高温纳米陶瓷涂层在300MW机组锅炉上的 应用研究

王霄鑫 王发现 刘鹏 王巍 李文超

摘 要：本文通过在某300MW机组锅炉受热面管表面喷涂高温纳米陶瓷涂层，以解决锅炉运行中存在的沾污结渣、磨损、高温腐蚀等问题，并从节能、经济、安全、环保等角度分析了高温纳米陶瓷涂层对锅炉的影响。结果表明：锅炉受热面管的抗高温腐蚀和沾污结渣能力得到了提高，锅炉运行的安全性、经济性得到了提升，且具有一定的环保效益。

关键词：高温纳米陶瓷涂层;锅炉;受热面管;沾污结渣

中图分类号：TM621.2 文献标识码：A 文章编号：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

电站锅炉在运行过程中，其受热面经常面临沾污结渣、腐蚀等问题，从而影响锅炉的经济性，甚至影响其安全稳定运行。近年来，高温纳米陶瓷材料涂层不断发展，由于其具有耐高温腐蚀、耐磨损、抗沾污结渣等优异性能，因此，越来越多地被用于锅炉受热面喷涂，以改善锅炉性能[1]。本文通过对某300MW机组1 025t/h超临界自然循环锅炉实施高温纳米陶瓷材料涂层喷涂改造后，从锅炉运行状况和经济性、安全性、环保等方面进行了分析。

1 机组情况与问题分析

1.1 机组概况

某电厂1台300MW机组，额定蒸发量1 025t/h，锅炉型号DG1025/18.2-∏ 12。其属亚临界、中间一次再热、自然循环锅炉，炉膛π型、四角切圆燃烧、尾部双烟道、采用挡板调节再热蒸汽温度、固态排渣、全钢结构悬吊结构、平衡通风、半露天布置。设计煤种：混煤。

1.2 机组存在的问题

该机组运行过程中，锅炉受热面经常出现沾污结渣、高温腐蚀等现象。出现问题的部位主要包括炉膛水冷壁及过热器等，特别是水冷壁管更为突出，运行过程中周期性间歇频繁落渣，偶尔因落渣造成停炉检修事故。这种现象是该电厂长期以来存在的现象，采取了种种措施但未找到切实可靠的方法。

1.3 问题分析

煤粉锅炉结渣已越来越普遍，给锅炉的安全运行造成极大隐患，同时影响锅炉效率。高温烟气作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生化学反应，形成高温腐蚀。结渣腐蚀发生在炉内易结渣的水冷壁高温管段、折焰角、过热器和再热器的向火侧。根据腐蚀机理，可将腐蚀分为硫酸盐腐蚀和氯化物腐蚀。产生结渣腐蚀的必要条件为煤中含有碱金属，且含有S或者Cl元素，碱金属的硫酸盐或氯化物易形成低熔点络合物，粘附在高温管壁后呈熔融态对金属造成快速腐蚀减薄。

1.4 解決方案

高温纳米陶瓷涂层为复合无机非金属纳米陶瓷，具有优异的高温稳定性、抗腐蚀能力、硬度及非浸润性的表面力学性能。此外，其还能阻止基质与外部环境接触，具有保护性（防氧化、耐高温、耐腐蚀）和抗沾污结渣能力，全面提升基质材料性能和可靠性，有效防止基质材料的氧化、高温腐蚀和磨损，可避免因大块落渣、高温腐蚀、磨损等造成的爆管及爆燃事故，提高锅炉的换热效率，使受热面更加均匀。

2 高温纳米陶瓷涂层技术的基本原理

高温纳米陶瓷涂层是以稀土氧化物为主要原料的无毒水基涂料[2]，采用纳米级稀土技术，将宽波谱段、高发射率、保护性（防高温腐蚀、耐磨损）和抗沾污结渣等多功能集于一身，通过在辐射换热面（金属和非金属基质）表面喷涂0.05～0.1mm厚的高温纳米陶瓷涂层，经升温变性后形成致密的陶瓷涂层薄膜，可大幅提高基质材料表面发射率（或吸收率），强化辐射换热，防止基质材料被磨损、氧化和腐蚀，提高材料表面性能，有效控制沾污结渣，进而提高炉窑效率和增加产能，延长基质材料使用寿命，减少有害气体（如氮氧化物NOx）排放，提升设备的安全性和可靠性。

高温纳米陶瓷涂层喷涂后可形成致密的陶瓷薄膜[3]，隔絕了基质与外部环境的接触。同时，纳米陶瓷涂层具有抗氧化、耐高温腐蚀、耐磨损等性能，其附着在基材表面，能全面提升基质材料的性能和可靠性，有效防止基质材料的氧化、高温腐蚀和磨损;纳米陶瓷涂层根据特殊配方经纳米化工艺加工而成，比表面能小，使熔融的灰粒很难黏附在受热面上，具有良好的抗沾污结渣性能;纳米陶瓷涂层具有高发射率、高热导率，喷涂后能够提高水冷壁黑度，增强水冷壁吸热量，使炉膛整体温度有所降低，基质材料能在相对较低的温度下运行。

3 涂层喷涂状况介绍

先对过热器管和水冷壁进行除污除垢喷砂等处理，以增强涂层在基质表面的附着力，提高涂层结合强度。然后，进行高温纳米陶瓷涂层喷涂，涂层的种类包括防腐节能涂层及纳米隔热保温涂层。水冷壁管喷涂前后的效果如图1所示，过热器管喷涂前后的效果如图2所示。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image1_2.jpeg>

（a） 喷涂前

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image2_2.jpeg>

（b） 喷涂后

图1 水冷壁喷涂效果图

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image3_1_1.jpeg>

（a） 喷涂前

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image4.jpeg>

（b） 喷涂后

图2 过热器喷涂效果图

喷涂完成后点火运行，运行过程中，监控是否出现落渣及锅炉的耗煤量等。3个月停炉后，观测喷涂区的结渣状况，发现水冷壁喷涂区域没有形成厚渣，表面状况得到有效改善;高温过热器的结渣情况明显缓解，涂抹后表面光洁。

4 涂层应用经济效益分析

喷涂完成后，分别从节能、经济、环保、安全等角度对锅炉的运行状况进行全方位的评估。通过对比涂层喷涂前后锅炉的运行状况及能耗等，发现喷涂高温纳米陶瓷涂层后，安全节能减排及生产能力增加效果显著。高温纳米陶瓷涂层应用于炉体辐射换热面基质（锅炉受热面管）的综合表现如下：①节省燃料消耗;②提高炉体负荷能力;③增加连续运行时间;④改善气体（氮氧化物NOx）排放;⑤延长基质材料寿命;⑥降低基质材料温度;⑦减少运行成本。

4.1 节能效益

喷涂完成后，对锅炉的节能性进行了评估，检测指标包括每小时耗煤量和每度电耗煤量，比较喷涂前后的数据，发现喷涂后锅炉的能耗降低了1.5%，节能性显著提高。能耗监测情况如表1所示

表1 锅炉节能监测情况

[参数 改造前 改造后 燃料类型 煤粉 煤粉 煤粉最低发热值/大卡 5 000 5 000 每小时耗煤量（标煤）（t/h） 100 98.5 发电标准煤耗[g/（kW·h）] 330 325.05 ]

4.2 经济效益

锅炉经济效益的改善主要表现在以下两个方面。一方面，锅炉节能性的改善，可产生相应的经济效益。通过上述能耗情况对比可知，在其他条件完全相同的状况下，喷涂后可节约1.5%的能源成本，按年利用7 000h计算，每台机组年节约标准煤量为10 500t，若标准煤价按600元计算，每年节约的煤炭价值高达630万元。另一方面，喷涂后由于表面结渣、腐蚀等状况的改善，保证了煤粉炉长期高效安全稳定运行，显著减少清焦次数，减少工艺参数波动，可大幅度降低检修维护费用，提高经济效益。

4.3 安全收益

喷涂完成后，由于基质材料表面发射率提高，强化了辐射换热，同时减少了基质材料被磨损、氧化和腐蚀，提高了材料的表面性能，炉膛及炉管温度降低，炉管温度均匀性提高，抗沾污结渣氧化、耐高温腐蚀能力增强，从根本上减少了安全隐患，提高了锅炉的安全性能。

4.4 环保收益

氮氧化物（NOx）是造成大气污染的主要污染源之一。我国氮氧化物（NOx）的排放量中，70%来自煤炭的直接燃烧，火力发电行业又是我国的燃煤大户，火力发电厂是氮氧化物（NOx）的主要来源之一。而炉温主要是影响热力型氮氧化物（NOx）生成量的主要因素之一，炉温越高，所占比例越大。喷涂后，由于水冷壁管子表面传热效率提高，可显著降低炉膛水冷壁管子表面及炉膛温度，从而减少氮氧化物（NOx）的产生。通过温降幅度及炉膛燃烧温度数据，发现在BNCR工况下，炉膛出口温度下降了10～18K，排烟温度下降了3～5K，过热器减温水、再热器减温水用量均降低了10%～15%，可推断热力型氮氧化物（NOx）生成量显著减少。

5 结论

300MW机组锅炉采用高温纳米陶瓷涂层改造后，锅炉运行稳定，经过3个月的运行，改造区域防高温腐蚀和抗沾污结渣能力得到了提高，锅炉运行的安全性、经济性得到了提升，同时降低了氮氧化物（NOx）的排放量，产生了一定的环保效益。同时，由于喷涂后锅炉的运行时间仅为3个月，在更长的运行时间内，锅炉的抗沾污结渣和高温腐蚀能力能否持续，以及锅炉的热效率、节能性等如何变化，需要在接下来的运行周期中持续监控与分析。

参考文献：

[1]武创，郗雨林，王其红，等.纳米陶瓷涂层的性能及应用[J].材料开发与应用，2011（3）：78-83.

[2]宋子豪，孙耀宁，王燕飞.纳米陶瓷涂层的特性及研究现状[J].热加工工艺，2014（3）：78-83.

[3]王慧青，孟勇，龚志伟.炉内喷涂高温纳米陶瓷材料涂层对锅炉性能的影响研究[J].锅炉技术，2017（2）：58-61.