锅炉水冷壁受热面新型防结焦喷涂技术应用综述

2022-02-14王明洋管玉保于瀚博

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2022年1期

王明洋，管玉保，于瀚博，刘放

（1.吉林电力股份有限公司四平第一热电公司，吉林四平 136000；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）

火电机组在高负荷运行时，锅炉炉膛结焦严重影响了锅炉的安全经济运行。当机组采用低氮燃烧方式时，锅炉受热面会出现还原性气氛腐蚀和结焦倾向加剧的现象，且传统锅炉受热面涂层技术在当前工况下具有有效保护时间短，无法同时防腐和防结焦，施工工艺要求高，涂层结合能力差，涂层缺陷易蔓延以及涂层验收与运行评价手段欠缺等问题。对此，某热电公司以锅炉为研究对象，采用高温纳米陶瓷涂层技术对锅炉受热面进行优化。

1 锅炉使用工况

炉膛受热面面临较高的非停风险。由于高温腐蚀与结焦结渣较严重，导致受热面管在运行过程中面临高温腐蚀爆管风险，以及垮焦灭火与落焦砸伤灰斗水冷壁的风险。在锅炉运行时，由于水冷壁区域存在严重的结焦结渣和高温腐蚀问题，为保障锅炉安全运行，每次停机时均需对该位置进行重点检查与除焦作业，且需对掉落至灰斗的焦块进行清理。由于该位置较高且炉内环境较差，导致检修的难度、危险性与检修周期均有较大的提高，对电厂的经济性造成损失。

大量结焦会影响受热面的换热效果，提高运行调整难度，且焦渣的导热系数低，具有一定的厚度，这严重影响了炉膛受热面的换热效果。同时，炉膛结焦还会导致出口烟温提高，过热器和再热器的温度会超过额定温度，进而造成减温水量提升，影响了机组运行的经济性与安全性。

传统防护涂层具有较大弊端，不能提供长效防护，难以适应锅炉现有的运行工况。如浙江某厂1 000 MW 超超临界机组采用国产PS45 涂层对锅炉燃烧器附近的水冷壁管进行保护，涂层价格约2 500 元/m2，保护区域的水冷壁管约1 年后出现大面积腐蚀减薄，检修时全部更换；河南某厂600 MW超临界机组的燃煤含硫量约为0.8%～1.0%，氮燃烧器改造前，采用NiCr 涂层（与PS45 类似)对燃烧器附近进行保护，涂层运行状态较好，但进行低氮燃烧器改造和贴壁风改造后，原涂层失效，采用同种工艺进行多次保护，涂层价格分别为1 200元/m2和4 000 元/m2，仅运行1 年就发生大面积腐蚀；贵州某厂600 MW 超临界机组的燃煤含硫量约3%，基建阶段采用进口45CT 材料进行喷涂，综合单价约5 000元/m2，涂层在2年内运行状况良好，第3年初发现锅炉水冷壁管出现大面积高温腐蚀。

综上所述，采用传统防腐涂层进行锅炉受热面维护的年运行成本约为2 000元/m2。

2 锅炉结焦的原因及危害

2.1 锅炉结焦的原因

锅炉内高温处熔化的灰接触到受热面后，粘附在锅炉的受热面上。由于积灰的导热性能差，导致积灰外表面温度高于内表面温度。锅炉积灰还会增加管壁面的粗糙程度，自然软化后会使更多的灰粘附在粗糙面上，灰渣外围的温度越高，覆盖的灰就越多，灰层也越来越厚。当炉膛温度达到灰渣的熔点之后，灰渣会变成液体流到附近的受热面管上，如果长期不清理结焦，就会导致结渣的面积不断扩大［1］。锅炉水冷壁形成的结焦如图1所示。

图1 锅炉结焦

2.2 锅炉结焦的危害

锅炉结焦会加大锅炉系统的热量损失，因为水冷壁结焦会导致蒸发量下降，炉膛出口的温度会上升，从而使排烟热损失增大，而蒸汽出口的温度也会上升，同时管壁的温度增大，使通风阻力加大，锅炉出力就会受到限制。此外，锅炉在结焦后还会出现局部过热，导致锅炉爆管，影响锅炉的安全运行［2］。

3 国内外研究现状

针对锅炉受热面结焦与高温腐蚀的问题，国内外进行了大量的研究，主要有非表面防护法与表面防护法。由于表面防护法主要偏向于系统调整等方式，在保护过程中存在较大的偶然性，所以目前国内外对锅炉受热面的保护主要是通过表面防护方式来进行的。

随着计算机技术和控制技术的发展，各种软件系统、人工智能、在线监测等技术已经与防结焦联系起来。北爱尔兰Queen 大学在锅炉防结焦领域做了大量研究工作，现主要从结焦对炉内能量分布和热力循环效率影响的角度对防结焦方案进行优化［3］。

锅炉结焦情况进行数值分析尤为重要，在锅炉防结焦方面可以起到推动作用。清华大学徐旭常等人［4］应用k-ε模型对国内某电厂W 型火焰锅炉进行了数值模拟；上海交通大学章明川等人［5］以四角切向燃烧锅炉为数值仿真研究对象，采用相同的模型，应用SIMPLE 算法对锅炉内部的三维流场进行了仿真。

4 传统喷涂技术

4.1 金属涂层技术路线的发展状况

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，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目前最常用的表面防护手段，而由于国内火电行业目前存在的局限性，超音速火焰喷涂技术几乎没用应用，主要采用超音速电弧喷涂技术制备表面防护涂层。因此，国内针对受热面涂层材料的研究主要集中于电弧喷涂丝材的研究，采用的技术路线基本来源于国外的同类研究。

4.2 传统金属热喷涂存在的问题

传统金属热喷涂抗磨性能一般，无法有效地解决大颗粒煤粉磨损的情况，且防磨周期短，喷涂施工难度高。传统涂层对于基底处理要求较高，现场施工基底处理难度较高，涂层质量难以保证且难以从外部进行直观评价。当传统涂层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，而且热喷涂使用周期短，年投资成本高。

传统防护涂层与基体多为机械结合方式，对表面处理等施工工艺要求较高，缺乏有效的工程验收及运行状态评价手段，涂层易出现薄弱点，运行后易形成缺陷，最终成为隐患扩散点，导致传统涂层使用效果大打折扣；传统涂层的运行状况难以评价，涂层检修维护难度大，易导致过度维护或疏于维护的情况，进一步提升了运行风险或导致涂层运行的年度成本进一步提高；由于金属喷涂与受热面管基体分辨难度较大，无法快速识别，所以在每次喷涂时均需对受热面管进行喷砂处理，这对管子的使用寿命造成较大影响。

5 新型防结焦喷涂技术

5.1 高温纳米陶瓷涂层技术

纳米陶瓷，是指在陶瓷材料的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都在纳米数量级上［6］，通过有效的分散、复合使异质纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基质结构中，极大地改善了陶瓷材料的韧性、耐磨性以及高温力学性能，提高了合金的耐高温抗氧化性能［7］。该技术历经了保护性涂层，红外高发射率涂层，全波段高发射率、保护性和多功能复合涂层3 代技术。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，其主要原理是在锅炉受热面管表面喷涂一层致密的、具有腐蚀惰性的、焦渣低润湿性的以及具有一定辐射功能的涂层，以此降低腐蚀与结焦导致的后果。

5.2 高温纳米陶瓷涂层技术的优势

高温纳米陶瓷涂层技术能把金属材料和陶瓷材料的特性结合起来，形成强韧性、耐高温、耐腐蚀的新材料。该技术不受基体、工件尺寸和施工场所的限制，形成的高温纳米陶瓷涂层沉积速率快，厚度可控，操作工艺简单，可加工性好，对于已受损的涂层可进行二次喷涂。

高温纳米陶瓷涂层能够使灰粒附着性降低，达到很好的防结焦效果。致密的陶瓷薄膜使锅炉基质与外部环境隔绝，减少了氧化高温腐蚀现象的发生。对锅炉基材表面进行陶瓷喷涂，可以使基材的硬度提升，提高抗热震能力与可靠性，有效地对基材进行了保护，这对超超临界锅炉来说尤为重要［8-9］。

高温纳米陶瓷涂层具有一定的整体性，施工工艺简单，配方易调整，可通过特殊工艺提高该类陶瓷与金属的结合性能。

本文采用的复合材料与识别层技术属于目前同类技术路线产品在锅炉受热面综合治理中的新技术，除具有传统技术涂层的优点外，更具有优质的表面韧性，可以有效地隔绝腐蚀产物向基体扩散，避免腐蚀沿结合面扩展而导致涂层大面积剥落，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不能长久应用的难题，以及施工往复喷砂造成受热面减薄的问题。

该技术通过陶瓷识别涂层锁定结焦区与腐蚀区，为受热面维护提供有效的检维措施，可直观地评价涂层质量和运行状况，方便施工质量验收以及运行状况评价。该涂层技术在常温状态下施工（可喷涂或刷涂)，自然固化，在高温下一次性成型，解决了炉膛内高温施工的问题，且施工效率和安全性大幅提高，降低了施工成本及综合造价。

6 新型防结焦技术施工效果

喷涂施工后的锅炉水冷壁抗结焦和抗结渣的效果良好，减少了吹灰器的运行时间，降低了管壁被吹损的风险；受热面换热均匀，且换热效率大大提升；受热面耐流速磨损，延长了使用寿命，其使用时间不低于3 年。高温纳米陶瓷识别涂层的基层预设定为白色，表层预设定为绿色，效果如图2 所示。表面喷砂情况如图3 所示，喷砂工艺按照RSI高温纳米陶瓷涂层工艺控制标准进行。