循環(huán)流化床鍋爐耐火材料的選用

循環(huán)流化床鍋爐耐火材料的選用1CFBB的磨損與防護(hù)CFBB以其燃料適應(yīng)范圍廣、廉價(jià)脫硫、控制污染物排放、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和灰渣綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，成為清潔燃燒技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向，受到各國普遍關(guān)注，是解決節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境兩大難題的一條新途徑。從80年代初國內(nèi)開始開發(fā)CFBB，并有一批35t/h、75t/h、220t/h和410t/h的CFBB投入商業(yè)運(yùn)行。CFBB與傳統(tǒng)的煤粉鍋爐不同，爐內(nèi)床料在煙氣攜帶下沿爐膛上升，經(jīng)爐膛上部出口進(jìn)入分離器，在分離器中進(jìn)行氣、固兩相分離，被分離后的煙氣經(jīng)分離器上部出口，進(jìn)入鍋爐尾部煙道，被分離出來的固體粒子，經(jīng)回料閥再返回爐膛下部（見CFBB防磨位置示意圖）。在CFBB的運(yùn)行中，含有燃料、燃料灰、石灰石及其反應(yīng)產(chǎn)物的固體床料，在爐膛一分離器一回料閥一爐膛這一封閉循環(huán)回路里處于不停的高溫循環(huán)流動(dòng)中，并在爐內(nèi)以850°C?900°C進(jìn)行高效率燃燒及脫硫反應(yīng)。除床料在這一回路中作外循環(huán)流動(dòng)外，床料在重力作用下，在爐內(nèi)不斷地進(jìn)行內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。因此，在循環(huán)回路的相應(yīng)部位必然產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。磨損不僅影響鍋爐的安全運(yùn)行，還限制了這類鍋爐的一些優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮；磨損給鍋爐造成的直接危害是使承受內(nèi)壓的受熱面金屬管子壁厚減薄直至爆管停爐；磨損使鍋爐的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增大，機(jī)組利用率降低，給用戶造成巨大的損失。磨損是煤或灰粒以某一角度（0°?90°）撞擊受熱面管子表面，引起沖蝕磨損，造成管子表面金屬流失。沖蝕磨損主要是沖擊與切削的作用，而切削是最主要因素，固體粒子作為微小切削工具在相對(duì)較軟的金屬表面上滑動(dòng)切削出槽溝的痕跡。磨損是非常復(fù)雜的失效過程，不僅受力學(xué)原因的影響，同時(shí)還與材料、環(huán)境、介質(zhì)等多種因素密切相關(guān)oCFBB受熱面管子的磨損是受煤粒子與灰粒子濃度、粒子特性、流道幾何形狀影響的。在固體粒子濃度較高區(qū)域，磨損主要取決于固體粒子及煙氣流與受熱面管子的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，磨損與煙氣流速密切相關(guān)，固體粒子的速度是影響磨損的主要因素，因此嚴(yán)重磨損的部位通常發(fā)生在粒子流速突變區(qū)域。CFBB的受熱面磨損主要發(fā)生在燃燒室下部、爐膛上部出口周圍及布置在燃燒室中屏式受熱面的下部。1?燃燒室下部；2?水冷屏或過熱器屏；3?燃燒室出煙口；4?分離器出口煙道；5?分離器；6?返料裝置目前CFBB的防磨措施多采用敷設(shè)較厚的非金屬耐火磚、澆注料或可塑料。根據(jù)現(xiàn)已掌握的有關(guān)資料，國外早期投入的CFBB和國內(nèi)的一些CFBB的事故停爐，多數(shù)原因是由于物料的沖刷磨損造成耐火材料失效、脫落，阻塞排渣口和物料循環(huán)回路，使受熱面被磨損造成爆管。沖刷磨損是CFBB本身的特性，這就要求有關(guān)工程技術(shù)人員對(duì)CFBB用耐火材料的選用、施工和檢修有一個(gè)深入了解，開發(fā)出綜合性能優(yōu)異的耐火材料，并執(zhí)行嚴(yán)格規(guī)范的施工質(zhì)量保證體系，就能滿足CFBB的要求。2耐火材料失效的原因CFBB在我國是新生事物，還缺乏經(jīng)驗(yàn)，特別是大型的CFBB在選用材料上，尚有很多問題需要解決，其中耐火材料的耐磨性問題就是一大難題。由于各種耐火材料的綜合理化性能不同，根據(jù)使用部位、用途及鍋爐特性不同，合理選擇耐火材料至關(guān)重要。從目前有關(guān)資料和使用情況來看，CFBB用耐火材料易出現(xiàn)失效是由多種因素造成的。沖刷磨損是各種CFBB用耐火材料必須面對(duì)的問題，由于鍋爐本身的特性，在運(yùn)行中耐火材料每天要受到燃料、燃料灰、石灰石及其反應(yīng)產(chǎn)物的固體床料的磨損。煤種不同其化學(xué)成分、揮發(fā)份和灰份不同，對(duì)耐火材料的沖刷速度也不同，熱態(tài)下對(duì)耐火材料的磨損也不同。另外爐子的大小、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和流速都與沖刷有直接關(guān)系，這些問題需要實(shí)際試驗(yàn)與論證，才可把沖刷磨損降到最低限度。鍋爐結(jié)構(gòu)特殊部位常常會(huì)引起耐火材料的提前失效，尤其是爐膛上部出口及分離器上部的耐火材料在熱循環(huán)和機(jī)械振動(dòng)共同作用下，經(jīng)常產(chǎn)生塌落，這些必須從設(shè)計(jì)、選材和安裝上綜合考慮解決。耐火材料隨溫度的升降，產(chǎn)生膨脹或收縮，如果此膨脹或收縮受到約束，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。耐火材料是非均質(zhì)的脆性材料，與金屬制品相比，由于它的熱導(dǎo)率和彈性較小、抗拉強(qiáng)度低、抵抗熱應(yīng)力破壞能力差、抗熱震性較低，熱沖擊循環(huán)作用下，耐火材料易先出現(xiàn)開裂剝落終至整體損壞，這是CFBB耐火材料的提前失效又一重要原因。影響耐火材料熱震穩(wěn)定性的因素是比較復(fù)雜的，要綜合考慮各個(gè)因素的綜合影響。耐火材料的理化性能非常重要，一般來說耐火材料的耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐磨性、熱震穩(wěn)定性和重?zé)€變化是主要的考核指標(biāo)，同時(shí)高溫耐壓強(qiáng)度指標(biāo)也要考慮。特別是一些澆注料在CFBB燃燒溫度下使用，不能達(dá)到燒結(jié)溫度而強(qiáng)度較低。如加入高鋁水泥的澆注料，由于鈣的帶入量增加，常溫和100°C干燥后強(qiáng)度達(dá)到高峰，但隨著溫度的升高強(qiáng)度下降，700°C?1100C時(shí)強(qiáng)度最低。還有許多種耐火材料結(jié)合劑須經(jīng)1200C以上溫度燒結(jié)后才有一定強(qiáng)度，在1200C以下使用因耐火材料達(dá)不到燒結(jié)溫度而強(qiáng)度很低，因此在CFBB上選用效果不理想。施工、安裝和烘爐不合理也是耐火材料的損壞主要原因之一。大多數(shù)廠家都沒有施工和安裝的經(jīng)驗(yàn)，在施工和安裝中不能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和材料生產(chǎn)廠提供的耐火材料施工要求進(jìn)行監(jiān)督施工。一些安裝公司也沒有CFBB耐火材料的安裝經(jīng)驗(yàn)，按照工業(yè)鍋爐的砌筑辦法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，結(jié)果造成安裝質(zhì)量缺陷較大。還有個(gè)別工程為了縮短安裝工期提前運(yùn)行，由于沒有達(dá)到烘爐要求，使材料中所含的水份未完全轉(zhuǎn)化為水蒸汽逸出，爐子點(diǎn)火運(yùn)行后耐火材料中的水蒸汽壓力超過了材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)引起襯里分層和崩潰，導(dǎo)致爐子點(diǎn)火不久就引起爐墻大面積塌落。3CFBB用耐火材料的現(xiàn)狀目前國內(nèi)CFBB用耐火材料一般按作用可分為三類：耐磨耐火材料的磚、澆注料、可塑料和灰漿；耐火材料的磚澆注料和灰漿；耐火保溫材料的磚、澆注料和灰漿。通常采用的耐磨耐火材料的品種有：磷酸鹽磚和澆注料，硅線石磚和澆注料；碳化硅磚和澆注料；剛玉磚和澆注料；耐磨耐火磚和澆注料；最高檔的還有氮化硅結(jié)合碳化硅產(chǎn)品等品種。從現(xiàn)有的CFBB的使用結(jié)果上看，這些材料的使用效果都不很理想。根據(jù)這些耐火材料的使用情況，我們對(duì)耐火材料的性能及成本做如下分析。磷酸鹽磚是經(jīng)低溫(500C)熱處理的不燒磚，通常在1200C?1600C范圍內(nèi)使用，它在水泥窯上應(yīng)用已有多年，早期CFBB的設(shè)計(jì)材料大部分采用磷酸鹽磚和磷酸鹽澆注料。當(dāng)時(shí)國家建材行業(yè)制定了一種磷酸鋁耐磨磚標(biāo)準(zhǔn)，而其他行業(yè)沒有制定耐磨材料標(biāo)準(zhǔn)。尤其CFBB用耐火材料，更是少有人知道和研究。由于CFBB是在850C?900C范圍內(nèi)運(yùn)行，在這種溫度下，該耐火材料物理性能不穩(wěn)定，耐磨性能得不到充分發(fā)揮。磷酸鹽澆注料的理化性能與磚相同，所不同的是它的施工比較復(fù)雜，受環(huán)境限制，要求施工人員有一定的專業(yè)技術(shù)，如施工不當(dāng)質(zhì)量不能保證，這已被眾多廠家所了解。雖然磷酸鹽材料在CFBB上使用有它的不足，但是它的價(jià)格能使各個(gè)廠家接受。硅線石是一種優(yōu)質(zhì)耐火原料，通常加入到耐火材料中能使荷重軟化溫度提高100°C?150°C,耐火材料起變化的溫度是1450C?1600C，硅線石磚成型燒結(jié)溫度達(dá)到這一溫度，因此硅線石磚在CFBB上使用是一種理想的耐磨耐火材料；但是硅線石澆注料因CFBB燃燒達(dá)不到這個(gè)溫度范圍，硅線石的耐磨性就不能充分發(fā)揮出來，另外硅線石材料本身價(jià)格較高，生產(chǎn)出的產(chǎn)品價(jià)格也高，增加了使用者的成本，這些影響了硅線石澆注料在CFBB上的推廣應(yīng)用。碳化硅制品在高溫?zé)o氧化氣氛下，使用具有較好的耐磨性和很好的熱震穩(wěn)定性，在一定溫度下燒結(jié)其表面能形成一層釉面保護(hù)層，根據(jù)國內(nèi)個(gè)別使用單位情況了解，對(duì)CFBB也不能得到滿意的使用效果。主要原因是CFBB燃燒中帶有少量氧化氣氛。從有關(guān)CFBB技術(shù)的文獻(xiàn)中看到，美國也嚴(yán)禁在CFBB中選用碳化硅耐火材料制品。同時(shí)其價(jià)格較高，好材料沒有得到合理的應(yīng)用，用戶不能產(chǎn)生好的經(jīng)濟(jì)效益，也是一種浪費(fèi)。剛玉制品在CFBB上的使用品種有白剛玉、高鋁剛玉（也叫亞白剛玉）和棕剛玉。剛玉的主要性能是耐火度高、體積密度高、耐磨性能好，但它的熱震穩(wěn)定性差，這給CFBB使用帶來了困難。根據(jù)所了解到的情況，剛玉質(zhì)澆注料在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，原因就在于鍋爐運(yùn)行中壓火、提火現(xiàn)象較多，較短時(shí)間內(nèi)溫度變化頻繁，造成耐火材料使用壽命縮短。另一個(gè)因素是鍋爐使用溫度低，耐火材料達(dá)不到燒結(jié)溫度，耐磨性得不到充分發(fā)揮。有較多用戶為解決磨損問題，往往花大價(jià)錢選用剛玉材料，結(jié)果卻得不到好的經(jīng)濟(jì)效益。以上幾種CFBB用耐火材料在國內(nèi)具有代表性，根據(jù)對(duì)大多數(shù)用戶使用情況了解，用戶反映不一，存在問題較多，主要是各鍋爐生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)單位選用耐火材料品種繁多，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其耐磨性能高，與爐子能夠達(dá)到同周期運(yùn)行，同周期性檢修，并能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益的