氮化硅结合碳化硅燃烧器喷口在锅炉机组的应用初探

程器 陈浩 李雷雷 孙亮

摘要：笔者对国内机组旋流燃烧器喷口应用现状进行了阐述，结合氮化硅结合碳化硅新材料特性的分析，阐述了碳化硅结合氮化硅新材料燃烧器喷口在国内燃煤锅炉机组的应用前景。

关键词：氮化硅;碳化硅;燃烧器喷口

前言

随着我国社会经济的不断发展，我国能源消费逐步增加，虽然近些年光伏、风电、核电等新能源不断发展，但仍然满足不了社会发展所需要的能源消费需求，在今后一定时期内，火力发电依旧会是主要的电力供应方式。近些年我国火电技术发展迅速，超临界机组、超超临界机组不断投入商业运行，随着机组参数的不断提高对于锅炉主要备件材质的要求也不断提升，一些常规的金属材质已不能满足目前火电机组的发展需求，需要我们不断探索新材料在超临界高参数火电机组的应用。

1旋流燃烧器喷口应用现状

目前国内燃烧器喷口的主流材质为Cr25-Ni20系列不锈钢材质，该材质在亚临界机组及部分超临界机组锅炉中能满足1个大修周期的使用，但在国内高参数超超临界机组中使用情况不佳，尤其在上层磨燃烧器喷口中普遍存在投运使用1-2年时间内便烧损变形的情况。再由于国家环保要求不断提高，燃煤锅炉为满足低NOx排放要求，燃煤机组锅炉在实际运行中，对于停运的燃烧器尽可能的关小套筒开度，致使燃烧器冷却不够而造成烧损，目前超低排放改造之后，造成燃烧器烧损的情况普遍存在。

根据国内现有1000MW低氮旋流燃烧器喷口运行情况了解，目前常规材质燃烧器喷口烧损区域主要集中在燃烧器一次风喷口包括稳燃齿、扩锥以及内二次风扩锥，均有不同程度变形。部分烧损变形严重燃烧器的稳燃齿，扩锥还存在脱落现象，脱落的稳燃齿、扩锥存在砸伤冷灰斗水冷壁、导致受热面泄漏的风险、降低机组隐形的可靠性。

2氮化硅结合碳化硅新材料特性

氮化硅结合碳化硅制品是近30年发展起来的一种高科技耐火材料，氮化硅和碳化硅均为共价键极强的化合物，有相似的物理和化学性能，在高温状态下仍保持较高的键合强度。硅粉均匀包围碳化硅，经过高温氮化反应，形成致密的网络结构制品，具有以下特点：

（1）氮化硅结合碳化硅制品质地坚硬，莫氏硬度约为9，在高硬度材料中，其硬度仅次于金刚石。

（2）氮化硅结合碳化硅制品的常温强度高，常温耐压强度高于150Mpa，高温抗折强度大于43Mpa，同时在1200～1400℃高温下几乎保持于常温相同的强度和硬度。随着使用气氛的不同，最高安全使用温度可达1650～1750℃。基于技术材料的红硬特性的存在，高温下环境下氮化硅结合碳化硅制品具有任何金属材料无可替代的优势。

（3）热膨胀系数小，相对于碳化硅等制品热导率高，不易产生热应力，具有良好的热震稳定性，使用寿命长，高温抗蠕变能力强，耐腐蚀，耐极冷极热，抗氧化，易制尺寸精度高负荷要求高的制品。

3氮化硅结合碳化硅旋流燃烧器喷口

3.1氮化硅结合碳化硅旋流燃烧器喷口的优越性

目前国内常规合金类旋流燃烧器喷口虽然制作简单制作成本低，但是在高温环境中极易烧损，使用寿命短，使得燃烧喷口更换频繁，影响燃烧系统的正常运行。

氮化硅结合碳化硅新型材料是以碳化硅和硅为主要组分，将硅粉和碳化硅颗粒均匀混合，并通过添加部分其它试剂使原材料成型，放置于氮气氛围的高温炉内进行高温氮化烧结，在一定压力和温度下形成的致密的网络结构制品。因此该材料在一定精度下可以制作成不同尺寸进度的产品。

用该材料制作而成的旋流燃烧器碳化硅喷口性能稳定，耐磨性强耐、高温性能强使用寿命长，相比于常规合金类旋流燃烧器喷口具有更好的应用优势。有经验表明碳化硅结合氮化硅新材料燃烧器喷口在火电机组中的使用寿命最高可达6年以上，而合金类燃烧器喷口在超临界机组上层燃烧器中使用1-2年就会烧损严重，需要更换。

3.2氮化硅结合碳化硅旋流燃烧器喷口的制作

现有国内主流的低NOx旋流燃烧器喷口分为一次风喷口及二次风喷口，针对新材料的旋流燃烧器喷口可采用一次风喷口（含稳燃齿，扩锥）独立制作，采用螺栓连接或根据喷口已自带通过螺栓连接好的金屬段，与现有燃烧器焊接，具体已各电厂具体使用需求确定。外二次风喷口单独制作，采用外衬金属材料方案与现有外二次风管焊接连接。且一次风扩锥，二次风扩锥均需要沿周向方向预设一定数量的膨胀收缩缝，以防止在后期高温使用环境中胀裂。

氮化硅结合碳化硅制品制备需要经过原料处理、配料、混料、成型、干燥、氮化烧成、产品检验七个步骤。在燃烧器喷口上的应用，氮化硅结合碳化硅相对而言是一种新型的耐磨损，耐高温材料，只要确定好燃烧器喷口区域的尺寸、严格控制氮化硅结合碳化硅喷口制作过程的质量，严格制作工艺流程进行加工，就可以获得合格的产品

3.3氮化硅结合碳化硅旋流燃烧器喷口的应用

在国内，氮化硅结合碳化硅新材料在陶瓷行业、冶金行业应用较多，广泛应用于耐磨涂料，衬里等相对低温耐磨的环境衬里等相对低温耐磨的环境，在电力行业燃烧器领域内，主要用在燃烧器弯头，一次风管浓缩环等相对低温耐磨区域，在旋流燃烧器喷口上应用还比较少见。笔者所在电厂在2020年通过升级改造将1号机组部分上层常规合金材质燃烧器喷口更换为氮化硅结合碳化硅新材料燃烧器喷口，通过1年多的运行观察，目前运行效果良好，未出现烧损、碎裂等问题。再考虑到该材料在高温环境下卓越耐磨损和耐高温特性，预期在旋流燃烧器喷口上应用可以获得不错的效果，因此在旋流燃烧器喷口上应用和推广具有重大意义。

结语

针对机组存在的燃烧器烧损，磨损的问题，通过更换为氮化硅结合碳化硅的新型材料，可获得常规金属/包括铸件3倍以上的使用寿命，大大的提高燃烧器的使用寿命。通过氮化硅结合碳化硅燃烧器喷口材质升级改造技术的实施不仅减少燃烧更换的成本，而且大大改善锅炉因燃烧器喷口烧损而带来燃烧恶化、锅炉运行经济性下降以及机组非停等一系列风险。

另外，新型材料的更换改造，为燃烧器延长使用寿命，提高锅炉运行的可靠性提供参考，能推广应用于同类机组，具有很大的市场应用前景。同时该技术的推广应用也推动了电力科学技术的进步，在企业技术创新及应用型人才培养方面起到了积极作用。

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