486 浅谈循环流化床锅炉与 耐火耐磨材料赵家恩（香港协鑫（集团）控股有限公司上海管理中心，营运部）关键词： 流化床耐火耐磨材料0 前言循环流化床锅炉在我国投放市场运行十几年来，就以其本身的环保效益好，燃烧效率高，煤种适应性能宽，运行调整、检修维护简单等诸多优点被人们所信赖。该炉型不但用在发电和供热事业上，而且在造纸、纺织、印染、制药、石化等各行各业被广泛的运用。从目前投运的各锅炉生产厂家制造的循环流化床锅炉运行中反映出的问题看，在锅炉的设计及使用技术是上可行的，优点是确切的， 该炉型本身的最大弱点磨损也在不断的治理中逐渐走向完善。但是应用在锅炉上的耐火耐磨材料的使用效果均不太理想，经常由于耐磨材料上的问题影响锅炉的安全运行，更有甚者炉顶塌陷、炉墙鼓包后倒塌，大面积混凝土脱落或局部磨损使受热面管裸露造成水冷壁及三管磨损严重后泄露事故等等，都严重地困扰着循环流化床锅炉的安全经济运行，给使用单位造成很大麻烦和带来重大的经济损失，问题是相当严重的。所以说循环流化床锅炉能否确保较长时间的安全稳定运行，不但与防磨治理的力度、运行调整的精心操作、按时维修等有关系，也与我们选用的耐温、耐磨材料内在质量以及现场的施工技术、施工管理更有关系。怎么样能根据炉子的磨损机理及磨损轻重，客观地、实事求是地精心选用耐火耐磨材料，精心地施工砌筑到各个部位，做到财尽其用、物尽其才，是循环流化床锅炉在使用过程中需要解决的一个重大课题。1 耐火耐磨材料特性耐火材料是服务于高温技术的基础材料，由于在高温技术的行业中，耐火材料是辅助性材料，所以往往被人们所忽视。正是由于这一点的存在，往往所选用的耐火耐磨材料产品质量达不到使用要求的标准，运行中经常造成主设备停用事故。例如，冶金系统由于耐火材料使用周期短，经常停炉影响生产，由于耐火度不够冶炼优质钢材达不到标准质量。发电、制药、造纸、化工等行业由于用在炉子上的耐火耐磨材料不过关经常造成停炉，不但给使用单位造成直接的经济损失，而且也给广大人民群众生活带来诸多不便，有时甚至还造成连带经济损失。所以说， 虽然耐火耐磨材料在高温技术领域是呈辅助性材料特性出现，但万万不可对该材料掉以轻心，必须根据炉型的特点精心选用合适的耐火耐磨材料，而且还需制定出相应的标准、规范、要求、合理配方，并组织技术力量过硬的队伍去完成施工任务。耐火材料是种矿产物资，矿产资源质量的好坏是与合成的温度、压力、年限有关系。耐火材料487 又是一种非均质体，有主、副成分之分，我们通常将其基本成分称为主要成分，而将其它成分称为副成分，而副成分又是有意添加的以提高产品某些方面性能的成分和材料中本身携带的杂质所组成。耐火材料中的主要成分是该材料中的主体，也是我们选中要用材料的唯一标准。最大限度地选用主要成分较高的份额和降低有害成分或杂质较少的份额，是保证耐火材料质量的重要一环。或者通过一些有效的措施办法和手段，例如：使用一些添加剂、结合剂、稳定剂、烧结剂、减水剂、抗水剂、抗氧化剂、促凝剂等等，这些都是为了提高耐火材料本身的抗压、耐温、耐磨、抗冲刷、耐腐蚀的作用， 最终的目的就是为了让耐火耐磨材料能够满足在高温条件下的运行要求，为高温领域的技术服好务。我们知道， 耐火耐磨材料的主要功能是抵隅高温作用的，因此，它必须由较高熔点的化合物所组成。 只有较高熔点的化合物在原材料中的含量较多时，耐火材料才能获得较高的耐火温度；只有较高的耐火温度才能抵隅高温情况下产生的对耐火材料各种破坏力，这是我们选用耐火耐磨材料的原则。如果我们选用的耐火耐磨材料不能在高温下抵隅由物理、化学、机械等方面产生的作用力，不能抵隅炉渣、烟尘、腐蚀性气体等有害杂质元素的侵蚀，势必就会产生耐火材料的熔融、软化、融蚀、 磨损和迸裂损坏。为了避免这类情况发生，我们应优先选用一些适合循环流化床锅炉本身情况的耐火耐磨材料，如果我们一味地选用高挡优质材料，虽然能满足使用要求，但造价昂贵很不经济；如果选用的材料不能满足这种炉型的运行要求，再经济的耐火材料也不能使用在锅炉设备上，所以说选用什么样的材料是一项技术性很强、知识面很广、需要考虑诸多因素的细致工作，决不是一项一般的工作，更不能粗心大意。下面介绍一些氧化物和非氧化物及复合矿物质的熔点及合成情况。常用氧化物熔点氧化物熔点氧化物熔点SiO21725 AL2O3 2050 MGO 2800 CaO 2570 C2O2 2435 Z1O22690 ZrO2SiO2 SiO2 3AL2O32SiO2 2CaO SiO2AL2O32MgO SiO2CAO MgO AL2O3 MgO CAO MgO MgO Cr2O3常用耐火氧化物及其复合成的主要耐火矿物示意图488 * B BN B4C N C Si3N4SiC Si 常用非氧化物耐火材料组合示意图主要耐火复合矿物的熔点矿物名称化学组成熔点莫来石3AL2O32SiO2 1810 镁铝尖晶石MgO AL2O3 2135 镁铬尖晶石MgO CR2O3 2180 锆英石ZrO2SiO2 2500 正硅酸钙2CaOSiO2 2130 镁橄榄石2MgO SiO2 1890 白云石MgO CaO 2300(低共熔点 ) 耐火材料常用非氧化物的熔点名称化学组成熔点氮化硼BN 3000 炭化硼B4C 2350 炭化硅SiC 2700 氮化硅Si3N4 2170 石墨C 3700 通过以上各表格内数据和示意图我们了解了耐火材料的熔点、组合、复合情况，为掌握耐火材料内在质量和根据实际情况选用那种材料打下了基础。2 磨损机理锅炉的运行调整，说穿了就是对燃烧的调整，而燃烧本身又是一种化学反应过程。燃料入炉后，在合适温度、充足氧量、均匀搅拌、足够时间的条件下进行完全燃烧。循环流化床锅炉也不例489 外，只是炉内的燃烧是采用低温燃烧新技术，炉内的燃烧温度要比煤粉炉、链条炉、旋风炉等炉型低一些。 而均匀搅拌和足够燃烬时间却比目前投放市场运行的任何炉型都优越，这就是循环流化床锅炉燃烧效率高的最大优点之一。循环流化床锅炉的燃烧原理是：新燃料入炉后，立即被卷入到大量的物料中，在炽热的物料里，首先吸热、蒸发水分和挥发份的析出并燃烧，而后进行焦碳的燃烧及灰份的形成。这一系列燃烧过程都是在剧烈的流化循环过程中进行的。中倍率的循环流化床锅炉新入炉的燃料只占整个循环物料的 6 8%左右甚至更少，可以讲新燃料入炉后在燃烧过程中所放出的全部热量首先传给循环物料和维持炉内温度。循环流化床锅炉在正常运行中，所谓的循环物料就是一种载热体。由于整个燃烧过程都是在剧烈的流化循环中进行，所以说在整个的锅炉运行中，就存在着一个循环物料与各受热面，循环物料与炉衬材料的磨损问题，各处磨损的严重与否，磨损量的多少。经各国的多次实验和实际运行情况总结得出的结果是成下列关系式：A=V3.P. Q/K，A磨损量、V循环物料的运动速度、P炉内压力、循环物料直径、Q循环物料的浓度、K燃用煤种的可磨性系数。即：磨损量与物料运动速度三次方、与炉内压力、物料直径和炉内的物料浓度成正比，而与煤种的可磨性系数成反比例关系。所以讲炉子的密相区由于气、固两种物质流速快，压力相对比较高，物料直径和浓度比较大，致使磨损较严重。而炉膛出口虽然炉内压力、循环物料直径和浓度都较小， 但流速在加快， 同样磨损也很严重，密相区及炉膛出口均在受热面上打一层耐磨材料，其用意就在这里。我们经分析知道了磨损是由于物料的运动速度、物料浓度、 物料的直径和炉内压力所造成的，而这些因素都是循环流化床锅炉固有的特性，是不以人们的意志为转移的，是无法改变和抗拒的，只有循环物料运动速度是随燃烧调整中送、引风量的多少而随时变化。不论从减轻磨损的角度，还是从经济运行的角度，一定要调整最佳的送、引风量。因为多余的送风，不但能造成过快的烟气流速加速磨损。而且还会造成厂用电上升，排烟热损失增大，锅炉效率下降，白白浪费厂用电和热能源。所以说过多的送风不仅仅是一个造成经济损失的问题，而且也是一个影响安全指标的问题。运行调整中一定要以确保安全为原则，以提高锅炉的经济运行为核心、以为企业创最大的经济效益为目的，以获得炉子满负荷较长运行周期为出发点，实实在在做好运行中的调整工作。在炉膛内，气、固两种物质的运动是错综复杂的，从宏观上讲是按照设计流向进行的，但从微观上看， 物料运动的方向自密相区的始端开始就杂乱无序，物料和入炉的原煤在一、二次风的作用下被强烈流化并向上运动，在向上运动的所有物料粒子都同时受着三个方面的作用力；即粒子本身向下的重力， 烟风向上流动对粒子的推动力，以及粒子和粒子之间向上运动时的摩擦力。经分析得知：当粒子本身的重力和粒子向上运动时之间的摩擦力之和大于烟风流动对粒子向上推动力时，该粒子就会向下降落或向烟风推动力较小的四周漂移后沿水冷壁及鳍片下滑，下滑到一定高度当粒子重力和摩擦力之和小于烟风向上流动力时又被托起，较大的颗粒物料直至返回到密相区。煤粒在运动中燃烧了自己变成了飞灰，煤中的杂质变成了物料，原来的物料在强烈运动的摩擦中使自身的质量下降， 上升高度不断增加直到最后离开炉膛，炉膛内每时每刻总是这样周而复始地进行着。所以说循环流化床锅炉的炉膛内从微观上分析，有成千上万个小循环。 而且在高度上的不论哪个截面，以及截面和截面之间其物料的浓度、直径、炉内压力都不一样，这些参数都和炉膛高度成反比例关系，所以炉内的磨损量也是呈下面比上面严重这种关系变化的。炉内磨损无论是对受热面还是对炉衬材料，都是从表面开始，逐渐向内延进。由于炉内温度较490 高且又有一些腐蚀性气体，物料的磨损只占其中的一部分，而且还要经受高温腐蚀、氧化腐蚀、二氧化硫及三原子气体的腐蚀等等。受热面都是用优质金属材料制造的，受各种气体腐蚀的因素较少，主要是受循环物料的磨损，而对炉衬材料来说磨损和腐蚀确是全方位的。我们选用的炉衬材料都是由各种矿物质根据不同化学配方制成的，在配制过程中， 选用了各种级配比的骨料和相当数量的粉料以及超细微粉另加添加剂和促凝剂，从而获得一种较理想的高强度、耐磨损、抗冲刷、抗剥落、热稳定性能好的耐火材料。耐火耐磨材料的性能是否能满足循环流化床锅炉的需要是各耐火材料生产厂家的迫切愿望，也是各使用循环流化床锅炉用户的希望所在，所以说选用的耐火耐磨材料质量好坏对后天锅炉安全经济运行十分重要。根据几个锅炉厂投放市场后若干台循环流化床锅炉的运行情况看，有相当数量的炉子其选用的耐火耐磨炉衬材料，都不能满足运行要求。经几千小时运行，其表面就有明显磨损，各种级配的骨料裸露在表面，有相当一部分一动马上就要掉落。从实际磨损留下的痕迹分析得知；就是所选用的耐磨材料黏合剂或结合剂不能将所有的各种级配的骨料和粉料黏结在一起，使之达到循环流化床锅炉运行所需要的高强度、耐磨损、抗冲刷、抗剥落、热稳定性好的要求。由于耐磨浇注料中的骨料和粉料是均匀分布的，其黏结强度不好致使粉料磨损后，骨料就被裸露在表面就变成了无本之木，就会自然脱落或漫漫的被全部磨光，所保护的受热面和担当的密封作用都将无用，这样的情况还算是不错的。还有一种情况，使用在设备上的耐火材料，不但表面上磨损严重，而且内部变酥松强度急剧下降， 这样的耐磨材料经常造成大面积脱落，及早的失去保护受热面和密封的作用，绝大多数还会造成事故停炉，严重影响了热动设备的安全运行。造成这种事情发生的根本原因，不是我们选用的耐火耐磨材料骨料和粉料质量差，不能满足使用要求，而是配制的技术不过关和配比比例不合适。先进发达国家生产的耐磨材料，使用在密相区仅有20-30 毫米厚，就可使用五万小时以上而且表面很光滑，质量是非常好的。而从我们使用的耐火耐磨材料磨损留下的痕迹分析，耐火材料中的骨料和各种粉料耐磨性能是可以的，由施工后表面特别光滑，当运行一段时间后，其表面就很粗糙或非常粗糙，这时比较粗糙的表面就会一层一层的脱落，更严重的用手一掰就下来一大块，用锤子一敲发出砰砰的酥松声音，追其根本原因就是使用在耐磨材料中的结合剂或粘结剂不好，不能将各种级配的耐火材料有机结合在一起，不能获得