循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型研究与导则制定_孙献斌.pdf

第 37 卷 第 6 期2022 年 12 月Vol.37 No.6Dec.2022电力学报JOURNAL OF ELECTRIC POWER文章编号：1005-6548（2022）06-0485-09 中图分类号：TK223 文献标识码：A 学科分类号：47040DOI：10.13357/j.dlxb.2022.058开放科学（资源服务）标识码（OSID）：循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型研究与导则制定孙献斌1，李强1，郎丽萍2，陈红3，袁野4，李楠5，赵鹏勃1（1.西安西热锅炉环保工程有限公司，西安 710054；2.哈尔滨锅炉厂有限公司，哈尔滨 150046；3.东方电气集团 东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001；4.华能长江环保科技有限公司，北京 102209；5.北京华能长江环保科技研究院有限公司，北京 102209）摘要：由于循环流化床（CFB）锅炉耐磨耐火材料选型尚缺乏完整的技术依据，部分 CFB 锅炉运行过程中出现耐磨耐火材料碎裂、脱落而造成炉内流化不良甚至结焦、回料系统堵塞、受热面磨损爆管等故障，直接影响了 CFB 机组的可靠性。为此，在国家能源领域行业标准制（修）订计划的安排下，研究了 CFB锅炉耐磨耐火材料的选型方法，在总结国内 CFB 锅炉耐磨耐火材料选型工程经验的基础上，制定了 循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型导则（DL/T 2498-2022）。CFB 锅炉耐磨耐火材料按照材料特性分为 4大类，根据煤质特性及其变化范围、磨损指数、锅炉部位及磨损程度对耐磨耐火材料的要求，明确了耐磨耐火材料的选型原则与方法，该项电力行业技术标准将会对 CFB锅炉耐磨耐火材料的设计选择、工程建设及运行维护起到重要指导作用。关键词：CFB锅炉；耐磨耐火材料；选型；导则；受热面磨损；旋风分离器；回料系统Research and Formulation of Guideline on Selection of Abrasion-resistant Refractory for Circulating Fluidized Bed BoilerSUN Xian-bin1，LI Qiang1，LANG Li-ping2，CHEN Hong3，YUAN Ye4，LI Nan5，ZHAO Peng-bo1（1.Xi an Xire Boiler and Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Xi an 710054，China；2.Harbin Boiler Co.，Ltd.，Harbin 150046，China；3.Dongfang Boiler Group Co.，Ltd.，Dongfang Electric Corporation，Zigong 643001，China；4.Huaneng Yangtze Environmental Technology Co.，Ltd.，Beijing 102209，China；5.Beijing Huaneng Yangtze Environmental Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 102209，China）Abstract：Due to the lack of complete technical basis on the selection of abrasion-resistant refractory for CFB boiler，some of the abrasion-resistant refractory have broken and fallen off during the operation of CFB boilers，resulting in poor fluidization or even agglomeration in the furnace，blockage of the circulating loop，wear and ex 收稿日期：2022-09-22作者简介：孙献斌（1963），男，工学硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为循环流化床锅炉与清洁煤燃烧发电及氢能利用技术，；李强（1980），男，工 学 硕 士，高 级 工 程 师，主 要 研 究 方 向 为 循 环 流 化 床 锅 炉 与 节 能 环 保 技 术，；（通信作者）郎丽萍（1972），女，硕士，正高级工程师，主要从事 CFB锅炉设计研发工作，；陈红（1969），女，高级工程师，主要从事锅炉设计研发工作，；袁野（1989），男，博士，高级工程师，主要从事工程热物理方面研究开发工作，ye_；李楠（1984），男，硕士，高级工程师，主要从事热能工程方面研究开发工作，n_；赵鹏勃（1980），男，硕士，高级工程师，主要从事热能动力工程方面的研究工作，。引文格式：孙献斌，李强，郎丽萍，等.循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型研究与导则制定 J.电力学报，2022，37（06）：485-493.DOI：10.13357/j.dlxb.2022.058.第 37 卷电力学报plosion of the heating surface，and other faults，which directly affect the reliability of CFB units.Therefore，under the arrangement of the national energy industry standard formulating（revising）plan，selection method of abrasion-resistant refractory is studied for CFB boiler.Based on summarizing selection experience of abrasion-resistant refractory for CFB boiler in China，the Guideline on Selection of Abrasion-resistant Refractory for Circulating Fluidized Bed Boiler（DL/T 24982022）is formulated.CFB boiler abrasion-resistant refractory materials are divided into 4 categories according to material characteristics.According to the requirements of coal property and its variation range，abrasion index，boiler position and abrasion degree on abrasion-resistant refractory materials，the selection principle and method of abrasion-resistant refractory materials are clarified.The technical standard of electric power industry will play a guiding role in design selection，engineering construction and maintenance of abrasion-resistant refractory for CFB boiler.Key words：CFB boiler；abrasion-resistant refractory；selection；guideline；heating surface wear；cyclone separator；circulating loop0 引言 我国已有 400余台 100 MW660 MW CFB 机组在运行，但部分 CFB 锅炉在运行过程中存在耐磨耐火材料脱落、碎裂、磨损等问题，造成炉内流化不良甚至结焦、回料系统堵塞、受热面磨损爆管等故障，导致CFB 机组非计划停运，影响了 CFB 锅炉运行的可靠性1-2。为此，亟需制定和颁布相关技术规范和标准，对CFB 锅炉工程应用过程中耐磨耐火材料的选型方法加以规范。2019年 7月，国家能源局发布了“2019年能源领域行业标准制（修）订计划项目”（见国能综通科技 2019 58号文），根据该文件的要求和安排，国内研究机构及大型锅炉制造厂共同承担了 循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型导则 的编制工作。起草单位在总结国内 CFB 锅炉耐磨耐火材料选型工程经验的基础上，系统地研究了 CFB 锅炉耐磨耐火材料的分类及选型方法，制定了 循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型导则（DL/T 24982022），该导则已于 2022年 5月由国家能源局发布，实施后可为 CFB 锅炉的工程应用提供选型依据，为提高 CFB 锅炉的可靠性提供标准化技术支撑。1 耐磨耐火材料分类及性能 CFB锅炉耐磨耐火材料可按材料特性不同而分为四类，具体分类情况如图 1所示。耐磨耐火材料（Abrasion-resistant Refractory）通常指在使用条件下耐磨性能优良的特种耐火材料。该类特种耐磨耐火材料在废弃物（含生活垃圾、工业垃圾、医疗垃圾、普通固体废弃物以及危险废弃物等）焚烧炉中使用时，还应具备优良的抗腐蚀能力。耐磨耐火浇注料（Abrasion-resistant Refractory Castable）是由致密耐火骨料、细粉、外加剂和结合剂组成的混合料，通常以干态交货，加水或其他液体混合后方可浇注施工，在使用温度下能抵抗物料冲刷的一类耐磨损性能优良的不定形耐火材料。耐磨耐火可塑料（Abrasion-resistant Plastic Refractory）是由致密耐火骨料、细粉、外加剂、结合剂和液体组成，具有良好可塑性，用捣打（机械或人工）方法施工，施工后自然硬化或加热硬化，在使用温度下能抵抗物料冲刷的一类耐磨损性能优良的不定形耐火材料。耐磨耐火制品（Abrasion-resistant Refractory Product）是由致密耐火骨料、细粉、外加剂、结合剂组成的混合料，并制成具有一定形状、尺寸及强度的坯体，在使用温度下能抵抗物料冲刷的一类耐磨损性能优良的定型耐火材料。图 1耐磨耐火材料分类Fig.1Classification of abrasion-resistant refractory486第 6 期孙献斌，等：循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型研究与导则制定耐磨耐火泥浆（Abrasion-resistant Refractory Mortar）是由一定颗粒配比的耐火粉状料、结合剂及外加剂组成，用液体调配成浆体，是定型耐磨耐火制品的接缝材料。CFB 锅炉的耐磨耐火材料，必须具有一定的耐火度、抗压强度、抗折强度、抗热震性及足够小的线变化率；同时，为保证受热面有效换热，对耐磨耐火材料的导热系数也有一定要求3-9。为此，在 循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型导则 编制时，根据耐磨耐火材料的理化指标，将其分为不同的级别供选型时选用，具体分级指标见表 1及表 2。2 耐磨耐火材料及固定方式的选择 2.1总体要求在选择 CFB锅炉耐磨耐火材料时，应根据煤质特性及其变化范围、磨损指数、锅炉部位及磨损程度对耐磨耐火材料的要求进行综合考虑。对于燃用低灰分或爆裂性强的燃料，需要在运行过程中向炉膛内补充其它物料（如细河砂等）作为循环物料的 CFB 锅炉，其耐磨耐火材料的选择还应考虑所补充的物料的磨损性。煤的磨损性可用煤的冲刷磨损指数进行判断，冲刷磨损指数 Ke应按 煤的冲刷磨损指数试验方法（DL/T 465）规定的方法测定10。表 1耐磨耐火浇注料理化指标Tab.1Physical and chemical indexes of abrasion resistant refractory castable项目耐磨性/cm3常温耐压强度/MPa常温抗折强度/MPa抗热震性/次加热永久线变化/%导热系数（硅酸铝质）/W（mK）1导热系数（碳化硅质）/W（mK）1导热系数（锆铬刚玉质）/W（mK）1体积密度/（gcm3）耐火度/试验条件900 3 h（110 5）24 h1 000 3 h（110 5）24 h1 000 3 h900，水冷1 000 3 h1 000 时参考值1 000 时参考值1 000 时参考值指 标CMJ-11060801011250.50.61.8462.41 460CMJ-2870901112681 600CMJ-35901001315810231 700CMJ-410456068300.61.82.12.41 640表 2耐磨耐火可塑料理化指标Tab.2Physical and chemical indexes of abrasion resistant plastic refractory项目耐磨性/cm3常温耐压强度/MPa常温抗折强度/MPa抗热震性/次加热永久线变化/%导热系数（硅酸铝质）/W（mK）1导热系数（碳化硅质）/W（mK）1导热系数（锆铬刚玉质）/W（mK）1体积密度/（gcm3）耐火度/可塑性指标/%试验条件900 3 h（110 5）24 h1 0003 h（110 5）24 h1 000 3 h900，水冷1 000 3 h1 000 时参考值1 000 时参考值1 000 时参考值指 标CMK-1105075811250.51.11.9462.41 4601540CMK-286080913671 600CMK-3580100111578231 700487第 37 卷电力学报在选择 CFB 锅炉耐磨耐火材料时，应分析并掌握易磨损区域的分布情况，并结合每个区域的运行条件制定耐磨耐火材料选型方案。CFB 锅炉的磨损主要发生在炉膛、分离器、回料器、外置床构成的热循环回路11-13，CFB锅炉需要敷设耐磨耐火材料的主要区域见图 2。CFB 锅炉各部位的耐磨耐火材料应具有足够的耐火度及高温状态下的耐磨性，并且不得对受热面或与之接触的金属产生高温腐蚀。耐火度应高于耐磨耐火材料所敷设区域的工作温度至少 200，耐磨性应不大于 10 cm3（900 3 h）。耐磨耐火材料的选择，还应能满足 CFB 锅炉燃烧温度出现较大波动（快速升、降变化）时的冷热交替过程，其抗热震性应不低于 25 次。耐磨耐火材料抗热震性应按 耐火浇注料抗热震性试验方法（水急冷法）（YB/T 2206.2）14进行测定。耐磨耐火材料层的整体设计使用寿命应在 10 年以上。2.2分区域选择方法（1）水冷风室耐磨耐火材料的选择需要考虑当 CFB锅炉运行和配风不稳定的异常工况下，局部灰粒会从布风板风帽泄漏到风室内部，该区域内衬材料应有一定的耐冲刷磨损性能。水冷风室四周宜敷设耐磨耐火浇注料或耐磨耐火可塑料，其性能指标应分别不低于表 1 及表 2 中 CMJ-2、CMK-2牌号材料的理化指标，耐磨性8 cm3（900 3 h），抗热震性25次，耐火度1 600。（2）炉膛下部密相区是 CFB 锅炉的主要燃烧区域，此区域物料浓度高（300 kg/m3400 kg/m3），灰颗粒大，燃烧温度 850 920，且分布了各种炉膛开孔，如给煤口、回料口、二次风口等，这些局部开孔会使物料产生扰动、涡流，容易造成局部严重磨损。密相区对内衬材料要求有良好的抗磨性、热震稳定性、不易开裂、防脱落。布风板上表面敷设的耐磨耐火层及防磨台阶、炉膛下部锥段四周水冷壁敷设的耐磨耐火层（应采用单层结构）见图 3，宜采用耐磨耐火浇注料或耐磨耐火可塑料，其性能指标应分别不低于 CMJ-2、CMK-2牌号材料的理化指标。布风板防磨台阶的耐磨耐火材应采用密集销钉或锚固件固定。炉膛下部锥段，销钉密度应不小于 550 个/m2；超临界 CFB 锅炉销钉密度应不小于 850 个/m2，当鳍片上同时焊有 Y 型销钉时其密度应不小于 550 个/m2。（3）炉内屏式受热面下部弯头耐磨耐火层（见图 4）宜选择自流式耐磨耐火浇注料或耐磨耐火可塑料，其性能指标应分别不低于 CMJ-2、CMK-2牌号材料的理化指标，耐磨性8 cm3（900 3 h），抗热震性25次，耐火度1 600。应加强屏式受热面下部弯头迎流面及边缘区域的耐磨耐火材料的固定。螺纹销钉密度宜不少于 750个/m2。对于可焊性较差或焊后易出裂纹的管子，如材料为 SA213-T91及奥氏体钢材质，耐磨耐火材料的固定方式可选用夹箍型式，夹箍密度宜不少于 500 个/m2。（4）当炉膛水冷壁上设有非金属防磨梁时，防磨梁在水平方向伸出水冷壁边壁流的边界层（一般80 mm），可降低下降边壁流的速度，从而使得水冷壁磨损大幅减小15-16，非金属防磨梁应采用耐磨耐火可塑料，其性能指标应不低于表 2中 CMK-2牌号材料的理化指标。非金属防磨梁的耐磨耐火可塑料应采用焊接在水冷壁鳍片上的销钉固定，销钉应采用强度和耐热性能不低于钢材 1Cr18Ni9Ti性能的耐热不锈钢材质。（5）炉膛烟窗四周（结构简图见图 5），由于烟气流向和速度发生急剧改变，会对局部区域形成磨损，宜选择自流式耐磨耐火浇注料或耐磨耐火可塑料，其性能指标应分别不低于 CMK-2、CMJ-2牌号材料的理化指标，采用预焊短销钉的方式进行固定。1水冷风室；2布风板；3炉膛锥段；4屏式受热面下端；5炉膛出口烟窗；6旋风分离器进口烟道；7旋风分离器出口烟道；8旋风分离器；9立管；10回料器；11回料斜管；12外置床图 2CFB锅炉耐磨耐火材料主要敷设区域Fig.2Main laying area of abrasion-resisting refractory for CFB boiler488第 6 期孙献斌，等：循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型研究与导则制定图 3布风板耐磨耐火材料及固定结构Fig.3Abrasion-resistant refractory and fixed structure of water-cooled air plate图 4屏式受热面下部弯头耐磨耐火材料及固定结构Fig.4Abrasion-resistant refractory and fixed structure of lower elbow of platen heating surface图 5炉膛出口烟窗四周耐磨耐火材料敷设区域Fig.5Abrasion-resistant refractory laying area around flue-gas window of furnace outlet489第 37 卷电力学报（6）旋风分离器是循环流化床锅炉的关键部件之一，内衬结构及材料的性能直接影响 CFB 锅炉的安全运行。冷却型旋风分离器顶部及拐点以下锥段区域宜采用耐磨耐火可塑料，筒体直段（不含靶区）宜选择自流式耐磨耐火浇注料。耐磨耐火层应具有良好的导热性能，其性能指标应分别不低于 CMK-2、CMJ-2牌号材料的理化指标。冷却型旋风分离器内衬销钉密度宜不小于 850 个/m2，销钉宜焊接在管壁外表面，有助于降低销钉的温度，增强耐磨耐火材料的附着力17。旋风分离器靶区是 CFB 锅炉磨损最严重的区域，图 6是某台 580 t/h燃用褐煤的超高压 CFB 锅炉投运1 年后的分离器靶区磨损形貌，对此类磨损情况分析可知，耐磨耐火材料选择时应适当提高旋风分离器靶区（入口弧向约 90范围，结构见图 7）耐磨耐火材料的耐磨性，靶区应采用含有 SiC 的自流式耐磨耐火浇注料，其性能指标应不低于 CMJ-3 牌号材料的理化指标，其主要性能指标耐磨性5 cm3（900 3 h），抗热震性25 次，耐火度1 700。绝热型旋风分离器靶区还可采用耐磨耐火制品18，其耐磨性5 cm3（900 3 h），抗热震性20 次，耐火度1 700。旋风分离器靶区、进口烟道内侧与筒体交界转角处的销钉或锚固件密度应适当增加。（7）回料系统的主要作用是将分离器分离下来的未燃尽物料送回炉膛下部密相区继续循环燃烧，该区域最高工作温度可达 950，立管内固体物料流率400 kg/（m2s）800 kg/（m2s），回料器内物料流速0.5 m/s1.0 m/s，是 CFB 锅炉工作环境最为恶劣的区域之一。立管、回料器及回料斜管的耐磨耐火层结构见图 8及图 9，上述部位宜采用耐磨耐火浇注料、耐磨耐火可塑料，也可采用熔融石英类耐磨耐火浇注料、耐磨耐火制图 6旋风分离器靶区磨损形貌Fig.6Abrasion morphology of target area of cyclone图 7旋风分离器靶区及交界转角耐磨耐火材料Fig.7Abrasion-resistant refractory of target area and junction corner of cyclone图 8立管及回料器耐磨耐火材料及固定结构Fig.8Abrasion-resistant refractory and fixed structure490第 6 期孙献斌，等：循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型研究与导则制定品，其性能指标应分别不低于 CMJ-2、CMK-2及 CMJ-4（熔融石英类）牌号材料的理化指标。回料斜管入口段的下半弧（管截面下部 180240范围）耐磨耐火层，宜选择高强度耐磨耐火浇注料、耐磨耐火可塑料或耐磨耐火制品，其性能指标应分别不低于 CMJ-3、CMK-3牌号材料的理化指标。CMJ-4属熔融石英类耐磨耐火浇注料，其耐磨性10 cm3（900 3 h），抗热震性30次，耐火度1 640。熔融石英类耐磨耐火浇注料的使用温度、耐磨性及强度略低，但抗热震性较好，较适用于回料器结构较复杂、内衬材料热膨胀多向变化、容易开裂脱落的部位。（8）外置床布风板上表面、顶部内表面、四周墙体、中隔墙及进、出口灰道耐磨耐火层结构见图 10 及图11。上述部位宜采用耐磨耐火浇注料、熔融石英类耐磨耐火浇注料，穿墙管处可采用自流式耐磨耐火浇注料，其性能指标应分别不低 CMJ-2、CMJ-4牌号材料的理化指标。（9）旋风分离器出口烟道的耐磨耐火层，宜采用耐磨耐火浇注料或耐磨耐火浇注料与耐磨耐火制品结合使用，典型结构见图 12，耐磨耐火材料的性能指标应不低于 CMJ-2牌号材料的理化指标。由耐磨耐火材料层及隔热层构成的多层衬里，总厚度300 mm 时，宜选择采用 Y型销钉或抓钉。3 结论（1）CFB 锅炉耐磨耐火材料，应具有一定的耐火度、抗压强度、抗折强度、抗热震性及足够小的线变化率，为保证受热面有效换热，对其导热系数也有一定要求，工程应用时应按照所制定的选型导则进行选择，以减少耐磨耐火材料在运行过程中的故障，提高 CFB锅炉的可靠性。（2）CFB锅炉耐磨耐火材料的选型，须根据不同区域的运行条件及磨损程度，合理选择与之相匹配的耐磨耐火材料及固定方式，结构复杂部位应采用密集销钉固定。旋风分离器靶区等磨损严重的部位，宜选用SiC含量较高、线变化率低、耐磨性能好的耐磨耐浇注料。图 9回料斜管耐磨耐火材料及固定结构Fig.9Abrasion-resistant refractory and fixed structure of stand pipe and loop seal of return material inclined pipe491第 37 卷电力学报（3）CFB 锅炉耐磨耐火材料选型导则的制定，对电站 CFB 锅炉耐磨耐火材料的设计选型、工程建设及运行维护具有重要指导作用。随着电力行业对 CFB机组深度调峰及提高运行灵活性的新要求，需要进一步研究开发能够适应 CFB锅炉快速变负荷要求的新型耐磨耐火材料。参考文献：1 郎丽萍.循环流化床锅炉耐磨耐火材料简介 J.锅炉制造，2019（1）：8-10.LANG Li-ping.Description of Refractory for CFB Boiler J.Boiler Manufacturing，2019（1）：8-10.2 贾若飞，周理杰，李梁，等.循环流化床锅炉水冷壁布风板管爆管失效分析 J.锅炉技术，2017，48（1）：29-31.图 10外置床耐磨耐火材料及固定结构Fig.10Abrasion-resistant refractory and fixed structure of external fluidized bed heat exchanger图 11外置床中隔墙结构Fig.11Partition wall structure of external fluidized bed heat exchanger图 12旋风分离器出口烟道耐磨耐火材料及固定结构Fig.12Abrasion-resistant refractory and fixed structure of cyclone outlet flue-gas duct492第 6 期孙献斌，等：循环流化床锅炉耐磨耐火材料选型研究与导则制定JIA Ruo-fei，ZHOU Li-jie，LI Liang，et al.Failure Analysis on Tube of Water Wall Grid Plates in Circulating Fluidized Bed Boiler J.Boiler Technology，2017，48（1）：29-31.3 吴川林.循环流化床锅炉的发展及耐磨耐火材料的应用 J.电力建设，2002，23（10）：14-17.WU Chuan-lin.Development 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CFB Boiler J.Refractories，2020，54（2）：148-151.14 国家冶金工业局.耐火浇注料抗热震性试验方法（水急冷法）：YB/T 2206.21998 S.北京：国家冶金工业局，1998.State Bureau of Metallurgical Industry.Test Method for Thermal Shock Resistance of Castable Refractory（Water Quenching）YB/T 2206.21998 S.Beijing：State Bureau of Metallurgical Industry，1998.15 李忠善，朱昌煜，李志刚.多阶防磨装置在 480 t/h循环流化床锅炉的应用 J.内蒙古电力技术，2010，28（3）：50-51.LI Zhong-shan，ZHU Chang-yu，LI Zhi-gang.Application of Multistage Anti-Wear Device in 480 t/h Circulating Fluidized Bed Boiler J.Inner Mongolia Electric Power，2010，28（3）：50-51.16 国家能源局.循环流化床锅炉防磨技术导则：DL/T 19062018 S.北京：中国电力出版社，2019.National Energy Administration.Guide of Anti-wear Technology for Circulating Fluidized Bed Boiler：DL/T 19062018S.Beijing：China Electric Power Press，2019.17 李伟庆，丁桂民.CFB锅炉旋风分离器销钉设计研究 J.锅炉技术，2018，49（4）：42-45.LI Wei-qing，DING Gui-min.Design and Research on the Pin of Cyclone Separator for CFB Boiler J.Boiler Technology，2018，49（4）：42-45.18 国家能源局.循环流化床锅炉砌筑工艺导则：DL/T 57052014 S.北京：中国电力出版社，2015.National 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