高溫納米陶瓷涂層在300MW機組鍋爐上的 應用研究

王霄鑫 王發現 劉鵬 王巍 李文超

摘 要：本文通過在某300MW機組鍋爐受熱面管表面噴涂高溫納米陶瓷涂層，以解決鍋爐運行中存在的沾污結渣、磨損、高溫腐蝕等問題，并從節能、經濟、安全、環保等角度分析了高溫納米陶瓷涂層對鍋爐的影響。結果表明：鍋爐受熱面管的抗高溫腐蝕和沾污結渣能力得到了提高，鍋爐運行的安全性、經濟性得到了提升，且具有一定的環保效益。

關鍵詞：高溫納米陶瓷涂層;鍋爐;受熱面管;沾污結渣

中圖分類號：TM621.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0062-03

Application Research of High Temperature Nano-ceramic

Coating on 300MW Unit Boiler

WANG Xiaoxin1 WANG Faxian1 LIU Peng1 WANG Wei1 LI Wenchao2

（1. The Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016;

2.Henan Longxi Industrial Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： In this paper， high temperature nano-ceramic coating was sprayed on the surface of the heating surface tube of a 300MW unit to solve the problems of fouling， slagging， wear and high temperature corrosion in the operation of the boiler. The influence of high temperature nano-ceramic coating on the boiler was analyzed from the angles of energy saving， economy， safety and environmental protection. The results show that the resistance to high temperature corrosion and fouling and slagging of boiler heating surface tubes has been improved， the safety and economy of boiler operation have been improved， and the boiler has certain environmental benefits.

Keywords： high temperature nano ceramic coating;boiler;heating surface tube;contamination and slagging

電站鍋爐在運行過程中，其受熱面經常面臨沾污結渣、腐蝕等問題，從而影響鍋爐的經濟性，甚至影響其安全穩定運行。近年來，高溫納米陶瓷材料涂層不斷發展，由于其具有耐高溫腐蝕、耐磨損、抗沾污結渣等優異性能，因此，越來越多地被用于鍋爐受熱面噴涂，以改善鍋爐性能[1]。本文通過對某300MW機組1 025t/h超臨界自然循環鍋爐實施高溫納米陶瓷材料涂層噴涂改造后，從鍋爐運行狀況和經濟性、安全性、環保等方面進行了分析。

1 機組情況與問題分析

1.1 機組概況

某電廠1臺300MW機組，額定蒸發量1 025t/h，鍋爐型號DG1025/18.2-∏ 12。其屬亞臨界、中間一次再熱、自然循環鍋爐，爐膛π型、四角切圓燃燒、尾部雙煙道、采用擋板調節再熱蒸汽溫度、固態排渣、全鋼結構懸吊結構、平衡通風、半露天布置。設計煤種：混煤。

1.2 機組存在的問題

該機組運行過程中，鍋爐受熱面經常出現沾污結渣、高溫腐蝕等現象。出現問題的部位主要包括爐膛水冷壁及過熱器等，特別是水冷壁管更為突出，運行過程中周期性間歇頻繁落渣，偶爾因落渣造成停爐檢修事故。這種現象是該電廠長期以來存在的現象，采取了種種措施但未找到切實可靠的方法。

1.3 問題分析

煤粉鍋爐結渣已越來越普遍，給鍋爐的安全運行造成極大隱患，同時影響鍋爐效率。高溫煙氣作用下，粘結在水冷壁或高溫過熱器上的灰渣會與管壁發生化學反應，形成高溫腐蝕。結渣腐蝕發生在爐內易結渣的水冷壁高溫管段、折焰角、過熱器和再熱器的向火側。根據腐蝕機理，可將腐蝕分為硫酸鹽腐蝕和氯化物腐蝕。產生結渣腐蝕的必要條件為煤中含有堿金屬，且含有S或者Cl元素，堿金屬的硫酸鹽或氯化物易形成低熔點絡合物，粘附在高溫管壁后呈熔融態對金屬造成快速腐蝕減薄。

1.4 解決方案

高溫納米陶瓷涂層為復合無機非金屬納米陶瓷，具有優異的高溫穩定性、抗腐蝕能力、硬度及非浸潤性的表面力學性能。此外，其還能阻止基質與外部環境接觸，具有保護性（防氧化、耐高溫、耐腐蝕）和抗沾污結渣能力，全面提升基質材料性能和可靠性，有效防止基質材料的氧化、高溫腐蝕和磨損，可避免因大塊落渣、高溫腐蝕、磨損等造成的爆管及爆燃事故，提高鍋爐的換熱效率，使受熱面更加均勻。

2 高溫納米陶瓷涂層技術的基本原理

高溫納米陶瓷涂層是以稀土氧化物為主要原料的無毒水基涂料[2]，采用納米級稀土技術，將寬波譜段、高發射率、保護性（防高溫腐蝕、耐磨損）和抗沾污結渣等多功能集于一身，通過在輻射換熱面（金屬和非金屬基質）表面噴涂0.05～0.1mm厚的高溫納米陶瓷涂層，經升溫變性后形成致密的陶瓷涂層薄膜，可大幅提高基質材料表面發射率（或吸收率），強化輻射換熱，防止基質材料被磨損、氧化和腐蝕，提高材料表面性能，有效控制沾污結渣，進而提高爐窯效率和增加產能，延長基質材料使用壽命，減少有害氣體（如氮氧化物NOx）排放，提升設備的安全性和可靠性。

高溫納米陶瓷涂層噴涂后可形成致密的陶瓷薄膜[3]，隔絕了基質與外部環境的接觸。同時，納米陶瓷涂層具有抗氧化、耐高溫腐蝕、耐磨損等性能，其附著在基材表面，能全面提升基質材料的性能和可靠性，有效防止基質材料的氧化、高溫腐蝕和磨損;納米陶瓷涂層根據特殊配方經納米化工藝加工而成，比表面能小，使熔融的灰粒很難黏附在受熱面上，具有良好的抗沾污結渣性能;納米陶瓷涂層具有高發射率、高熱導率，噴涂后能夠提高水冷壁黑度，增強水冷壁吸熱量，使爐膛整體溫度有所降低，基質材料能在相對較低的溫度下運行。

3 涂層噴涂狀況介紹

先對過熱器管和水冷壁進行除污除垢噴砂等處理，以增強涂層在基質表面的附著力，提高涂層結合強度。然后，進行高溫納米陶瓷涂層噴涂，涂層的種類包括防腐節能涂層及納米隔熱保溫涂層。水冷壁管噴涂前后的效果如圖1所示，過熱器管噴涂前后的效果如圖2所示。

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（a） 噴涂前

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（b） 噴涂后

圖1 水冷壁噴涂效果圖

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（a） 噴涂前

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（b） 噴涂后

圖2 過熱器噴涂效果圖

噴涂完成后點火運行，運行過程中，監控是否出現落渣及鍋爐的耗煤量等。3個月停爐后，觀測噴涂區的結渣狀況，發現水冷壁噴涂區域沒有形成厚渣，表面狀況得到有效改善;高溫過熱器的結渣情況明顯緩解，涂抹后表面光潔。

4 涂層應用經濟效益分析

噴涂完成后，分別從節能、經濟、環保、安全等角度對鍋爐的運行狀況進行全方位的評估。通過對比涂層噴涂前后鍋爐的運行狀況及能耗等，發現噴涂高溫納米陶瓷涂層后，安全節能減排及生產能力增加效果顯著。高溫納米陶瓷涂層應用于爐體輻射換熱面基質（鍋爐受熱面管）的綜合表現如下：①節省燃料消耗;②提高爐體負荷能力;③增加連續運行時間;④改善氣體（氮氧化物NOx）排放;⑤延長基質材料壽命;⑥降低基質材料溫度;⑦減少運行成本。

4.1 節能效益

噴涂完成后，對鍋爐的節能性進行了評估，檢測指標包括每小時耗煤量和每度電耗煤量，比較噴涂前后的數據，發現噴涂后鍋爐的能耗降低了1.5%，節能性顯著提高。能耗監測情況如表1所示

表1 鍋爐節能監測情況

[參數 改造前 改造后 燃料類型 煤粉 煤粉 煤粉最低發熱值/大卡 5 000 5 000 每小時耗煤量（標煤）（t/h） 100 98.5 發電標準煤耗[g/（kW·h）] 330 325.05 ]

4.2 經濟效益

鍋爐經濟效益的改善主要表現在以下兩個方面。一方面，鍋爐節能性的改善，可產生相應的經濟效益。通過上述能耗情況對比可知，在其他條件完全相同的狀況下，噴涂后可節約1.5%的能源成本，按年利用7 000h計算，每臺機組年節約標準煤量為10 500t，若標準煤價按600元計算，每年節約的煤炭價值高達630萬元。另一方面，噴涂后由于表面結渣、腐蝕等狀況的改善，保證了煤粉爐長期高效安全穩定運行，顯著減少清焦次數，減少工藝參數波動，可大幅度降低檢修維護費用，提高經濟效益。

4.3 安全收益

噴涂完成后，由于基質材料表面發射率提高，強化了輻射換熱，同時減少了基質材料被磨損、氧化和腐蝕，提高了材料的表面性能，爐膛及爐管溫度降低，爐管溫度均勻性提高，抗沾污結渣氧化、耐高溫腐蝕能力增強，從根本上減少了安全隱患，提高了鍋爐的安全性能。

4.4 環保收益

氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要污染源之一。我國氮氧化物（NOx）的排放量中，70%來自煤炭的直接燃燒，火力發電行業又是我國的燃煤大戶，火力發電廠是氮氧化物（NOx）的主要來源之一。而爐溫主要是影響熱力型氮氧化物（NOx）生成量的主要因素之一，爐溫越高，所占比例越大。噴涂后，由于水冷壁管子表面傳熱效率提高，可顯著降低爐膛水冷壁管子表面及爐膛溫度，從而減少氮氧化物（NOx）的產生。通過溫降幅度及爐膛燃燒溫度數據，發現在BNCR工況下，爐膛出口溫度下降了10～18K，排煙溫度下降了3～5K，過熱器減溫水、再熱器減溫水用量均降低了10%～15%，可推斷熱力型氮氧化物（NOx）生成量顯著減少。

5 結論

300MW機組鍋爐采用高溫納米陶瓷涂層改造后，鍋爐運行穩定，經過3個月的運行，改造區域防高溫腐蝕和抗沾污結渣能力得到了提高，鍋爐運行的安全性、經濟性得到了提升，同時降低了氮氧化物（NOx）的排放量，產生了一定的環保效益。同時，由于噴涂后鍋爐的運行時間僅為3個月，在更長的運行時間內，鍋爐的抗沾污結渣和高溫腐蝕能力能否持續，以及鍋爐的熱效率、節能性等如何變化，需要在接下來的運行周期中持續監控與分析。

參考文獻：

[1]武創，郗雨林，王其紅，等.納米陶瓷涂層的性能及應用[J].材料開發與應用，2011（3）：78-83.

[2]宋子豪，孫耀寧，王燕飛.納米陶瓷涂層的特性及研究現狀[J].熱加工工藝，2014（3）：78-83.

[3]王慧青，孟勇，龔志偉.爐內噴涂高溫納米陶瓷材料涂層對鍋爐性能的影響研究[J].鍋爐技術，2017（2）：58-61.