配煤摻燒對水冷壁管使用性能的影響及應(yīng)對措施

孫 越

(大唐東北電力試驗研究院有限公司，長春 130012)

1 配煤摻燒目的和意義

由于我國煤炭供應(yīng)市場局面越來越緊張，電廠釆購的煤種越發(fā)多樣化，煤種特性偏差較大，鍋爐燃煤煤質(zhì)偏離設(shè)計煤種，一些煤種不適應(yīng)鍋爐的類型。因此，配煤摻燒的關(guān)鍵在于發(fā)揮各摻配煤種的優(yōu)點，整合好各種煤在特性上的差異，配摻出綜合性能最佳、相對穩(wěn)定的新“煤種”，以此適應(yīng)燃燒優(yōu)化調(diào)整。在滿足鍋爐設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，盡可能提高鍋爐效率并降低煤耗，從而達到節(jié)能減排的目的。

配煤摻燒的首要原則是保證煤種摻燒過程中的燃燒性能，即保證混煤在鍋爐內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性。煤種的燃燒特性主要是著火性能和燃燼性能，影響燃燒特性的最主要指標為發(fā)熱量、揮發(fā)分等。配煤摻燒的現(xiàn)實意義和必要性對現(xiàn)代火電廠來說是不容置疑的，但由于配煤摻燒所用的各種煤在特性上存在差異，導致配煤摻燒后出現(xiàn)水冷壁結(jié)焦、結(jié)渣等亟待解決的問題，嚴重威脅著電廠的安全運行。

2 配煤摻燒對水冷壁管使用性能的影響

配煤摻燒的煤質(zhì)是決定煤燃燒特性發(fā)熱量和揮發(fā)分兩個重要指標的決定性因素，同時發(fā)熱量及揮發(fā)分又對水冷壁的安全運行起著至關(guān)重要的作用。

2.1 發(fā)熱量

發(fā)熱量表征了煤炭作為燃料使用的價值，是煤炭最重要的性能指標。當機組運行時，配煤摻燒影響著煤炭的發(fā)熱量，發(fā)熱量過高會使鍋爐燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)焦趨勢增強，對煤粉在爐內(nèi)的燃燼性不利，并且易引起爐膛內(nèi)熱負荷增加，從而影響到鍋爐的安全運行[1]。

某電廠頻繁發(fā)生水冷壁爆管事故，水冷壁爆口如圖1所示。水冷壁的爆口處張口較大，爆口處管壁減薄明顯，測厚1.9 mm；爆口處管徑未見明顯變粗；管內(nèi)壁無腐蝕坑點，外壁未見裂紋；金相及化學分析，未發(fā)現(xiàn)組織異常；經(jīng)分析確定該水冷壁爆管原因為高溫腐蝕減薄。根據(jù)腐蝕產(chǎn)物的差別，煤粉鍋爐水冷壁高溫腐蝕一般有以下幾種形式：硫酸鹽型高溫腐蝕、硫化物型高溫腐蝕、氯化物型高溫腐蝕，其中硫化物型高溫腐蝕是水冷壁高溫腐蝕中較為常見的類型。經(jīng)檢查，該電廠爆管水冷壁周圍管材上附著具有一定厚度的硫化產(chǎn)物，實際圖片如圖2所示。該廠配煤摻燒以前水冷壁并未出現(xiàn)大量結(jié)焦，配煤摻燒后結(jié)焦的程度逐漸加劇。

圖1 水冷壁爆口宏觀圖片

圖2 水冷壁硫化物附著圖片

綜合分析可知，由于配煤摻燒導致煤質(zhì)變差，燃煤中的硫在燃燒過程中產(chǎn)生游離態(tài)的硫和硫化氫，它們破環(huán)了管壁上的氧化保護膜，生成了鐵的硫化物進一步腐蝕水冷壁管。與此同時，配煤摻燒發(fā)熱量較高導致水冷壁大量結(jié)焦，在高溫煙氣的作用下，黏結(jié)在水冷壁管上的灰渣會與管壁發(fā)生復(fù)雜的化學反應(yīng)，造成水冷壁管的高溫腐蝕，因此水冷壁結(jié)焦也加劇了水冷壁管的高溫腐蝕。

2.2 揮發(fā)分

除發(fā)熱量之外，配煤摻燒同樣影響著煤中揮發(fā)分。煤中揮發(fā)分的多少與煤種有著直接的關(guān)系。一般來說，揮發(fā)分的數(shù)量隨煤的碳化程度的加深而減少，混煤的揮發(fā)分亦可由各組成煤的算術(shù)比測算確定。煤種揮發(fā)分過高時，不僅著火距離縮短，對燃燒器和制粉系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成威脅，而且會因燃燒中心區(qū)域溫度過高而導致該區(qū)域四周水冷壁結(jié)焦、結(jié)渣[2]。

水冷壁管工作在高溫、固體物料沖蝕、煙氣腐蝕的惡劣環(huán)境，加之配煤摻燒對煤質(zhì)的發(fā)熱量及揮發(fā)分的影響，因此配煤摻燒更加容易使水冷壁結(jié)焦、結(jié)渣，導致水冷壁管更加容易產(chǎn)生沖蝕磨損和高溫腐蝕，使管壁減薄甚至磨穿，給鍋爐的安全運行帶來巨大的危險性。因此，生產(chǎn)過程中確保水冷壁的安全性至關(guān)重要。

3 水冷壁管高溫腐蝕的防治措施

采用表面工程的技術(shù)手段可以在水冷壁表面制備具有耐磨、耐蝕的涂層，能夠有效地增強水冷壁的使用性能，改善配煤摻燒帶來的水冷壁高溫腐蝕嚴重的問題。目前，水冷壁管表面功能涂層的制備手段主要集中在焊接修復(fù)技術(shù)、噴涂修復(fù)技術(shù)、激光熔覆修復(fù)技術(shù)等。

3.1 焊接修復(fù)技術(shù)

零件的焊接修復(fù)方式可總結(jié)為交直流焊機修復(fù)和氬弧焊修復(fù)兩種。交流焊機修復(fù)的方法，因其工藝限制較大，在電力修復(fù)領(lǐng)域中基本不再使用。直流焊機電弧溫度較高，工藝參數(shù)可精確控制。但是在對零部件焊接修復(fù)的過程中，熱輸入量較大，因此焊后易變形，并且焊接精度較低[3-4]。氬弧焊修復(fù)的電弧穩(wěn)定，能量密度集中，熱影響區(qū)較窄，產(chǎn)生熱應(yīng)力、變形、裂紋傾向小，但精密零部件修復(fù)易變形的問題仍然不可避免。

3.2 噴涂修復(fù)技術(shù)

噴涂技術(shù)是一種噴槍利用高速氣體使霧化成微細液滴或高溫顆粒的涂層材料，高速地噴射到基件表面形成涂層的工藝，原理如圖3所示，可分為等離子噴涂、超音速電弧與火焰噴涂、冷噴涂等。涂層有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和隔熱等優(yōu)良性能，但由于其涂層材料與基件呈機械結(jié)合，因此結(jié)合強度不高，同時涂層的孔隙率較高，耐腐蝕、絕緣、抗氧化性能不足。

圖3 噴涂原理示意圖

噴涂Ni60涂層較為常見，但由于涂層與基體呈機械結(jié)合，結(jié)合強度較低，熱影響區(qū)較大，在進行大面積水冷壁噴涂強化時會引起較大變形，造成涂層的脫落，導致涂層的使用性能下降甚至失效，因此結(jié)合力的問題制約著噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

3.3 激光熔覆修復(fù)技術(shù)

激光熔覆技術(shù)可大幅度提高材料表面的抗磨損、耐腐蝕和耐高溫氧化性能。激光熔覆是表面工程技術(shù)領(lǐng)域最具代表性的成形技術(shù)之一，優(yōu)勢明顯并且已廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、石油化工、電力工程修復(fù)領(lǐng)域中金屬材料的表面處理，以提高其耐磨、耐蝕等性能。

激光熔覆修復(fù)技術(shù)的主要優(yōu)勢具體如下。

(1)涂層稀釋率低(<5%)，并且可精確控制。精確控制激光熔覆的熱輸入量可以將基體材料的稀釋程度降到最低，從而在保證熔覆層和基體冶金結(jié)合的同時保持原有的優(yōu)異性能。

(2)基材熱影響區(qū)及熱變形小。由于激光熔覆的過程近似于絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基體的熱影響小，變形小。

(3)試用范圍廣泛。熔覆層的成分與性能主要取決于熔敷材料的成分，理論上幾乎所有的金屬和陶瓷材料均可以用于熔覆。

(4)激光熔覆涂層組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強度高，性能更優(yōu)。

文獻[5]介紹采用激光熔覆技術(shù)在材質(zhì)為20號鋼的水冷壁管上，制備了NiCr-Cr3C2+Ti復(fù)合材料耐磨涂層，結(jié)果顯示復(fù)合材料對燃煤電站水冷壁受熱面進行耐磨處理后大幅度地提升了管道的耐磨性能，同時摩擦系數(shù)大幅度降低；文獻[6]介紹了利用半導體激光器制備TiB2-Ni65熔覆層，高溫沖蝕和磨粒磨損實驗結(jié)果表明，隨著TiB2含量的增加，熔覆層的耐磨性能有所提高。熔覆層的耐高溫沖蝕性能相比普通鍋爐管不銹鋼提高了十幾倍，熔覆層的耐磨粒磨損性能是304不銹鋼的3～5倍。

4 結(jié)語

配煤摻燒對現(xiàn)代火電廠具有重要的現(xiàn)實意義和必要性，但配煤摻燒影響著煤的特性，造成水冷壁的大量結(jié)焦、結(jié)渣，嚴重威脅著水冷壁的安全運行。激光熔覆技術(shù)作為新型表面工程技術(shù)中的一種，因其自身工藝特點，與傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)手段相比較優(yōu)勢明顯，在設(shè)備的修復(fù)及再制造領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。

采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)可以有效地改善水冷壁高溫腐蝕問題，同時激光熔覆技術(shù)可以對損傷的軸類零件、受熱面管、葉片等部件實現(xiàn)修復(fù)，極具發(fā)展前景，但仍需高度重視修復(fù)過程中的開裂問題以及熔覆材料設(shè)計等問題。