氮化硅結合碳化硅燃燒器噴口在鍋爐機組的應用初探

程器 陳浩 李雷雷 孫亮

摘要：筆者對國內機組旋流燃燒器噴口應用現狀進行了闡述，結合氮化硅結合碳化硅新材料特性的分析，闡述了碳化硅結合氮化硅新材料燃燒器噴口在國內燃煤鍋爐機組的應用前景。

關鍵詞：氮化硅;碳化硅;燃燒器噴口

前言

隨著我國社會經濟的不斷發展，我國能源消費逐步增加，雖然近些年光伏、風電、核電等新能源不斷發展，但仍然滿足不了社會發展所需要的能源消費需求，在今后一定時期內，火力發電依舊會是主要的電力供應方式。近些年我國火電技術發展迅速，超臨界機組、超超臨界機組不斷投入商業運行，隨著機組參數的不斷提高對于鍋爐主要備件材質的要求也不斷提升，一些常規的金屬材質已不能滿足目前火電機組的發展需求，需要我們不斷探索新材料在超臨界高參數火電機組的應用。

1旋流燃燒器噴口應用現狀

目前國內燃燒器噴口的主流材質為Cr25-Ni20系列不銹鋼材質，該材質在亞臨界機組及部分超臨界機組鍋爐中能滿足1個大修周期的使用，但在國內高參數超超臨界機組中使用情況不佳，尤其在上層磨燃燒器噴口中普遍存在投運使用1-2年時間內便燒損變形的情況。再由于國家環保要求不斷提高，燃煤鍋爐為滿足低NOx排放要求，燃煤機組鍋爐在實際運行中，對于停運的燃燒器盡可能的關小套筒開度，致使燃燒器冷卻不夠而造成燒損，目前超低排放改造之后，造成燃燒器燒損的情況普遍存在。

根據國內現有1000MW低氮旋流燃燒器噴口運行情況了解，目前常規材質燃燒器噴口燒損區域主要集中在燃燒器一次風噴口包括穩燃齒、擴錐以及內二次風擴錐，均有不同程度變形。部分燒損變形嚴重燃燒器的穩燃齒，擴錐還存在脫落現象，脫落的穩燃齒、擴錐存在砸傷冷灰斗水冷壁、導致受熱面泄漏的風險、降低機組隱形的可靠性。

2氮化硅結合碳化硅新材料特性

氮化硅結合碳化硅制品是近30年發展起來的一種高科技耐火材料，氮化硅和碳化硅均為共價鍵極強的化合物，有相似的物理和化學性能，在高溫狀態下仍保持較高的鍵合強度。硅粉均勻包圍碳化硅，經過高溫氮化反應，形成致密的網絡結構制品，具有以下特點：

（1）氮化硅結合碳化硅制品質地堅硬，莫氏硬度約為9，在高硬度材料中，其硬度僅次于金剛石。

（2）氮化硅結合碳化硅制品的常溫強度高，常溫耐壓強度高于150Mpa，高溫抗折強度大于43Mpa，同時在1200～1400℃高溫下幾乎保持于常溫相同的強度和硬度。隨著使用氣氛的不同，最高安全使用溫度可達1650～1750℃。基于技術材料的紅硬特性的存在，高溫下環境下氮化硅結合碳化硅制品具有任何金屬材料無可替代的優勢。

（3）熱膨脹系數小，相對于碳化硅等制品熱導率高，不易產生熱應力，具有良好的熱震穩定性，使用壽命長，高溫抗蠕變能力強，耐腐蝕，耐極冷極熱，抗氧化，易制尺寸精度高負荷要求高的制品。

3氮化硅結合碳化硅旋流燃燒器噴口

3.1氮化硅結合碳化硅旋流燃燒器噴口的優越性

目前國內常規合金類旋流燃燒器噴口雖然制作簡單制作成本低，但是在高溫環境中極易燒損，使用壽命短，使得燃燒噴口更換頻繁，影響燃燒系統的正常運行。

氮化硅結合碳化硅新型材料是以碳化硅和硅為主要組分，將硅粉和碳化硅顆粒均勻混合，并通過添加部分其它試劑使原材料成型，放置于氮氣氛圍的高溫爐內進行高溫氮化燒結，在一定壓力和溫度下形成的致密的網絡結構制品。因此該材料在一定精度下可以制作成不同尺寸進度的產品。

用該材料制作而成的旋流燃燒器碳化硅噴口性能穩定，耐磨性強耐、高溫性能強使用壽命長，相比于常規合金類旋流燃燒器噴口具有更好的應用優勢。有經驗表明碳化硅結合氮化硅新材料燃燒器噴口在火電機組中的使用壽命最高可達6年以上，而合金類燃燒器噴口在超臨界機組上層燃燒器中使用1-2年就會燒損嚴重，需要更換。

3.2氮化硅結合碳化硅旋流燃燒器噴口的制作

現有國內主流的低NOx旋流燃燒器噴口分為一次風噴口及二次風噴口，針對新材料的旋流燃燒器噴口可采用一次風噴口（含穩燃齒，擴錐）獨立制作，采用螺栓連接或根據噴口已自帶通過螺栓連接好的金屬段，與現有燃燒器焊接，具體已各電廠具體使用需求確定。外二次風噴口單獨制作，采用外襯金屬材料方案與現有外二次風管焊接連接。且一次風擴錐，二次風擴錐均需要沿周向方向預設一定數量的膨脹收縮縫，以防止在后期高溫使用環境中脹裂。

氮化硅結合碳化硅制品制備需要經過原料處理、配料、混料、成型、干燥、氮化燒成、產品檢驗七個步驟。在燃燒器噴口上的應用，氮化硅結合碳化硅相對而言是一種新型的耐磨損，耐高溫材料，只要確定好燃燒器噴口區域的尺寸、嚴格控制氮化硅結合碳化硅噴口制作過程的質量，嚴格制作工藝流程進行加工，就可以獲得合格的產品

3.3氮化硅結合碳化硅旋流燃燒器噴口的應用

在國內，氮化硅結合碳化硅新材料在陶瓷行業、冶金行業應用較多，廣泛應用于耐磨涂料，襯里等相對低溫耐磨的環境襯里等相對低溫耐磨的環境，在電力行業燃燒器領域內，主要用在燃燒器彎頭，一次風管濃縮環等相對低溫耐磨區域，在旋流燃燒器噴口上應用還比較少見。筆者所在電廠在2020年通過升級改造將1號機組部分上層常規合金材質燃燒器噴口更換為氮化硅結合碳化硅新材料燃燒器噴口，通過1年多的運行觀察，目前運行效果良好，未出現燒損、碎裂等問題。再考慮到該材料在高溫環境下卓越耐磨損和耐高溫特性，預期在旋流燃燒器噴口上應用可以獲得不錯的效果，因此在旋流燃燒器噴口上應用和推廣具有重大意義。

結語

針對機組存在的燃燒器燒損，磨損的問題，通過更換為氮化硅結合碳化硅的新型材料，可獲得常規金屬/包括鑄件3倍以上的使用壽命，大大的提高燃燒器的使用壽命。通過氮化硅結合碳化硅燃燒器噴口材質升級改造技術的實施不僅減少燃燒更換的成本，而且大大改善鍋爐因燃燒器噴口燒損而帶來燃燒惡化、鍋爐運行經濟性下降以及機組非停等一系列風險。

另外，新型材料的更換改造，為燃燒器延長使用壽命，提高鍋爐運行的可靠性提供參考，能推廣應用于同類機組，具有很大的市場應用前景。同時該技術的推廣應用也推動了電力科學技術的進步，在企業技術創新及應用型人才培養方面起到了積極作用。

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