屏式过热器新型防结焦技术应用

范宝成，潘翔峰，李 想，刘 放

（1.吉林电力股份有限公司白城发电公司，吉林 白城 137000；2.国家能源集团辽宁电力有限公司沈西热电厂，辽宁 沈阳 110000）

1 锅炉屏式过热器结焦工况

某发电公司一期工程建设规模为2台660 MW超临界直接空冷凝气式发电机组。2 台机组为正压直吹式制粉系统，配置发电设备总厂生产的型号为MPS225-HP-II 中速磨煤机14 台，锅炉为超临界压力、循环泵式启动系统、前后墙对冲低NOx轴向旋流燃烧器、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、全钢构架的变压本生直流炉。

锅炉运行时屏式过热器存在严重的结焦结渣问题，如图1 所示，这使得机组的安全运行面临一定的风险。此外，结焦区域受热面换热效率降低，导致机组经济性下降。每次检修均需对其进行重点检查，且每次均能发现大面积结焦的情况。

图1 屏式过热器结焦情况

2 研究目的与意义

此次研究拟采用新型防结焦喷涂技术对锅炉屏式过热器进行防结焦喷涂，以达到如下目的：

1）防止锅炉受热面结焦，提高换热效果，减轻喷砂对基材的减薄伤害，延长基材的使用寿命；

2）使后续维护简单，降低检修维护成本，缩短检修维护时间，锁定结焦区与腐蚀区，为受热面维护提供有效检维措施。

通过对新型防结焦技术的研究，引入一种新型的涂层技术路线，填补行业空白，能够有效地解决传统涂层技术当前存在的问题，对提升热电公司锅炉整体安全运行水平具有重要意义。在提升锅炉屏式过热器防结焦与防腐能力等级的情况下，降低锅炉受热面年度防结焦和防腐的投资成本，可节约企业的运行成本。锅炉受热面结焦、高温腐蚀问题是个共性问题，将相关研究成果进行推广，获得显著的社会效益和经济效益。

3 国内外研究现状

目前，国外对纳米陶瓷复合材料的研究越来越深入，使得加热炉新材料技术发展到了一个完全成熟的阶段，尤其是最新的保护性高发射率纳米陶瓷复合材料技术，在航天领域和工业加热炉装置中均被成功应用。通过对炉管表面进行纳米陶瓷复合材料喷涂，能够大大提高高温下的炉管基质的表面黑度，当温度变化范围较大时，依然保持炉管表面的发射率不变［1］。

国内有许多科研单位围绕火电清洁技术进行了深入研究，并且获得了积极地研究成果，如东南大学研究的关于锅炉积灰建立的理论计算模型及方法，在火电厂的实际应用中获得了良好的效益［2］。

4 传统喷涂防结焦与陶瓷识别层技术

4.1 传统喷涂技术存在的问题

国内外相关公司与研究机构针对锅炉受热面防腐表面喷涂技术做出了大量的研究：

1）超音速火焰喷涂技术与超音速电弧喷涂技术由于结构简单、现场要求较低等特点，成为了国内外火电厂锅炉最常用的表面防护手段。而由于国内火电行业存在的局限性，超音速火焰喷涂几乎没用应用，主要采用超音速电弧喷涂技术进行表面防护涂层的制备。

2）热喷涂技术使用周期短，一般使用1～2 年就不再具有防结焦的效果，而且年投资成本高，抗磨性能一般，无法有效解决大颗粒煤粉磨损的情况。

传统涂层对于基底处理要求较高，且现场施工基底处理难度较高，涂层质量难以得到保证。此外，传统涂层缺少可靠的验评方法，涂层质量难以从外部进行直观评价，边缘位置或局部缺陷位置出现腐蚀问题后容易沿涂层与基体的结合面横向扩展，造成涂层失效。当锅炉爆管停炉时，必须冷却并打磨干净后，再实施熔覆和二次喷涂，这就会造成二次处理，周期长，使检修工作量大幅度增加。

4.2 陶瓷识别层技术

通过热化学反应法在经过喷砂预处理的基材上制备纳米陶瓷涂层，是一种实验室研究的防护涂层技术［3-4］。该方法以水基悬浮浆料为原材料（包含分散剂、粘结剂以及多种纳米陶瓷颗粒），采用0.3 MPa～0.6 MPa 的压缩空气雾化，然后均匀涂覆于管子表面，经过室温阴干和启炉加热固化，最终在金属基材表面形成厚度约0.05 mm～0.15 mm的纳米陶瓷涂层［5］。

目前，高温纳米陶瓷涂层技术开始进入火电行业，并得到了一定的应用。该技术在锅炉受热面的管子表面喷涂一层致密的、具有腐蚀惰性的、焦渣低润湿性的且具有一定辐射功能的涂层，即可降低腐蚀与结焦导致的后果。此类涂层主要通过调整材料成分以及粉体细度来达到涂层的实际使用性能，涂层粉体细度要求较高，一般达到纳米级。所以，目前应用的涂层一般称为高温纳米陶瓷涂层。

4.3 陶瓷识别层技术优势

陶瓷涂层主要用于工业热能设备的所有辐射换热过程，可达到安全、节能、环保和增加设备使用寿命的目的，提升炉体运行的安全性和经济性。

由于陶瓷识别层技术路线的特点，所制备的涂层具有一定的整体性，且施工工艺简单，涂层配方及颜色易调整，特殊的工艺可以提高该类陶瓷与金属的结合性能，这使得该技术路线有较大的成功几率。

陶瓷识别层技术能够解决传统金属涂层难以在低氮燃烧改造后锅炉受热面长久应用难的问题，具有传统喷涂技术涂层良好的防结焦、耐高温、耐腐蚀性能，更具有其所不具备的表面韧性。该技术可以有效地隔绝腐蚀产物向基体扩散，且局部发生腐蚀时，能够避免腐蚀沿结合面扩展而导致涂层大面积剥落。

通过陶瓷识别涂层可以避免施工往复喷砂造成受热面减薄的问题，降低了检修费用，缩短了检修时间，锁定结焦区与腐蚀区，为受热面维护提供有效检维措施；此外，陶瓷识别层技术可直观地评价涂层质量和运行状况，方便验收施工质量及评价运行状况。

陶瓷识别层技术具备更优的抗热震性能，更适合目前机组频繁深度调峰的运行工况，为常温施工（可喷涂或刷涂)、自然固化、高温下一次性成型。这样就解决了炉膛内高温施工的问题，大幅提高了施工效率及安全性，降低了施工成本及综合造价。

5 研究内容与思路

5.1 研究内容

以某电厂锅炉为研究对象，对结焦腐蚀特性进行试验研究：

1）根据屏式过热器结焦腐蚀特性，设计涂层并进行系统试验，确定防结焦和防腐蚀涂层技术路线；

2）根据确定的防结焦和防腐蚀涂层技术路线，设计陶瓷识别层并对复合涂层的性能进行实验研究；

3）停机时，对涂层进行验证，确定合理的涂层选型。

5.2 研究思路

1）对现场环境进行调查研究，包括工件服役温度、燃料种类、工件服役气体环境、造成磨损的介质种类等。

2）对失效工件进行分析，提取工件表面失效层，利用化学滴定、扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）对表面形貌及成分进行分析，通过X 射线衍射、红外光谱、扫描电镜等对涂层试样进行表面和断面分析，研究涂层失效机理，明确涂层性能要求。

3）通过热膨胀系数测试仪（DTA）、高温加热炉等设备对水冷壁热膨胀系数、氧化温度、耐温温度进行调查或测试，为配方选取做准备。

4）选取热膨胀系数匹配良好的陶瓷配方，烧制并通过球磨成粉，根据现场水冷壁的材质配置出高温涂层配方。

5）喷涂工作完成后，借鉴水冷壁的现场工作环境，对涂层进行附着力、硬度、抗热震性、耐温性等性能测试；通过电学、加速腐蚀试验、耐介质试验等分析表征涂层的耐腐蚀性能，并寻找其规律；通过傅立叶红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、扫描电镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、能谱分析（EDS）等显微分析技术对涂层及基材界面进行分析，研究其界面形貌及其性能变化的规律。

6）在现场进行挂片试验，考察涂层的防结焦和防腐蚀性能，研究防结焦及高温防腐耐磨涂层的施工性、配套性对涂层服役情况的影响，从而选出适合的施工工艺，再对陶瓷涂层与常规涂层在技术和经济方面进行对比，并对相关涂层、工艺方案和防腐效果进行综合评价，其流程如图2所示。

图2 研究流程

5.3 技术关键

确保陶瓷识别涂层在高温条件下维持较高结合强度、防结焦和防腐性特性，以及较低温度条件下的烧结是研究的技术关键。异质基体（无机材料和金属材料）的封接因其膨胀系数的巨大差异导致界面在加热和冷却过程中结合强度下降，甚至脱落。另外，在高温状态下无论是金属还是无机材料，其硬度均会降低。因此，如何在650 ℃～800 ℃保持较高的硬度，是获得更好耐磨性的一个关键。最后，在锅炉升温过程中水冷壁表面需经受一定程度的风力。这就要求涂层必须在低温状态下进行烧结固化，并拥有一定的结合强度、耐磨性及抗温能力，才能保证无机材料涂层在烧结前的良好附着。因此，低温条件下的烧结固化也是该涂层能否成功应用的一个关键技术。如何保证特性不同的识别层的结合效果也是研究的技术关键之一，喷涂后达到的直观效果如图3所示。图4为管子表面的喷砂情况，喷砂工艺遵循RSI高温纳米陶瓷涂层工艺控制标准。图5 为表面功能层的施工情况，满足RSI高温纳米陶瓷涂层工艺控制标准。

图3 陶瓷识别层喷涂后的效果

图4 喷砂情况

图5 表面功能层的施工情况

6 结语

锅炉结焦现象一直以来都是困扰火力发电厂的重大难题，有着严重的危害性，影响着我国电力事业的发展。本文针对屏式过热器存在大面积严重结焦的情况，研发了一种新型防结焦高温纳米陶瓷识别涂层，解决了屏式过热器结焦和腐蚀严重的难题，该成果已成功应用于炉屏式过热器，防结焦效果良好。从现场的实际应用效果看，防结焦高温纳米陶瓷识别涂层能满足现场工作的要求，实现了机组的安全运行，总体技术路线可行、实用。高温纳米陶瓷识别涂层具有抗结焦、防腐蚀能力，可防超温爆管和腐蚀爆管，对提升机组运行的安全性和经济性有重要作用。基层设定为白色，表层设定为绿色，后期维护可根据是否露出识别涂层，来确定是否需要补喷，达到了降低检修维护成本和缩短检修维护时间的目的，对火电厂提升设备使用的稳定性和安全性上有较大帮助。