水冷壁防磨喷涂.docx

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水冷壁防磨喷涂

分类号：

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UDC：

编号：

窑街煤电集团有限公司

科学研究报告

循环流化床锅炉水冷壁综合防护技术

研究报告

窑街劣质煤热电厂

2010年10月

窑街劣质煤热电厂循环流化床锅炉水冷壁

综合防护技术研究

二O一一年七月

一、循环流化床锅炉简述

二、循环流化床锅炉汽水系统

三、循环流化床锅炉的基本构成

四、循环流化床锅炉的工作过程

五、循环流化床锅炉的主要优点

六、循环流化床锅炉的缺点或尚待进一步研究的问题

七、循环流化床锅炉受热面的防磨研究

八、经济效益

九、结束语

窑街电厂循环流化床锅炉水冷壁

综合防护技术研究

摘要：

窑街劣质煤热电厂采用SG-130/3.82-M245型循环流化床锅炉,自投产运行以来，一直出现锅炉密相区出口水冷壁管的磨损爆管而被迫停炉的问题。

本文根据锅炉水冷壁磨损机理，结合国内应用比较成功的循环流化床锅炉防磨技术，介绍我厂“防磨挡板”＋“金属喷涂”综合防磨措施的设计及施工工艺。

关键词：

锅炉水冷壁综合防磨保护

一、锅炉简述

本厂#1、#2、#3、#4锅炉采用SG-130/3.82-M245型循环流化床锅炉。

它为单汽包、自然循环、集中下降管，П形布置的燃煤循环流化床锅炉，全钢构架。

炉膛为膜式水冷壁悬吊的封闭结构，上部的横截面尺寸为4.513×6.993m2。

左右两个高温汽冷旋风筒位于炉膛出口和尾部竖井烟道之间，旋风筒采用膜式汽冷管结构，管内的流动介质为汽包出来的饱和蒸汽，旋风筒采用支撑结构。

旋风筒出口水平烟道，尾部包覆过热器采用悬吊封闭结构。

高温过热器、低温过热器通过支块挂搁在包覆过热器上。

省煤器和空气预热器依次布置在尾部竖井烟道之中，并采用支撑结构。

低温过热器与高温过热器之间装有自制冷凝喷水减温系统。

锅炉汽水总容积63.947立方米；

锅炉水容积42.0立方米.

二、锅炉汽水系统

1、#1、#2、#3、#4汽包用U型吊杆悬吊在炉顶钢架上，吊杆对称布置在汽包的两端。

汽包内径为φ1508mm，壁厚为46mm，长约9000mm,材料为SB410进口锅炉钢板，重约20T。

汽包正常水位在汽包中心线以下的100mm处。

因为本锅炉省煤器为沸腾式省煤器，因此在汽包进水管口加装3只直径为φ290mm的旋风分离器作为汽水分离装置，以消除进水动能，保证蒸汽品质和防止下降管带汽。

蒸汽分离亦采用35只旋风分离器作为汽水分离装置。

顶部设有百页窗分离器，底部装有托盘以减少汽包水位波动。

饱和蒸汽由8根φ133×6的蒸汽引出管引至左右旋风分离器。

2、给水自省煤器由4根φ108×6的管子引入汽包，2根φ356×20的大口径下降管把水分配到炉膛下集箱,汽包上设有在启停时需用的再循环管阀.大口径下降管入口处设置了十字档板,可有效的防止下降管带汽和抽空现象,以保证水循环的可靠性。

3、炉膛水冷壁

（1）炉膛水冷壁采用膜式壁结构，水冷壁管规格为φ60×4，其节距为80mm，由刚性梁将整个水冷壁组成刚性吊筐式结构。

水冷壁及出口集箱由上吊杆悬吊于钢架的顶部梁上，整体向下膨胀，最大膨胀量约为91.6mm。

水冷壁分前、后、左、右四个回路，水由2根下降管引到运转层下面φ406×45的分配器，然后再由20根φ133×6的支管分别引入各个回路的水冷壁下集箱，经炉膛加热后汇集到水冷壁上集箱，再由24根φ133×6的引出管引进汽包。

（2）炉膛上部横截面为4.513×6.993m2，炉膛下部的前后水冷壁向中间收缩形成倒锥形，在炉膛底部面积达到1.92×7.713m2.炉膛后墙的下部水冷壁通过中间混合集箱连接,从而形成向前微倾斜的布风板水冷壁结构,布风板面积为6.88×1.92m2,布置有510只,材料为ZG20Cr20Mn9N:

6N的风帽。

炉膛工作温度为900℃，布风板流化速度为5.8m/s,密相区高度约为3.7m。

水冷壁四周外侧沿高度方向装设刚性梁，以增加水冷壁刚度和承受炉内压力波动的能力，炉膛耐压按870mmH20设计。

（3）#4锅炉炉膛上部悬挂两块水冷屏，水冷屏管子直径为φ60×5mm。

水冷屏进出口联箱通过φ159×12mm的小下降管与汽包连接。

4、过热系统

过热系统由旋风筒、过热器（包覆墙管过热器、蛇形管高、低温过热器。

纯对流、顺列布置）等组成。

工质在过热系统中的流程为：

汽包→旋风筒上集箱→旋风筒下集箱→包覆前墙下集箱→包覆前墙上集箱→包覆顶棚、左右包覆上集箱→低温过热器进口集箱→低温过热器出口集箱→左右减温器→高温过热器出口集箱→集汽集箱→汽机。

三、循环流化床锅炉的基本构成

循环流化床锅炉可分为两个部分。

第一部分由炉膛（流化床燃烧室）、气固分离设备（分离器）、固体物料再循环设备（返料装置、返料器）和外置换热器等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。

第二部分为尾部对流烟道，布置有过热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。

1、炉膛:

炉膛的燃烧以二次风入口为界分为两个区。

二次风入口以下为大颗粒还原气氛燃烧区，二次风入口以上为小颗粒氧化气氛燃烧区。

燃料的燃烧过程、脱硫过程、NOx和N2O的生成及分解过程主要在燃烧室完成。

燃烧室内布置有受热面，它完成大约50%燃料释放热量的传递过程。

2、分离器：

循环流化床锅炉的分离器是循环流化床锅炉燃烧系统的关键部件之一。

其主要作用是将大量高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，实现燃烧系统灰平衡及热平衡，保证炉内燃烧的稳定与高效。

3、返料装置：

返料装置是循环流化床锅的重要部件之一。

它的正常运行对燃烧过程的可控性、负荷调节性能起决定性作用。

返料装置的作用是将分离器收集下来的物料送回炉内循环燃烧，并保证流化床内的高温烟气不经过返料器装置短路流入分离器。

所以，返料装置既是一个物料回送器，也是一个锁气器。

四、循环流化床锅炉的工作过程

流化床燃烧是床料在流化状态下进行的一种燃烧，其燃烧可以为化石燃料、工农业废弃物和各种劣质燃料。

一般粗重的颗粒在燃烧室下部燃烧，细颗粒在燃烧室上部燃烧。

被烟气携带出燃烧室的细颗粒采用分离器分离下来，返回炉内循环燃烧。

在燃煤循环流化床锅炉的燃烧系统中，燃料煤首先被加工成一定粒度范围的宽筛分煤，然后由给煤机送入流化床密相区进行燃烧，其中许多细颗粒物料将进入稀相区继续燃烧，并有部分随烟气飞出炉膛。

燃烧过程产生的大量高温烟气流经过热器、省煤器、空气预热器等受热面进入除尘器进行除尘，最后由引风机排至烟囱进入大气。

循环流化床锅炉燃烧在整个炉膛内进行，而且炉膛内具有很高的颗粒浓度，高浓度颗粒通过床层、炉膛、分离器和返料装置，再返回炉膛，进行多次循环，颗粒在循环过程中进行燃烧和传热。

锅炉给水首先进入省煤器，然后进入汽包，经下降管进入水冷壁管。

燃料燃烧所产生的热的汽水混合物进入汽包，在汽包内进行汽水分离。

分离出的水进入下降管继续参与水循环，分离出的饱和蒸汽则进入过热器系统极热变为过热蒸汽。

五、循环流化床锅炉的主要优点

1、对燃料的适应性特别好。

飞灰再循环量的大小可以改变床内的吸热份额，所以循环床锅炉对燃料的适应性特别好。

只要燃料的热值大于把燃料本身的燃烧所需空气加热到稳定燃烧温度所需的热量，这种燃料就能在循环流化床内稳定燃烧。

2、燃烧效率高。

常规工业锅炉和流化床锅炉燃烧效率为85%～90%。

循环流化床锅炉由于采用飞回再循环燃烧，当燃烧劣质煤燃料和优质燃料时，其锅炉燃烧效率可达95%～99%，能与煤粉锅炉相媲美。

3、炉内传热能力强。

由于飞灰再循环燃烧克服了常规流化床锅炉床内燃烧释热份额大、悬浮段释热份额小的缺点，提高了锅炉的炉膛截面热强度和容积热负荷。

常规流化床锅炉的炉膛截面热强度为1～3MW/m2，炉膛容积热强度为0.1～0.2MW/m3。

而循环流化床锅炉的炉膛截面热强度为3～8MW/m2，炉膛容积热强度为0.16～0.32MW/m3。

4、脱硫效率高。

由于飞灰的再循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应的石灰石能再回到床内与SO2反应，提高石灰石的利用率。

当钙硫比为1.5～2.0时，脱硫效率可达85%～90%。

而常规流化床锅炉，当钙硫比为3～4时，脱硫效率才能达到85%～90%。

后者的钙的消耗量增加一倍多。

5、NOx排放量低。

由于循环流化床锅炉采用分级燃烧，温度可以控制在830℃～850℃范围内稳定燃烧，NOx的生成量显著减少，其排放浓度为1200mg/m3，而常规流化床锅炉燃烧和煤粉炉燃烧，其NOx的排放浓度分别为其2～3倍。

6、负荷变化范围大，调节性能好。

当锅炉负荷变化时，只需调节给煤量和流化速度就可以满足负荷的变化。

在低负荷时，循环流化床锅炉不需要像常规流化床锅炉那样采取分床压火，也不需要像煤粉炉那样用油助燃。

一般情况下，循环流化床锅炉热负荷变化范围为100%～25%，其变化速率为5%～10%。

这一优点使循环流化床锅炉用于电网的调峰机组、热负荷变化大的热电联产机组和供热工业锅炉时特别适应的。

7、给煤点数少。

循环流化床锅炉内由于颗粒浓度较小，横向颗粒混合特性较好，不需要像鼓泡床锅炉那么多的给煤点。

130T/H蒸发量的鼓泡床锅炉有6个给煤点，而循环流化床锅炉有1～2个给煤点就可以了，这大大简化了炉前给煤点的布置，为流化床锅炉的大型化创造了有利条件。

8、易于实现灰渣综合利用。

循环流化床锅炉的燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉灰渣的含碳量低。

低温燃烧的灰渣易于实现综合利用，如灰渣作为水泥掺和或建筑材料。

同时，低温燃烧也有利于灰渣中稀有金属的提取，脱硫后含有硫酸钙的灰渣还可以用来制作膨胀水泥。

六、循环流化床锅炉的缺点或尚待进一步研究的问题

（一）循环物料的分离。

目前循环流化床锅炉从运行情况看，高温旋风分离器使用比较成熟，但在燃用高灰燃料时分离器的磨损问题尚未解决，而且分离器的体积也比较庞大，基本上和炉膛直径相近。

受旋风分离器最大尺寸的限制，大容量循环流化床锅炉必须配备多个分离器。

由于旋风分离器内衬有较厚的防磨耐火材料，热惯性大，因此延长了启动时间，负荷变化动态特性变差。

总之，循环流化床锅炉的发展要求效率高、体积小、阻力低、磨损轻和制造运行方便的循环物料分离装置。

（二）循环流化床内固体颗粒的浓度选取。

循环流化床内固体颗粒浓度对燃烧过程、脱硫过程和传热过程都有很大的影响，但合适的循环流化床内固体颗粒浓度的确定却十分困难。

目前各循环流化床锅炉所采用的炉内颗粒浓度相差很大。

反应炉内颗粒浓度的一个重要参数是循环倍率，在分析循环流化床锅炉的工作过程时，不仅要考虑物料的外部循环，即通过旋风分离器捕捉返回炉膛的部分，还要考虑炉膛内部的物料循环。

在锅炉运行时，随着运行风速的提高，物料的内循环将显著增强。

目前，对循环流化床锅炉内循环的定量分析还缺乏有效手段。

合理的床内循环颗粒浓度的选取受燃烧、脱硫、磨损、能耗等一系列因素的影响。

（三）炉内受热面布置和温度控制。

为了保证循环流化床锅炉的炉内温度控制在一定范围内，在固体颗粒循环回路中必须吸收一部分热量。

目前炉内吸热主要有以下两种办法：

一种是在炉膛内布置水冷壁或隔墙；另一种是在炉膛内布置部分受热面，在固体物料循环回路上再布置流化床换热器。

前一种方法主要是靠调节返料量调节床内固体颗粒浓度，以改变水冷壁的换热系数，从而改变炉内的吸热量来控制床温；第二种方法则仅需要调节进入流化床换热器和直接返回炉内的固体物料量的比例，便可控制床温，相对比较灵活，特别适合大容量的循环流化床锅炉。

不过，对于上述两种方法的优化及新的控温方式，包括自动控制温度等，仍有必要进行更进一步的研究。

（四）循环流化床锅炉部件的磨损

1、循环流化床锅炉内受热面产生磨损的原因

循环流化床锅炉内的受热面包括炉膛水冷壁、炉内受热面、尾部对流烟道受热面等，这些受热面中除尾部对流烟道受热面的磨损与常规煤粉炉相似外，其它受热面的磨损过程是十分复杂的，造成循环流化床锅炉受热面产生磨损的原因有：

（1）烟气中颗粒对受热面撞击产生的磨损。

（2）受热面表面受运动速度相对较慢的颗粒冲刷所造成的磨损。

（3）沿受热面运动的固体颗粒受其他颗粒的作用，利用贴壁的固体颗粒作为磨损介质，使受热面产生磨损，这也就是所谓的三体磨损。

（4）随气泡快速运动的颗粒对受热面产生的磨损。

（5）气泡破裂后颗粒被喷溅到受热面表面从而对受热面产生磨损。

（6）炉内局部射流造成受热面的磨损，循环流化床锅炉中的各种射流包括（燃料和脱硫剂）口射流、固体物料再循环口射流、布风板风帽的空气射流、二次风空气射流以及因管道泄露造成的射流等，射流卷吸的床料对相邻的受热面形成直接的冲刷而造成磨损。

（7）伴随着炉内和炉外固体物料整体流动形式所造成的受热面磨损。

（8）由于几何不规则造成的受热面的磨损，例如不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上的焊缝、炉内热工测试元件等处附近产生局部涡流从而使受热面产生磨损。

2、循环流化床锅炉内受热面的磨损机理

在循环流化床锅炉的运行中，除正常的由于旋风筒返料形成的外循环外，还有炉膛内物料的内循环。

这种内循环形成流体动力学结构，即典型的环-核结构：

在内部核心区内，颗粒团受流化风的携带及卷吸而形成向上流动；而在外部环状区，固体物料沿炉膛水冷壁面向下回流，环状区的厚度从床底部到顶部逐渐减薄。

在循环流化床锅炉的运行中，固体物料沿炉膛水冷壁面的向下回流是水冷壁管产生磨损的主要原因。

七、循环流化床锅炉受热面的防磨研究

（一）失效分析

管壁的磨损是与气流中固体物料浓度、烟气速度、颗粒的特性硬度和流道几何形状等密切相关。

研究表明，冲刷磨损量大约与气流速度的3.6次方成正比。

而在循环流化床锅炉中，固体物料的浓度巨大，通常可达煤粉炉的几十倍到上百倍，并且烟气流速大，颗粒硬且棱角尖锐，因而在高速烟气的带动下，对循环流化床锅炉水冷壁等受热面部位的冲刷磨损极为严重；尤其在护墙顶部水冷壁部位，由于位处密相区边缘区，不但受到严重的高速高浓度含床料、燃料气流的强烈冲刷、磨损，而且存在严重的涡流效应、切割效应和离心作用。

涡流效应在炉膛四角部位，由于该处形成边壁流，物料汇集此处较多，且由于固体颗粒的惯性作用，局部磨损作用尤为明显，而切割效应体现在防护墙根部水冷壁处，其原因是由于防护墙的顶部提供了一个平台，当固体颗粒以较高的速度下降到该平台时流向发生变化，对水冷壁管侧进行直接冲刷磨损。

在上述因素作用下，导致受热面管逐渐被磨蚀减薄，当局部承受不了管内水汽压力时即造成爆漏而失效。

图一：

密相区水冷壁磨损失效

（二）水冷壁综合防磨技术

1、防磨挡板

在循环流化床锅炉运行中，炉内边界层固体颗粒主要以沿水冷壁下滑运行为主。

目前国内运行的循环流化床锅炉密相区出口区域主要采取的防磨措施为进行金属喷涂，但由于各方面条件的限制，锅炉运行不到一年的时间，金属喷涂层基本全部磨损完。

根据循环流化床锅炉炉内边界层物料流动的特点，在水冷壁磨损严重区域的不同高度加装挡板，通过改变边界层物料的流动方向，进一步减少边界贴壁下滑物料浓度的途径，达到水冷壁管防磨的目的。

在采用防磨挡板后，边界贴壁下滑的颗粒首先跌落到第一个

图二：

水冷壁卫燃带顶部磨损失效

挡板沉积的物料上，然后沿挡板上松散堆积的物料表面远离水冷壁管倾斜下滑。

下滑过程中，虽受上升气流卷吸作用的影响，有部分颗粒又会贴壁下滑，但很快会跌落到下一层挡板上或跌落到锅炉卫燃带上，不会再继续冲刷磨损水冷壁管。

2、目前国内现有防磨挡板技术概况：

梁体材料

横梁数量

横梁间距

特点

方案一

扒钉＋

耐火材料

炉墙根部到炉顶

1.4-1.8m

防护效果好，影响锅炉出力，成本高

方案二

扒钉＋

耐火材料

炉墙根部往上2-3道

0.6-1.0m，由下往上间距逐个加大

防护效果好，基本不影响锅炉出力，成本较低

方案三

金属钢板条

炉墙根部往上4道

1.1-1.5m，由下往上间距逐个加大

防护效果次之，不影响锅炉出力，成本低

3、“防磨挡板”＋“金属喷涂”综合防护设计

首先对炉墙根部往上4米左右区域内、炉膛四角、烟气出口两侧区域等水冷壁管磨损严重部位，采用超音速电弧喷涂工艺，喷一层厚度为0.6-0.8mm的高温耐磨防腐的HDS88A金属合金涂层，

然后在离炉墙根部往上每间隔0.6-1.0m制作一道防磨挡板。

根据具体磨损严重程度由下往上间距逐个增大制作二至三道防磨挡板即可满足防护要求，使用寿命可达一年以上。

图三：

防磨喷涂施工中

4、金属喷涂层技术指标

（1）、HDS-88A涂层技术指标

厚度：

0.6-0.8mm粒子速度：

386m/s

结合强度：

≥55MPa硬度：

≥HRC60

抗高温氧化性：

+12.16mg/cm2（750℃氧化250h）

孔隙率：

≤0.9%基体温度：

≤270℃

工件变形性：

不变形，不改变母材表面金相组织结构和理化性能

（2）、高温耐磨防腐专用封孔层

工作温度：

1000℃耐磨性：

≤10mg/1000r

结合强度：

≥6MPa厚度：

0.05-0.1mm

（3）KM型高温耐磨抗蚀专用封孔剂说明

KM型高温耐磨抗蚀专用封孔剂系采用超硬新材料，合成新工艺，以及粒子的配级等技术精心加工、配制而成，在常温下可快速固化，高温下形成坚硬的陶瓷体。

其高温耐磨性好，导热系数大，抗蚀性强，与金属表面粘结具有极强的吸附性和热震稳定性，

图四：

防磨喷涂施工完效果

不脱落、不出现裂纹等特点。

用其对金属热喷涂涂层表面进行封孔，能有效渗透、浸润涂层孔隙，并在高温下逐渐陶瓷化，使整个涂层更致密，阻止介质中的有害成份通过微小的涂层隙进入涂层内部，能获得有效封闭毛细孔的效果。

5、施工条件

为了作好施工准备工作，其施工需要具备以下条件：

电源：

380V20KW三相交流电

气源：

气压＞5kgf流量＞5m3/min

平台：

长4m（最少3m）宽2m（最少1.5m）

喷涂工件的位置离主机放置位置的距离不超过15m

施工部位所需的脚手架

5、施工工艺

施工工艺流程：

表面预处理→喷砂作业→喷涂作业→预测厚度→封孔→自查、清场

（1）表面预处理：

首先清理各工作表面上的浮灰、渣等杂质。

（2）喷砂作业：

用喷砂机对工作表面进行喷砂处理，达到表面干燥、无灰尘、油脂、污垢和锈斑，表面清洁度达到GB8923中规定的“Sa3.0”级，露出金属光泽，表面粗糙度达到GB11373中规定的“Rz50-90μm”。

（3）喷涂作业：

对喷砂后的工作面进行喷涂作业，涂层表面要求平整、光洁、致密、均匀，且和基体结合完好，无起皮、开裂、麻面、脱落等缺陷，过渡区与母材光滑过度，无台阶存在，基材不变形，孔隙率低于0.9%。

（4）预测厚度：

用测厚仪对金属热喷涂涂层进行测量，保证涂层厚度均匀，并达到规定要求。

（5）封孔：

在扒钉焊接部位，应等扒钉焊好后，再用KM高温耐磨专用封孔剂对金属热喷涂涂层表面进行封孔，以阻止介质中的有害气体通过微小的涂层隙进入涂层内部，有效封闭毛细孔。

6、防磨挡板制作技术

（1）、技术原理

图五：

防磨梁+喷涂整体效果图

MC-Ⅲ型高温抗磨捣打料是采用白刚玉、棕刚玉和多种金属纳米粉配成A组份。

在施工时，采用金属扒钉为骨架材料，采用特种胶结剂B组份作胶联材料，形成衬里整体，使之在常温下能以化学态固化，在常温下固化后，其抗压强度为60Pa，抗折强度为7Pa；在加温下，能形成陶瓷体，在150℃-1700℃范围内，其抗压强度、抗折强度和耐磨性能更好，可以耐强冲刷和各种介质的腐蚀。

因MC-Ⅲ型高温抗磨衬里材料良好的粘结性能、耐磨性能和耐蚀性能，所以不论其在常温下固化或在加温下形成陶瓷体，均能很好地保护密相区水冷壁管。

（2）、粘结性能：

施工采用耐热扒钉做骨架材料，增强了衬里材料同工作面的结合强度，使之形成整体；其次衬里材料使用的特种胶结剂粘结性强，不发生脱落。

（3）、耐冲刷磨损性能：

衬里材料采用了耐磨性高的各种骨料并添加了纳米粉及特种外加剂，固化后抗压和抗折强度大、硬度高，其耐冲刷磨损性能是普通铸石的数十倍。

（4）、耐腐蚀性能：

衬里材料注意选用防腐性强的材料，其次其固化后形成一整体，随温度升高而逐渐陶瓷化，结构致密，可耐酸碱盐等各种介质腐蚀。

（5）、施工工艺

施工流程为：

表面处理→焊扒钉→配料→捣打→自检→注意事项

（6）、表面处理：

先用工具将浮灰等杂物清理干净，以便焊扒钉。

（7）、焊扒钉：

按照要求在鳍片上焊上V型扒钉，不能出现松动。

焊好扒钉后，应对该部位金属喷涂层进行封孔处理。

（8）、配料：

将衬里材料A组份倒入搅拌机中预拌均匀，达到均匀松散后，将B组份慢慢置入粉料中并搅拌均匀。

使胶料搅至均匀，稀稠适当便于施工。

（9）、捣打：

将搅拌好的胶料，用桶装好，捣打成型，梁宽80—100mm左右，厚度距水冷壁外壁40—50mm。

（10）、自查：

施工结束后进行自查，对不合格处进行修整。

（11）、注意事项：

捣打完毕之后，其常温固化时间不得少于24小时，在未经固化之前，不得受水冲刷，之后方可点炉升温使用。

八、经济效益

九、结束语

以上防磨措施经现场实际运行检验，可以使锅炉运行周期大大延长，爆管次数由原来的11次/年*台下降到目前的1次/年*台，效果比较明显。