碳化硅陶瓷在鍋爐旋流燃燒器上的應(yīng)用分析

李志剛，王磊

(朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧 朝陽 122004)

碳化硅陶瓷在鍋爐旋流燃燒器上的應(yīng)用分析

李志剛，王磊

(朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧 朝陽 122004)

大型電站鍋爐燃燒器在使用過程中大都存在磨損的問題。燃燒器磨損引起鍋爐配風(fēng)變化，導(dǎo)致燃燒調(diào)整困難，造成一次風(fēng)率升高，使煙氣NOx濃度增加。通過分析燃燒器磨損的成因，對比氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷在燃燒器上的使用情況,發(fā)現(xiàn)采用碳化硅陶瓷作為防磨材料可解決耐磨襯脫落、燃燒器磨損的問題。

電站；鍋爐；燃燒器；磨損；碳化硅陶瓷；旋流燃燒器

0 引言

大型電站鍋爐煤粉燃燒器[1]長期運(yùn)行，煤粉通流部位不可避免地會發(fā)生磨損。通常的解決辦法是在燃燒器接觸煤粉的部位鑲嵌耐磨材料。傳統(tǒng)的耐磨材料為氧化鋁陶瓷，而近年來碳化硅陶瓷以其良好的性能，在電力工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，可以替代氧化鋁陶瓷作為燃燒器的防磨材料。

1 氧化鋁陶瓷在鍋爐旋流燃燒器上的應(yīng)用

1.1 氧化鋁耐磨陶瓷使用情況

某發(fā)電公司2×600 MW機(jī)組鍋爐[2]采用前后墻對沖燃燒方式，前墻布置4層旋流煤粉燃燒器，后墻3層，每層5臺，共計(jì)35臺燃燒器。燃燒器一次風(fēng)管及入口彎頭內(nèi)壁、中心風(fēng)管外壁均采用氧化鋁陶瓷作為耐磨材料。

在機(jī)組正式投運(yùn)1年后，對2臺鍋爐燃燒器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)燃燒器普遍存在氧化鋁陶瓷片碎裂、脫落的問題，靠近噴口的部位幾乎全部脫落。導(dǎo)致燃燒器中心風(fēng)管及一次風(fēng)管磨損，中心風(fēng)管的損壞尤為嚴(yán)重，前部穩(wěn)燃齒及加強(qiáng)管大部分脫落，管壁磨穿，如圖1、圖2所示。

圖1 中心風(fēng)管損壞情況

圖2 一次風(fēng)管損壞情況

1.2 氧化鋁陶瓷及燃燒器損壞的原因

燃燒器中心風(fēng)管及一次風(fēng)管氧化鋁陶瓷碎裂、脫落均發(fā)生在距噴口1 m左右的區(qū)域內(nèi)，分析其原因主要有2點(diǎn)：一是，因氧化鋁陶瓷熱振穩(wěn)定性差，靠近噴口區(qū)域的氧化鋁陶瓷受高溫火焰輻射以及燃燒器投停、機(jī)組啟停的影響，溫度波動頻繁，溫差變化大，導(dǎo)致氧化鋁陶瓷炸裂脫落；二是，燃燒器用氧化鋁陶瓷片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，采用自拱陶瓷，粘貼加部分點(diǎn)焊的方式固定在燃燒器上，黏結(jié)劑受到高溫輻射失效，其中一片陶瓷脫落就會導(dǎo)致與其互相拱壓的未點(diǎn)焊的陶瓷片隨之脫落。

氧化鋁陶瓷脫落后，導(dǎo)致中心風(fēng)管和一次風(fēng)管表面不平整，產(chǎn)生渦流磨損，其磨損速度遠(yuǎn)大于正常磨損，最終造成中心風(fēng)管和一次風(fēng)管在較短時間嚴(yán)重?fù)p壞。

1.3 燃燒器損壞產(chǎn)生的不良影響

燃燒器中心風(fēng)管和一次風(fēng)管損壞，破壞了原燃燒器中心風(fēng)、一次風(fēng)和二次風(fēng)的配比，造成燃燒效率下降、噴口區(qū)域局部結(jié)焦，為了延緩燃燒器損壞的速度，運(yùn)行中被迫增大備用層燃燒器的中心風(fēng)和二次風(fēng)量加強(qiáng)噴口的冷卻，導(dǎo)致了煙氣中NOx含量的增加。

2 碳化硅陶瓷[3]在鍋爐旋流燃燒器上的應(yīng)用

2.1 碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷[4-5]與氧化鋁陶瓷相比有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)耐高溫，熱振穩(wěn)定性好(1 100 ℃水冷大于25次制品不開裂)，耐磨、耐氧化、耐腐蝕，而氧化鋁陶瓷熱振穩(wěn)定性差，極易在熱應(yīng)力下碎裂；(2)碳化硅陶瓷可整體燒結(jié)成管節(jié)，襯套在中心風(fēng)管上，安裝牢固，不會脫落，而氧化鋁陶瓷只能做成片狀，采用點(diǎn)焊加粘貼的方式固定，容易脫落。

2.2 整體燒結(jié)碳化硅陶瓷管/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在鍋爐旋流燃燒器上的應(yīng)用

針對燃燒器損壞的問題，2013年10月，在#2機(jī)組B修期間對鍋爐A，D層燃燒器進(jìn)行了嘗試性的改造：將中心風(fēng)管全部更換，新中心風(fēng)管外表面套裝碳化硅陶瓷管。

#2機(jī)組鍋爐燃燒器改造后，至2014年3月機(jī)組C修，運(yùn)行時間約4個月。檢查發(fā)現(xiàn)，A，D層燃燒器新更換的中心風(fēng)管最靠近噴口部位的一節(jié)碳化硅防磨層不同程度的存在貫穿性裂紋，如圖3所示。

圖3 碳化硅陶瓷管裂紋

在加工制造中心風(fēng)管時，碳化硅陶瓷管整體套在金屬芯管上，與金屬芯管間預(yù)留的膨脹間隙過小，鍋爐運(yùn)行時，金屬芯管的熱膨脹量大于碳化硅陶瓷管預(yù)留的膨脹間隙，從而將碳化硅陶瓷管脹裂。

2.3 燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在鍋爐旋流燃燒器上的應(yīng)用

為解決燃燒器中心風(fēng)管前部碳化硅陶瓷管開裂的問題，再次對中心風(fēng)管碳化硅陶瓷的安裝形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。靠近噴口的碳化硅管改為分體燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形板，碳化硅陶瓷弧形板內(nèi)弧預(yù)制燕尾槽，裝配時在中心風(fēng)管金屬芯管外表面上焊接燕尾型楔鐵(燕尾壓條)，首先把燕尾型楔鐵(燕尾壓條)定位并焊接在中心風(fēng)金屬芯管上，涂抹有機(jī)膠，把燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形板鑲嵌于燕尾型楔鐵(燕尾壓條)上。碳化硅陶瓷弧形襯板采用機(jī)械固定形式與金屬件復(fù)合在一起，運(yùn)行中碳化硅陶瓷弧形板在圓周上為分體結(jié)構(gòu)，可隨中心風(fēng)芯管一起膨脹，解決了整體碳化硅陶瓷管脹裂的問題。碳化硅陶瓷弧形板之間錯口互壓，錯口互壓的設(shè)計(jì)能避免煤粉沿著縫隙對陶瓷及金屬工件的磨損。燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)，在碳化硅陶瓷弧形板和中心風(fēng)芯管間涂抹填充有機(jī)膠，以保證常溫時的裝配尺寸，當(dāng)有機(jī)膠泥在高溫下使用時會氧化揮發(fā)，使碳化硅陶瓷弧形襯板與中心風(fēng)芯管間保留一定的膨脹間隙。設(shè)計(jì)過程中，用有限元軟件模擬鍋爐內(nèi)溫度場變化對工件不同材料脹縮的影響，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加趨于合理、安全。燕尾壓條、燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板如圖4所示。

圖4 燕尾壓條及碳化硅陶瓷弧形襯板

2014年6月，對#1鍋爐燃燒器的中心風(fēng)管進(jìn)行了優(yōu)化改造。2016年6月檢查發(fā)現(xiàn)，新的燃燒器中心風(fēng)管整體情況較好，已使用2年時間的碳化硅陶瓷表面僅稍顯粗糙，磨損最嚴(yán)重的部位不超過0.5 mm，展現(xiàn)出了碳化硅陶瓷良好的耐磨性能?？拷鼑娍诓课坏闹行娘L(fēng)管耐磨碳化硅陶瓷弧形板全部完好，沒有發(fā)現(xiàn)碳化硅陶瓷開裂及脫落的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

碳化硅陶瓷與氧化鋁陶瓷相比存在諸多優(yōu)點(diǎn)，建議鍋爐燃燒器的防磨材料優(yōu)先選擇碳化硅陶瓷。燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能安全、可靠，在鍋爐旋流燃燒器上使用，可極大地延長設(shè)備使用壽命，保證生產(chǎn)設(shè)備安全、可靠，社會效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著，可以推廣使用。

[1]李芳芹.旋流式燃燒器對沖布置的鍋爐爐內(nèi)NOx生成機(jī)理及控制的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

[2]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算[M].2版.北京：科學(xué)出版社，1992.

[3]吳人法.復(fù)合材料[M].天津:天津大學(xué)出版社，2000.

[4]陳正鈞，杜玲儀.耐蝕非金屬材料及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985.

[5]張光磊,邢朋飛,高輝,等.脆性陶瓷材料的增韌方法及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2008,23(2):77-82.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2016-12-08；

2017-03-20

TK 223.23

B

1674-1951(2017)04-0032-02

李志剛(1980—)，男，遼寧喀左人，工程師，從事火電廠鍋爐設(shè)備安裝、檢修、改造等方面的工作(E-mail:zglee1980@126.com)。

王磊(1980—)，男，遼寧喀左人，工程師，從事火電廠鍋爐安全管理方面的工作(E-mail:shitou666666@163.com)。