热喷涂防腐涂层在生物质锅炉中的研究进展

董艳艳，何姗姗，李薇

(华北电力大学环境研究院，北京102206)

热喷涂防腐涂层在生物质锅炉中的研究进展

董艳艳，何姗姗，李薇

(华北电力大学环境研究院，北京102206)

简要介绍了常用热喷涂技术，基于对热喷涂防腐涂层在燃煤锅炉防腐工作中的研究进展，进一步分析了热喷涂涂层在生物质锅炉防腐中的现状，介绍了金属涂层中的NiCrTiFe系列涂层、陶瓷涂层及金属陶瓷复合涂层、纳米涂层等现有技术比较成熟的涂层，对热喷涂防腐涂层的发展趋势进行了展望。

热喷涂技术;生物质锅炉;防腐;涂层

0 引言

近年来，生物质燃烧锅炉作为新能源利用技术得到一定的发展，与煤相比，由于生物质碱金属(钾、钠)含量较高，同时草质类生物质燃料中的氯元素含量较高，而且垃圾成分复杂，在燃烧过程中形成熔融且腐蚀性很强的复合金属盐，该熔盐会对锅炉管道形成剧烈腐蚀，同时飞灰和炉渣也会对锅炉管道产生严重磨损，结果导致炉管失效，严重影响生物质锅炉的正常运行［1］。对于生物质锅炉管道腐蚀和磨损的防护，对锅炉管道表面进行喷涂防腐涂层是最经济有效的办法。采用喷涂方法增强钢表面的抗腐蚀性是一种很有前景的方法，寻找合适的涂层材料是该技术的关键。本文介绍了燃煤锅炉热喷涂防腐技术的研究进展，并对生物质锅炉热喷涂防腐技术的现状与发展趋势进行了探讨。

1 常用热喷涂防腐技术简介

热喷涂技术作为一种表面防护和表面强化工艺，由于其较大的性能优势和成本优势，非常适于生物质锅炉管道的表面防护，只是选用何种喷涂技术和涂层材料是其中的关键。根据国内外有关报道，应用于防护锅炉管道的热喷涂技术主要有以下几种:超音速火焰喷涂(HVOF)、等离子喷涂、电弧喷涂［2］以及激光熔覆。

1.1 超音速火焰喷涂

火焰喷涂具有设备简单，操作简便，适应性强、噪声小等优点。利用超音速火焰喷涂(简称HVOF)技术制备的涂层具有涂层和基体结合强度高、孔隙率低、耐氧化腐蚀性能好的优点，国外常用来对水冷壁管进行防护［3］，也可用于省煤器管、再热器管、过热器管的防护。但是该工艺设备昂贵，实施环境要求高，不适合对锅炉管道进行大面积的修复。

1.2 等离子喷涂

等离子喷涂的能量密度和气体流速远高于火焰喷涂，所获得的涂层孔隙率低，涂层与基体结合强度高。等离子喷涂的主要特点是零件无变形、喷涂材料广泛、工艺稳定、沉积率高、孔隙率低、涂层质量好、杂质少，还能够精确地控制厚度。但等离子喷涂设备昂贵、灵活性差，而且合金粉末的成本高，同时粉末喷涂时涂层成分均匀性较差。

1.3 电弧喷涂

电弧喷涂温度可达5000℃，高电弧温度和颗粒速率的结合赋予了电弧喷涂层优异的结合强度和较低的孔隙率［2］。电弧喷涂的主要特点是生产效率较高、涂层质量较高、安全性较好，适合于火电厂锅炉管道的表面防护。

1.4 激光熔覆

激光表面熔覆亦称激光包覆或激光熔覆，是一种重要的材料表面强化与加工技术，它是利用高能量密度激光束在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固，在基材表面形成与其为冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的材料，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。近年来，激光表面熔覆技术发展迅速，成为材料表面工程领域的前沿［3］。

2 热喷涂防腐涂层在燃煤锅炉防腐中的研究进展

燃煤火力发电厂中，锅炉“四管”产生的腐蚀、磨损、积灰、结渣等一系列问题十分突出，管道使用寿命降低，爆漏现象频繁。解决上述问题比较经济而有效的办法是采用热喷涂技术制备耐磨耐蚀涂层，从而提高管道使用寿命，节约维修成本，延长维修周期和经济效益。

2.1 金属涂层及金属间化学物涂层

热喷涂金属涂层及金属间化学物涂层主要是Ni－Cr合金、镍基合金材料和Fe－Cr－Al合金系列涂层，是研究和应用较早的耐磨涂层。此类涂层与基体结合强度高，抗热腐蚀、抗热疲劳性能好，可通过火焰喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂及高速电弧喷涂等技术制备［4］。镍基合金耐蚀性好，能耐一般酸碱、高温、氯离子的腐蚀等［5－7］。王应发［8］，赵晓舟［9］，钟文飞［10］等对铁基镍铬合金涂层防腐性能进行了研究。NiCrTiFe系［11－14］涂层具有良好的耐高温腐蚀性能和抗高温氧化性能。

2.2 陶瓷涂层及金属陶瓷复合涂层

目前应用较多的陶瓷涂层为氧化物陶瓷涂层、碳化物涂层和金属陶瓷涂层。ZS－821陶瓷防腐涂料和ZS－822复合陶瓷耐高温防腐涂料抗腐蚀效果极佳，硬度高抗磨损。能长时期耐住酸碱液体、腐蚀性气体的腐蚀，甚至可以耐住强酸强碱的腐蚀摩擦。马建龙等［15］研究了纳米Al2O3－13%TiO2涂层。马壮［16］等发现热喷涂Al2O3纳米陶瓷涂层耐蚀性明显优于热喷涂微米陶瓷涂层。研究发现，75Cr－25Cr3C2金属陶瓷复合涂层具有优异的抗高温氧化、抗热腐蚀性能及抗高温飞灰冲刷磨损性能［17］。

2.3 纳米涂层

随着纳米表面技术研究的深入，对纳米涂层作为结构涂层的高强度、高塑性、高韧性等力学性能的研究越来越多，利用纳米涂层的耐高温腐蚀，耐磨损方面研究还较少，尤其是在锅炉“四管”上的应用，国内在该领域的研究水平与美国等发达国家相比还有较大差距。目前，在国外出现了纳米涂层应用在锅炉“四管”上相关报道［18］。

3 热喷涂防腐技术在生物质锅炉防腐中的研究进展

3.1NiCrTiFe系列涂层

NiCrTiFe系列涂层［11］不仅可在燃煤电厂锅炉防腐工作中起到明显的作用，而且也可以对生物质锅炉管道起到较好的抗高温氧化防护效果。涂层中的Ni、Cr、Ti元素在表面生成均匀致密的氧化膜，这层保护膜可以覆盖在涂层表面阻止高温氧化进一步进行，起到一定的保护作用。因此，可推荐其作为生物质锅炉管道的防高温腐蚀涂层材料，进行现场试用和推广应用。

3.2 陶瓷涂层及金属陶瓷复合涂层

陶瓷防腐涂料涂层耐温高，硬度高，耐酸耐碱范围宽。抗腐蚀能力更高，使用寿命更长。陶瓷防腐涂料的这些优势使其在生物质锅炉中的氯腐蚀及碱金属腐蚀的防腐蚀工作中起到有效的作用，在陶瓷防腐涂料中金属陶瓷材料具有较高的耐磨性和抗腐蚀性能，在生物质锅炉防腐中起着重要作用。

金属超音速火焰喷涂、等离子喷涂和激光熔覆等涂层制备工艺成为目前研究的热点，可获得质量优异的金属陶瓷复合涂层。金属陶瓷涂层的抗高温氧化腐蚀和冲蚀磨损性能较好，但硬质陶瓷相的导电性能问题导致其喷涂工艺不十分理想。如何进一步解决硬质陶瓷相的导电率、进而优化喷涂工艺提高涂层性能是今后的发展方向［19－20］。

3.3 纳米涂层

纳米颗粒比表面大，活性高，在热喷涂过程中颗粒被均匀加热熔融，这与喷涂微米级颗粒时，仅仅使颗粒表面产生熔融有所不同。纳米涂层的实质性作用在于晶界分散体积分数高，晶界作为快速扩散通道，不易形成贯穿的通路，更有效地阻止腐蚀介质对内部基体的侵入。另外，由于纳米氧化物可以钉扎晶界，抑制晶粒的高温长大，所制备的纳米氧化物涂层，具有良好的高温强度及优异的抗高温氧化性能。除了以上常规喷涂材料的研究，人们也制备了一些其他新型的喷涂材料，如TiN基复合涂层材料［21］、WC－12Co涂层［22］、铝青铜［23］等。喷涂材料的发展大大拓宽了热喷涂防腐技术的使用领域，防腐涂层的效果和使用寿命也有较大的提升。

4 结论与展望

燃烧是最简便和有效大规模利用生物质能的途径，然而生物质燃烧过程中的锅炉的受热面腐蚀是制约生物质利用的一大问题。热喷涂作为一种便捷经济高效的防腐技术在各个领域广泛应用，在研究与应用方面正推向深入。热喷涂工艺方面，降低涂层孔隙率增强涂层的抗渗透性将是研究的重点。另外增强涂层与基体结合强度，提高涂层的使用寿命也是研究者们关注的内容，同时深入自动化喷涂技术的研究和应用。在材料方面，着力开发价格低廉耐蚀性更佳的防腐涂层材料将是下一阶段的重要任务。目前虽然有很多关于热喷涂防腐涂层材料的文献报道，但大部分停留在实验室阶段，未经实际工程应用的考核，成熟度还不够，迫切需要加强应用方面的研究，促进技术成果的转化和推广。

基于燃煤锅炉与常规金属防腐涂层类型，将常规金属防腐涂层经过改进或采用热喷涂方将其应用于生物质锅炉防腐中，同时探索在原有涂层成分的基础上添加新的金属合金，或者采用无机材料与金属材料相结合的方式来提高涂层的耐腐蚀性能。由于生物质种类差异较大且对燃烧过程亦有较大影响，应针对我国的实际情况结合国外的研究方法加以研究，通过对腐蚀机理的研究进而确定所适宜的热喷涂防腐涂层。

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Development of corrosion resistant coating of thermal spraying in the biomass boiler

The commonly used thermal spraying technologies are briefly introduced.Based on the development of the thermal spraying anti－corrosion coating on coal－fired boiler corrosion protection work，the process of the thermal spray coating in the biomass boiler corrosion is further analyzed.The existing mature coating technologies are introduced，including NiCrTiFe series coating，ceramic coating and metal ceramic composite coating，nanostructure coating，etc.And the trend of thermal spraying anti－corrosion coating is discussed.

thermal spray technology;biomass boiler;anti－corrosion;coating

TG172

B

1674－8069(2015)04－060－03

2015-03-02;

2015-05-26

董艳艳(1991-)，女，河南省郑州市人，硕士研究生，研究方向为可再生能源利用。E－mail:dyy199105@163.com

国家自然科学基金项目(61471171);中央高校基本业务费资助项目