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循环流化床锅炉燃烧室致密型耐火浇注料耐磨性

文章出处:未知 人气: 发表时间:2019-08-27 09:28
循环流化床锅炉燃烧室致密型耐火浇注料耐磨性
循环流化床燃烧室是窑炉中产生蒸汽的部位,燃烧褐煤、石油焦和固体垃圾等。循环流化床燃烧室的运行中包含着高温、高速运行的固体物质的循环,其中包含流化床用耐火材料和燃料的混合物,温度在900℃左右。燃料在一个垂直的燃烧室中以流态化的方式在约900℃的温度下于还原气氛中燃烧,压力为微正压。固体材料和燃料被通过安装在燃烧床底部的空气喷嘴所喷入的已预热的一次空气和燃烧过程中产生的燃气吹起而实现流态化。空气(一次和二次)和燃气以较高的速度向上流动,在整个燃烧室中充满了悬浮态的固体物质。燃气携带了大部分的固体物质并输送到旋风分离器中使得材料与气流分离开。被旋风分离器分离开的材料被收集在一个流态化的密封容器中,然后在高压下通过密封舱的物料回送管路直接返回到窑炉的下部空间。
耐火材料是循环流化床燃烧室中几个部件的其中一部分,如燃烧室、连接燃烧室和旋风分离器的进气管、旋风分离器、密封舱和连接密封舱与燃烧室的管道等。这些部分通常包括由黏土和红柱石制得的致密耐火材料和铝含量为45%~80%的低水泥浇注料,背衬的保温层包括定型隔热砖、硅酸钙预制件和蛭石或珍珠岩或用熟料制得的轻质浇注料。至于选用何种材料,取决于内部的操作条件。致密耐火材料和浇注料内衬用于由于固体粒子在高温下高速运动所造成的磨损环境中。因此,在致密耐火材料的诸多性能如体积密度、气孔率、热震稳定性、热导率和抗CO侵蚀能力中,耐磨性在确定致密耐火砖和浇注料质量的合适等级时起着重要作用。
为了降低耐火材料消耗,增加传热面积,引入了蒸汽冷却墙,循环流化床燃烧室技术已经从外部的高温旋风分离器(其中耐火材料内衬的温度在900~950℃之间),发展到内部的汽冷旋风分离器(工作温度在450~550℃之间),仅需一层耐磨损的耐火材料。在这些情况下,所用的致密耐火材料必须具有足够的耐磨性以抵抗高速循环的粒径可达6mm的固体粒子和热烟气的磨损。另外,随着耐火材料使用技术从多层耐火砖向双层浇注料设计的转变,循环流化床技术已经能更好地适应市场情况。
在循环流化床燃烧室内,致密耐火材料在高温下受到高速运动的固体粒子的磨损而遭到破坏的风险对于装备的使用寿命是一个严重的威胁。耐火材料由于耐磨性较差而损坏也使燃烧室的连续操作被迫中断。耐火材料表面的磨损过程包括粒子的物理侵蚀及燃料、热气体和渣的化学侵蚀,以及由于粒子在高温下高速循环所造成的物理磨损。需要理解用在燃烧室的高温操作环境下耐火浇注料和用在如旋风进风管的侧墙和顶部的磨损环境下的致密耐火材料的磨损率。尽管已有大量有关固体粒子在高温下对金属和陶瓷磨损的研究,但有关耐火材料的耐磨性的研究还鲜见报道。
关于循环流化床燃烧室中做循环运动的床体材料带来的影响,Bakker等人研究了循环流化床燃烧室用耐火材料的耐磨性。水冷旋风分离器中耐火材料的选择也是建立在对不同的耐火砖和浇注料进行耐磨性测试的基础上。对于循环流化床燃烧室的高温旋风分离技术来说,含有粗细骨料的耐火砖的高温耐磨性已经被研究过,也对用于石化工业流体催化裂化技术的高铝质低水泥浇注料和磷酸盐结合的可塑料的高温耐磨性进行过研究。在文献中所能获得的有关循环流化床用致密耐火浇注料的耐磨测试结果的信息非常缺乏。本论文不仅涉及到循环流化床燃烧室中普遍使用的致密耐火浇注料的耐磨性,还涉及到高温旋风分离技术中的斜坡区如旋风分离器进气管的长短墙和顶部区域。
在循环流化床燃烧室中,使用致密不定形浇注料的趋势在增加,这是由于它们易于施工,通过提高施工技术可以缩短窑炉的停炉时间。然而,铝酸钙水泥结合的浇注料的固有问题是,当温度达到1200℃以上时,由于莫来石的生成,它们将具有更高的体积密度和包括高耐磨性在内的更好的高温性能。然而,在循环流化床燃烧室中,其操作温度在900~950℃以下。因而,本工作包括研究使用普通的低水泥耐火浇注料LCC-45、LCC-80和高铝80(p)可塑料,将使用高温耐磨测试仪在燃烧室的操作温度900℃下测试它们的高温耐磨性。
分别在环境温度27℃和燃烧室操作温度900℃下测试并比较了不同试样的耐磨性能。为了获得更多有意义的结果,关键是选取测试时的冲击角。尽管现行的测试标准规定在燃烧室的高磨损部位如旋风分离器的进气管,靶墙和顶部等部位使用的材料应采用90°的冲击角,而粒子流从低角度的冲击是次要的。但有文献报道强调了粒子的低角度冲击对循环流化床燃烧室的旋风分离器的重要性。基于此,在本研究中,也选择了30°和45°作为冲击角,与90°一起在室温下依据ASTMC704标准测试材料的耐磨性。
材料和试验  
采用低水泥浇注料(LCC-45、LCC-80)和80(p)高铝可塑料进行高温耐磨试验,试样尺寸为100mm×100mm×25mm,
将原料在混合器中搅拌后浇注成试样。试样在空气中养护24h,然后在110℃下干燥24h,随之在900℃下保温3h热处理,再进行高温耐磨试验。
耐磨测试仪用于检测耐火材料试样在高温下的耐磨性,主要由喷吹装置、1个压力调节箱、1个试样测试箱和其它组成,如图1所示。将试样放置在测试箱内,方形面为100mm×100mm,以垂直角度或以30°或45°的小角度对准保护管。
温度从室温升到900℃,升温速率为(5~8)℃/min。试样在测试温度下保温30min。研磨介质为(1000±5)g的黑色碳化硅,其粒径为300~850μm,在(900±10)s的时间内通过一个具有合适的小孔的装料斗,以16kPa的压力冲击到试样表面。完成全部试验后,炉子冷却后试样被移出测试箱,集聚的粉尘被吹刷掉后,以立方厘米为单位计算体积损失。类似地,不升高测试箱的温度,材料在90°和30°冲击角下进行常温耐磨试验。试样的磨损体积损失ΔV用公式(1)计算:式中:ΔV是材料的磨损体积(cm3),M1和M2分别是材料测试前后的质量(g),BD是试样的体积密度(g/cm3)。试样的体积密度和显气孔率根据阿基米德原理使用浸液法测得。
结果和讨论
3种浇注料被广泛应用于循环流化床燃烧室的各个部位。它们是氧化铝基致密浇注料,其铝含量是不同的,表1列出了材料的性能。由表可见,浇注料LCC-45的铝含量为45%,LCC-80的铝含量为80%,80(p)是耐火可塑料,铝含量可达82%。
图3示出了材料在不同的冲击角30°、45°和90°下的磨损量(cm3)。在燃烧室操作温度900℃下,LCC-45和LCC-80在不同的冲击角下都显示出了良好的耐磨性。然而,可塑料80(p)在3种不同的冲击角下的磨损量都较大。结果显示出可塑料在高温下以及易磨损的环境中的脆弱性。值得注意的是,从大量的试验结果来看,浇注料的耐磨性并没有随着温度的升高而呈现上升的趋势。其原因是在浇注料所处的温度下,莫来石还未大量生成,而莫来石有助于使材料获得足够的高温力学强度。与其它两种材料相比,80(p)的耐磨性最差。
耐火浇注料LCC-45和LCC-80的磨损量较低且相近,可塑料80(p)的磨损量则比前两者要高。与冲击角30°和90°相比,当冲击角为45°时,材料的磨损量较低。从试验结果上看,在高温下,当冲击角从小到大变化时,3种浇注料的磨损量并没有发生显著的变化。
图4显示了在常温下3种浇注料的耐磨性随冲击角的变化。材料的磨损量取决于冲击角的大小。与LCC-45相比,当冲击角为90°时,80(p)和LCC-80的磨损量大幅度上升。在常温下,耐火材料具有易碎的性质。与冲击角30°相比,90°的冲击角将会给材料带来更大的破坏。它们的磨损行为与从不同的高铝砖中获得的结果类似。在给定的测试条件下,在室温下,LCC-80在冲击角为90°时的磨损量最低,80(p)在冲击角为30°时的磨损量最低,但在90°时的磨损量则最高。在常温下测试时,可塑料80(p)具有较好的耐磨性。
根据ASTMC704所规定的耐火材料耐磨性测试方法,对3种材料进行了测试,并与本工作中常温下的测试结果进行了比较,结果示于图5。在常温下,当冲击角为90°时,依据ASTM所检测的经过预烧的试样的磨损量非常相似,与同样在90°下进行高温测试得到的结果也有可比性。从结果可以看到,低水泥浇注料的磨损量相对较低。尽管低水泥浇注料LCC-80的铝含量较高,但是高的铝含量并没有使其磨损量降低。而且,可塑料80(p)是磷酸盐结合,依据ASTMC704检测所得到的磨损量较低。根据ASTMC704所得到的可塑料80(p)的抗磨损结果是最好的,但是从图3来看,很明显,当温度升高到900℃时,可塑料80(p)的磨损量较高。因此,依据ASTMC704的测试方法不能提供可塑料80(p)实际的磨损量数据。
图6显示了使用SiC作为磨损介质时,3种试样的磨损量(cm3)。测试结果显示了在循环流化床燃烧室中常用到的3种主要的耐火材料在常温和窑炉运行温度下,在不同的冲击角下的耐磨性测试结果。与在生产过程中经过烧成的定型制品不同,浇注料未经烧成而容易磨损。这可能是由于莫来石在990℃左右会快速生成,而循环流化床燃烧室在运行时达不到这个温度,故莫来石无法生成。含有莫来石的定型制品的耐磨性较好。已经有了经过预烧的铝硅系制品在高温下的耐磨性的研究。在高温下(炉子的运行温度),低水泥浇注料LCC-80的耐磨性最好,LCC-45次之,而可塑料80(p)最差。
为了理解所选取的3种高铝质浇注料的微观结构,对试样的光片进行了SEM观察和分析。图7(a)、(b)、(c)分别是LCC-45、LCC-80和80(p)在900℃下,于90°的冲击角下受磨损的SEM图像。3种试样的磨损方式相似。较弱的、多孔的结合相首先被驱逐出去,导致结构疏松,将刚玉骨料暴露于磨损介质的碰撞之下。
3种被测试的材料在受磨损时的易碎机理在SEM图像上表现的非常明显。图8(a)是LCC-80在900℃下磨损的图像,可见骨料已经破裂。由于磨损介质的作用,骨料的破裂将会进一步导致颗粒的牵拉或破损。从图8(a)可见,具有较好的耐磨性的LCC-80的结合相较差,骨料则较强。可塑料80(p)较差的耐磨性可以从图8(b)得到证实,更多的结合相被拔出,对骨料造成了更大的损坏。
 结 论 
从试验结果可以得出如下结论:
(1)对低水泥浇注料LCC-45、LCC-80,常温耐磨测试已经可以满足要求。
(2)对可塑料80(p),室温下和900℃下的耐磨性测试结果相差较大。因而,建议对可塑料和捣打料进行高温下的耐磨性测试。
(3)依据ASTMC704进行的测试不能提供可塑料80(p)的实际磨损量数据。在测试过程中,可塑料表现出了良好的耐磨性,但在高温下,却比LCC-45和LCC-80的磨损量要大。而且,在常温下于不同的冲击角下测试时,可塑料的磨损与LCC-45和LCC-80的相似,但是在高温下却有较大的磨损损失。
(4)尽管低冲击角与炉内的实际工作情况相吻合,但是结果表明,对3种受测试的材料来说,不同的冲击角得到的测试结果的差别并不大。
(5)与另外两种浇注料相比,LCC-80具有足够的耐磨性,因此可以使用在旋风分离器进风管等高磨损区域。
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