CFB 锅炉：正确使用耐磨耐火材料的性能、设计、施工和维护

　　在 CFB 锅炉的燃烧工况下， 固体颗粒对受热面的磨损， 一直是制约 CFB 锅炉经济运行和进一步发展的关键问题。CFB 锅炉内存在不同方向、不同速度、不同角度、不同浓度的气流、射流和气泡，它们以各种形式作用于内表面， 加之腐蚀性气体和其它介质的存在， 形成了复杂的磨损过程。对锅炉进行维护的主要方法就是在某些区域敷设耐磨耐火材料， 用以保护受热面。在还原性条件下， 耐磨耐火材料比钢耐磨， 耐磨材料就是防止磨损、成本低廉的阻隔层， 用以保护锅炉的安全可靠运行。

　　CFB 锅炉在高温下运行， 炉内温度变化较为频繁， 造成循环热冲击。同时， 炉内存在大量高速运动的高温固体粒子， 不断冲刷受热面，  因此需要敷设耐磨耐火材料来保护， 本文仅介绍向火侧( 烟气侧) 的耐磨耐火材料。

　　CFB锅炉耐磨材料的种类及性能

　　1. 1 耐磨耐火材料的种类

　　循环流化床锅炉耐磨耐火材料简介

　　耐磨耐火材料按其供货状态可分为定形材料和不定形材料， 按作用可分为三类: 耐磨耐火材料( 包括砖、浇注料、可塑料和灰浆) ; 耐火材料( 包括砖、浇注料和灰浆) ; 耐火保温材料( 包括砖、浇注料和灰浆) 。

　　A 定形材料

　　1) 耐磨耐火材料( 高密度耐火材料) : 硅铝砖类( 硅砖、耐火土砖、高铝砖) 、锆硅砖、非氧化物砖类( 碳砖、硅碳砖) 、镁钙铬砖类和电溶镁类产品( 镁砖、铬镁砖、铬砖、白云石砖) 。

　　2) 保温材料: 耐火保温砖、保温砖、保温块、陶瓷纤维。

　　B 不定形材料

　　不定形材料有浇注料、抹压料、可塑料、修补料、枪喷式料、投注式料、振动料、灰泥涂抹料等。从形态上分为粉沫、泥、粘团。

　　1. 2 耐磨耐火材料的性能

　　耐磨耐火材料是在高温下不易损坏和变形的特殊产品， 为防止烟和飞灰磨损， 在一些易磨损部件的内部铺设了耐磨材料， 正确地选择和安装这些耐磨材料是至关重要的， 它能够保证系统长期的性能， 减少耐磨材料的脱落和维修的次数。

　　耐磨耐火材料在化学成分上主要由铝、硅化合物组成， 总含量占 80% ～ 95% 。

　　在 CFB 锅炉中， 为了承受环境所带来的影响， 耐磨耐火材料必须具备一定的耐火度、抗压强度、抗折强度、抗热震性及足够小的线变化率。耐磨耐火材料的理化指标主要由以下几个方面:

　　A  耐火度

　　耐火度是指耐磨耐火材料在无外力作用时在高温下抵抗熔化的能力。耐火度通常也用最高使用温度表示， 是指材料在该温度下煅烧 5h 后线变化率不大于 1. 5% 的温度。

　　表1 常见耐火原料及耐火制品的耐火度

　　B  体积密度

　　体积密度， 也称容重， 是指耐磨耐火材料单位体积的质量， 可反映出耐火材料的致密程度， 单位为kg /m3。

　　C 导热系数

　　导热系数是指单位温度梯度下， 单位时间内耐磨耐火材料通过单位垂直面积的热量， 单位为W /( m. K) 。耐火材料导热系数的大小不仅与其用途有关， 而且也是直接影响制品热震稳定性的重要因素。

　　D 热震稳定性

　　热震稳定性是指耐磨耐火制品抵抗温度急剧变化而不被破坏的能力， 也称抗热震性、抗温度急变性、耐急冷急热性。耐火材料在使用过程中， 经常会受到环境温度迅速变化的影响， 导致材料产生裂纹、剥落甚至崩溃。影响热震稳定性的因素包括材料的热膨胀率、导热系数及材料的组织结构、制品的形状及颗粒组成等。

　　E 线变化率

　　线变化率是指耐磨耐火材料在单位温度变化下长度的不可逆变化量与原长度的比值， 以百分率表示， 也称线胀系数。是耐火材料结构设计和膨胀缝设计的依据之一， 线变化率过大， 耐磨耐火材料易剥落。

　　α = ( L2 - L1) /L1

　　式中: L1 为试样在室温下的长度， mm; L2 为试样加热至试验温度 t 时的长度， mm。

　　F  常温抗压强度和抗折强度

　　抗压强度， 通常指常温下的耐压强度， 是常温下耐磨耐火材料在单位面积上所能承受的极限压力， 若超过此值， 材料就被破坏， 抗压强度主要表示耐火材料的烧结、结合情况及与组织结构相关的性质， 是耐磨耐火材料检验的常用项目， 也有称冷压强度。抗压强度的计算公式:

　　CCS = F /A

　　式中: CCS 为抗压强度， 单位 MPa; F 为材料所能承受的极限压力; A 为材料的受压面积。

　　耐磨耐火材料在使用时， 除承受压应力外， 还要承受拉应力、弯曲应力和剪切应力的作用。抗折强度， 通常指常温下的抗折强度， 是指试样在室温下受到弯曲负荷作用而断裂时的极限应力， 其单位为 MPa。

　　抗压强度和抗折强度取决于结合剂及其外加剂的种类和用量， 也受原材料纯度、配比、拌合用液体数量、施工方法和养护方法等因素的影响。

　　G  耐磨指数

　　将 1 磅重的石英砂以一定的速度向耐磨材料喷射， 所磨掉的耐磨材料的量称为耐磨指数， 其单位为: g /cm2。通常耐磨指数是衡量耐磨浇注料、耐磨砖耐磨性的重要指标。

　　CFB 锅炉耐磨材料的设计

　　2. 1 耐磨材料破坏的原因

　　在 CFB 锅炉内， 一方面， 大量高速运动的高温固体粒子不断冲刷耐磨材料而使其破坏， 另一方面， 因炉内温度波动、热冲击及机械应力等造成耐磨材料产生裂纹和剥落， 同时， 碱金属等的渗透也易造成耐磨材料的失效和破坏。

　　2. 2 耐磨材料的设计

　　在 CFB 锅炉中，易磨损区主要包括水冷壁及炉膛内布置的受热面、分离回料系统、尾部烟道入口及排渣系统。使用耐磨材料的主要区域包括炉膛密相区、炉内屏式受热面下部区域、炉膛出口、分离器、料腿、回料阀、分离器出口烟道及尾部对流烟道。

　　考虑到以上磨损的特点、耐磨材料的物理性能及施工特点， 一般采用单层或多层耐磨耐火材料的敷设。单层敷设的部位包括水冷壁、屏式受热面、水冷隔墙、双面水冷壁、汽冷分离器等薄衬里处， 用 φ6或 φ10 的圆柱销钉( 或 Y 型 V 型销钉) 将耐磨耐火浇注料支撑在管壁烟气侧。薄衬里更能经得起锅炉起停时的快速热冲击，同时， 为增强其刚性及冲击能力，需在浇注料中增加不锈钢纤维。厚衬里分为两层或三层，烟气侧为耐磨耐高温的耐磨耐火砖砌筑或耐磨可塑料浇注而成， 内衬的保温材料目的是减少热损失，降低壳体温度。

　　耐磨耐火材料的施工和维护

　　3.1 膨胀缝的设置

　　定型耐磨材料在施工过程时通过托板分层卸载并将荷载传递到外壳钢板上， 由于线胀系数的不同， 膨胀缝的设置十分关键。施工缝也是膨胀缝， 对于浇注料面积过大的区域， 应交替施工， 块与块之间留好施工缝， 施工缝应错开布置。

　　3.2 金属锚固件的处理

　　因金属材料与耐磨材料受热后线胀系数的差异， 在耐磨耐火材料施工前， 必需在金属材料( 包括销钉， 托板及管子) 表面涂沥青， 涂刷沥清是在浇注料与受热面之间留有一定的间隙， 运行时受热面热膨胀差不会对耐磨材料造成破坏。

　　3.3 振捣

　　浇注料施工必不可少的程序“振捣”， 如果振捣不足或不到位， 则耐磨浇注料密度不能达到要求或不均匀， 都可造成浇注料强度不足， 难以起到防磨作用， 难于施工的位置模板应尽量小些。

　　3.4 耐磨耐火材料的热养生

　　由于无基矿物质原料含有一定的水份， 在配制成浇注料过程中又加进了一定量的水做溶剂，这些水份需要通过自然干燥及热养生将水份排出， 因耐磨耐火浇注料的致密度较高， 其结晶水又在其分子结构内部， 所以热养生烘炉是需要足够时间的过程。虽然热养生采用可控温热烟气养生， 但养生时锅炉受热面还是要加水来保护其安全。通常热养生的升温曲线由材料供应商提供，或由供应商认可的升温曲线来进行。热养生后，所有在密封盒上开的浇注孔需要封闭并且焊好，所有为热养生开的蒸汽通道均应封焊。

　　结束语

　　为满足机组安全运行， CFB 锅炉耐磨耐火材料应具备以下性能: 较高的常温与热态强度; 较低的磨损量; 优良的抗侵蚀性; 良好的高温体积稳定性。关于循环流化床锅炉用耐磨耐火浇注料目前大都是执行YB/T 4109-2002的标准。里面对耐磨耐火浇注料分为三个指标牌号，NMJ-1、NMJ-2和NMJ-3三种。对应的铝含量分别为60、65和70.但在实际应用过程中，可能会需要根据不同的生产状况、不同的部位来对各项理化指标进行相应的调整。