，殘?zhí)浚以岸栊源擦系?經(jīng)由爐膛、水平煙道，然后以20m/s的速度進(jìn)入旋風(fēng)分離器。床料經(jīng)旋風(fēng)分離器、返料器和回送管路組成的外循壞又回到了燃燒室。除在這一回路中作外循環(huán)流動外，在重力作用下，床料還在爐內(nèi)不斷的進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。離開旋分器的煙氣所攜帶的微細(xì)顆粒經(jīng)斜煙道、尾部煙道進(jìn)入電除塵收集除去。
以本項(xiàng)目運(yùn)行出現(xiàn)的問題為例，對循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)襯澆注料損壞及預(yù)防分析如下：
循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)襯體耐火材料
耐火材料的質(zhì)量直接關(guān)系到鍋爐的可靠運(yùn)行問題，過去傳統(tǒng)的耐火材料不能滿足流化床爐內(nèi)惡劣的運(yùn)行條件，耐磨耐火材料問題是制約早期流化床鍋爐發(fā)展的瓶頸。耐火材料的主要作用是防止鍋爐高溫?zé)煔夂臀锪蠈饘贅?gòu)件的高溫氧化腐蝕和磨損，兼有隔熱作用。以耐磨耐火材料來保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)，是提高其使用壽命，保證循環(huán)流化床鍋爐長周期可靠運(yùn)行的主要措施。
循環(huán)流化床爐內(nèi)的澆注料損壞的主要原因
熱應(yīng)力破壞
由于溫度循環(huán)波動和熱沖擊造成耐火材料產(chǎn)生裂紋和剝落。溫度循環(huán)波動時(shí)，由于耐火材料骨料和粘合料之間熱膨脹系數(shù)不同而形成內(nèi)應(yīng)力，從而破壞耐火材料層，產(chǎn)生裂紋。當(dāng)溫度快速變化時(shí)，會造成熱沖擊，可使耐火材料內(nèi)的應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度而剝落，耐磨耐火澆注料有一項(xiàng)理化指標(biāo)稱熱震穩(wěn)定性，就是將1000℃高溫耐火材料立即水冷而不產(chǎn)生裂紋的次數(shù)。
當(dāng)床料進(jìn)入耐火材料裂縫后，耐火材料又在溫度變化下，反復(fù)膨脹與收縮變化時(shí)，就會產(chǎn)生擠壓剝落。
由于種種原因該熱電公司鍋爐啟停頻繁，有時(shí)在爐膛高溫狀態(tài)下打開爐門清理結(jié)焦，造成冷風(fēng)進(jìn)入高溫爐膛。有時(shí)熱態(tài)壓火，提火溫升過快;有時(shí)因爐頂護(hù)板密封不好漏入雨水等等都會對耐磨耐火內(nèi)襯體造成極為有害的熱沖擊。應(yīng)要求：運(yùn)行平穩(wěn)操作，嚴(yán)格控制爐膛溫度波動，嚴(yán)格控制點(diǎn)火啟動溫升速率。
汽固流磨損
在早期，人們很容易判斷的磨損破壞現(xiàn)象與溫度裂紋、剝落表現(xiàn)特點(diǎn)完全不相同。磨損與固體物料濃度，速度(大小與方向)，顆粒特性和流道幾何形狀等密切相關(guān)。在循環(huán)流化床鍋爐中，受熱面和內(nèi)襯耐火材料受到大量固體物料不斷沖刷而損壞(其物料濃度為煤粉爐的幾十倍到上百倍)。有研究表明：磨損率與風(fēng)速的3.6次方成正比，與顆粒濃度、質(zhì)量、硬度成正比。
爐內(nèi)氣固流特性還與顆粒撞擊磨損面的入射角有關(guān)，入射角90℃時(shí)磨損最嚴(yán)重。爐內(nèi)氣固流也會因流場的變化及流體內(nèi)局部壓力變化而產(chǎn)生擾動或形成渦流，造成局部嚴(yán)重磨損。
本工程檢查2#爐燃燒室時(shí)，發(fā)現(xiàn)在落煤口以上100mm左右堅(jiān)硬的磷酸鹽耐磨耐火澆注料上出現(xiàn)了幾個(gè)大小、高度相似的深坑(約180×300×30)。電廠從運(yùn)行上查找原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：出現(xiàn)這種現(xiàn)場原因一般為燃煤水粉太多，進(jìn)入950℃高溫的爐膛后，煤中水分瞬間汽化膨脹與流速較大的一二次風(fēng)形成氣固渦流，或者爐膛密相區(qū)部分二次風(fēng)口堵塞、湍流擾動等，從而對燃燒室密相區(qū)局部進(jìn)行強(qiáng)力沖刷所致。
1#爐水冷風(fēng)室一次風(fēng)入口對面水冷壁澆注料磨損很嚴(yán)重。原因：因一次風(fēng)量大，造成爐床風(fēng)帽18只磨穿，大量床料漏入冷風(fēng)室，與一次風(fēng)形成氣固流旋渦，造成異常磨損。
外部應(yīng)力作用
外部應(yīng)力會造成耐磨耐火材料裂縫和剝落。由于與穿過耐火材料層的金屬件間熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，使材料產(chǎn)生裂縫和剝落;點(diǎn)火啟動時(shí)，如果鍋爐爐膛中存在的可燃混合物濃度過大，而發(fā)生爆燃，對爐膛及耐火材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊破壞等原因。該熱電工程2#爐在開著引風(fēng)機(jī)進(jìn)行鍋爐點(diǎn)火時(shí)，油槍進(jìn)油門打開后，因電打火問題，較長時(shí)間不能點(diǎn)燃，致使?fàn)t膛吸入大量的油氣混合物，最后點(diǎn)燃時(shí)，發(fā)生爐膛爆燃，造成耐磨耐火材料裂縫和剝落。
還有一種情況屬外營力損壞，即烘爐時(shí)間不合格，導(dǎo)致鍋爐內(nèi)襯結(jié)構(gòu)內(nèi)部大量水分未烘出來，當(dāng)鍋爐點(diǎn)火供汽急驟升溫時(shí)，在高溫下耐火材料中的水分迅速氣化、膨脹，當(dāng)材料中的水汽壓力大于材料強(qiáng)度時(shí)，則使襯體降低強(qiáng)度產(chǎn)生裂紋或“蓬松”、大面積剝落等。
因此鍋爐砌爐完成后，點(diǎn)火啟動投用之前的烘爐質(zhì)量對內(nèi)襯耐火材料的強(qiáng)度和使用壽命影響很大。烘爐的作用是析出鍋爐耐磨耐火材料中含有的游離水和結(jié)晶水，不同的材料要求的溫度不同，一般游離水在100~150℃溫度下大量排除，結(jié)晶水在300~400℃時(shí)析出。
烘爐主要范圍：爐膛，水冷風(fēng)室，頂燃室，旋風(fēng)分離器與料腿，返料器及回送管路。
通常烘爐要求與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和材料性能有關(guān)，對于輕型爐墻(如濟(jì)鍋本型號爐爐膛燃燒室，水冷室內(nèi)襯厚度為60mm)要比重型爐墻，(如同型號爐旋風(fēng)筒為耐火、保溫復(fù)合襯體結(jié)構(gòu)厚度為近400mm)容易的多，且時(shí)間短。必須根據(jù)每臺爐的特點(diǎn)和耐火材料的不同要求來編制烘爐方案。一般烘爐分三個(gè)階段，第一階段為排出游離水，緩慢升溫至110~150攝氏度，恒溫保溫一定時(shí)間(可根據(jù)耐火材料特性和爐墻結(jié)構(gòu)確定最佳時(shí)間)完成第一階段烘爐;接著繼續(xù)升溫，并在350℃左右時(shí)恒溫保溫一段時(shí)間，完成結(jié)晶水析出過程。第三階段為高溫烘爐，一般在煮爐之前，烘爐質(zhì)550~650℃恒溫保溫至規(guī)定時(shí)間，然后升溫投煤開始煮爐。
對于系列高強(qiáng)澆注料一般要求第二階段溫度在220~250℃左右恒溫保溫。
本工程鍋爐冷風(fēng)室，旋風(fēng)分離器頂部耐磨耐火澆注料先后投用時(shí)間很短就發(fā)生裂紋，脫落甚至酥皮。經(jīng)檢查1#爐烘爐記錄冷風(fēng)室烘爐最高溫度只有90℃左右，毫無疑問游離水、結(jié)晶水在此溫度下難以排出來。其他原因總結(jié)為：質(zhì)量檢驗(yàn)，溫度測點(diǎn)，監(jiān)視措施以及烘爐要點(diǎn)幾堆“火”的問題。因?yàn)檠h(huán)流化床爐的特點(diǎn)是烘爐“死角”多，必須全部烘到位。要求：用木柴烘爐至少要點(diǎn)“4堆火”，爐膛燃燒室，冷風(fēng)室，返料器，旋風(fēng)分離器錐形筒底部。由于施工單位未能認(rèn)真考慮“死角”問題，且旋風(fēng)分離器內(nèi)部也沒裝設(shè)溫度及檢測，致使點(diǎn)火烘了一段時(shí)間，即下令停止一、二階段烘爐了。烘爐適量不合格只有待鍋爐投用后真正檢驗(yàn)出來了。
循環(huán)流化床鍋爐使用耐磨耐火材料的重要區(qū)域：如果沿著煙氣流向看，旋風(fēng)分離器出口以前的各部位，包括爐膛燃燒室、爐膛出口煙道、旋風(fēng)分離器及料腿、返料器和回送管路等主要區(qū)域;預(yù)燃器和水冷室則主要要求抗熱沖擊性能好的耐火材料等，抗磨損性能不是主要的。
各種鍋爐用普通耐火混凝土，雖然流化床鍋爐早期也采用過，但實(shí)踐證明不能滿足循環(huán)流化床鍋爐重要區(qū)域的要求，因?yàn)椋耗突鹚嗄z結(jié)料、水玻璃膠結(jié)料混凝土強(qiáng)度隨著使用溫度的升高而大幅下降。
磷酸鹽澆注料一般不要求常溫強(qiáng)度，只有達(dá)到該材料燒結(jié)溫度并燒結(jié)后物理性能才能穩(wěn)定，耐磨性才能得到發(fā)揮。而循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)對于煤粉爐，在850~950℃之間，屬于低溫燃燒型，不能達(dá)到普通耐火材料的燒結(jié)溫度。
循環(huán)流化床鍋爐的燃燒是高速度，高濃度，高通量，大顆粒固體物料流態(tài)化循環(huán)過程。
循環(huán)流化床鍋爐的固有特性決定了其對設(shè)備的磨損是不可避免的，為了保證鍋爐長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長設(shè)備使用壽命，各國對循環(huán)流化床耐磨耐火材料的研究取得了突破性進(jìn)展。
鄭州駒達(dá)新材料科技有限公司研究的循環(huán)流化床鍋爐用耐磨耐火澆注料，為推動循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)。
耐磨耐火澆注料的理化指標(biāo)
體積密度：耐磨耐火澆注料可分為粘土質(zhì)與高鋁質(zhì)，粘土質(zhì)密度較高鋁質(zhì)小，而高鋁質(zhì)密度隨著Al2O3的含量增大而增大，同時(shí)其強(qiáng)度，耐磨性也隨之增大，但抗熱震穩(wěn)定性會減弱。當(dāng)抗壓強(qiáng)度由60MPa增大到80MPa時(shí)，其質(zhì)量平均值由30cm3減少到16cm3，抗壓強(qiáng)度高于120MPa時(shí)磨損量確保低于12cm3，高于140MPa，磨損量可低于4cm3。
現(xiàn)在許多耐磨耐火澆注料都增加可燒盡的不銹鋼纖維絲，以提高耐磨性。
對于爐膛、旋風(fēng)筒等等部位在高溫下遭受氣固流的強(qiáng)烈沖刷，故要求較高的強(qiáng)度和耐磨性。但對于冷風(fēng)室、點(diǎn)火器等耐磨性、強(qiáng)度將不是重要的，抗熱震穩(wěn)定性變的很重要。因?yàn)樵摬课唤?jīng)常收到熱沖擊，每次鍋爐啟動時(shí)點(diǎn)火油槍一點(diǎn)，該部位的溫度立即就升高到500~700℃。抗熱震穩(wěn)定性，是將1000℃高溫耐火澆注料水冷而不損壞的最大次數(shù)。耐火材料燒后的線性變化率越小，就越不會產(chǎn)生溫度裂紋。
循環(huán)流化床鍋爐用澆注料的特點(diǎn)
流化床鍋爐用耐磨耐火澆注料與以前普通澆注料不同的特點(diǎn)是：施工方便，早期強(qiáng)度和中高溫度強(qiáng)度高，它在常溫下施工后自然養(yǎng)護(hù)24小時(shí)候脫模，再自行養(yǎng)護(hù)24小時(shí)，強(qiáng)度就能達(dá)到40MPa以上。110℃烘干后強(qiáng)度可達(dá)到牌號標(biāo)準(zhǔn)值后，隨著溫度的升高強(qiáng)度也在提高，耐磨性能、抗熱震穩(wěn)定性良好，而傳統(tǒng)的澆注料110℃烘干后隨能達(dá)到較高溫度，但隨著溫度升，強(qiáng)度下降，熱態(tài)強(qiáng)度低，耐磨性差，抗熱穩(wěn)定性差，故不能適應(yīng)循環(huán)流化床的要求。
鍋爐耐火襯里砌筑工程與普通安裝工程，建轉(zhuǎn)工程不同，有其獨(dú)特的特點(diǎn)和專業(yè)技術(shù)要求等，這決定了對筑爐施工單位和耐火材料生產(chǎn)商的選擇十分重要。循環(huán)流化床鍋爐耐火內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的使用壽命與電廠運(yùn)行操作及燃料特性有著重大關(guān)系，必須正確地分析損壞原因，采取積極的防范措施。
