爐內(nèi)噴涂ZST高溫納米陶瓷涂料對(duì) 大型電站煤粉鍋爐性能的影響

張建輝， 邰召山， 王渤海， 詹明秀， 王進(jìn)卿， 池作和

(1.神華國(guó)華盤山發(fā)電有限責(zé)任公司，天津 301900；2.兆山科技(北京)有限公司，北京 100070； 3.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018)

國(guó)內(nèi)外大型電站煤粉鍋爐普遍面臨爐膛輻射受熱面沾污結(jié)渣、高溫腐蝕和侵蝕磨損問題，這不僅影響鍋爐正常運(yùn)行，降低發(fā)電效率，而且可能會(huì)導(dǎo)致降負(fù)荷甚至非計(jì)劃停爐，危及鍋爐運(yùn)行安全性和機(jī)組可用率，是困擾鍋爐運(yùn)行的難題之一[1]。現(xiàn)行的防高溫腐蝕和沾污結(jié)渣綜合治理技術(shù)措施通?；趦?yōu)化燃料(包括混配煤和燃煤清焦劑)、優(yōu)化設(shè)計(jì)(如鍋爐設(shè)計(jì)斷面和容積熱負(fù)荷、燃燒區(qū)域熱負(fù)荷選取以及采用貼壁風(fēng)技術(shù)等)、優(yōu)化運(yùn)行(如燃燒調(diào)整和智能吹灰等)等技術(shù)路線，這些方式可在一定程度上改善和緩解沾污結(jié)渣及高溫腐蝕狀況[2-4]，采用高溫陶瓷涂料技術(shù)能夠很好地減輕高溫腐蝕、侵蝕磨損和受熱面結(jié)渣[5-7]。聯(lián)合國(guó)環(huán)境發(fā)展署(UNEP) 亞太低碳指南指出，目前針對(duì)爐體安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的最有效且性價(jià)比最高的解決方案就是對(duì)受熱面管道及爐襯施用納米陶瓷涂層[8]。

ZST(Zhaoshan Technology)納米陶瓷涂料是一種化學(xué)惰性復(fù)合增韌納米陶瓷涂料，具有很強(qiáng)的耐腐蝕侵蝕性和熱穩(wěn)定性，已應(yīng)用在多臺(tái)大型電站煤粉鍋爐上。筆者對(duì)某電廠2號(hào)機(jī)組530 MW煤粉鍋爐高溫受熱面噴涂該納米陶瓷涂料的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，探索其對(duì)鍋爐性能的影響，并在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定試樣鋼片表面噴涂前后接觸角和熔融煤灰對(duì)鋼基體表面黏附能力的變化。

1 試驗(yàn)材料

納米陶瓷涂料在噴涂前為液態(tài)懸濁液漿料，通過常溫壓縮空氣噴涂到受熱管表面、隨爐升溫成陶后，陶瓷膜通過化學(xué)鍵的方式與金屬基體緊密結(jié)合，全面提升了基體表面的物理和化學(xué)特性。美國(guó)能源部(DOE)在2003年將高溫陶瓷涂層列為提高化石能源熱能利用安全與經(jīng)濟(jì)性共性問題的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)主要包括：

(1)納米微粒子技術(shù)。改變陶瓷涂料與基體結(jié)合機(jī)理及表面力學(xué)特性，使表面功能材料與基體以化學(xué)鍵方式緊密結(jié)合，改善了材料的表面張力特性。

(2)黏結(jié)劑系統(tǒng)技術(shù)。針對(duì)不同基體、應(yīng)用環(huán)境及配方，多種有機(jī)與無機(jī)黏結(jié)劑的優(yōu)化組合可促進(jìn)相間反應(yīng)。

(3)稀土復(fù)合發(fā)射劑技術(shù)。改變了陶瓷涂層的高發(fā)射率特性，在較寬波段范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的高發(fā)射率。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 黏附特性試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)材料

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該型陶瓷涂料的防腐蝕和防結(jié)渣性能進(jìn)行了試驗(yàn)。采用的試樣鋼片鋼材為20G鋼，此種鋼材為電站煤粉鍋爐水冷壁的常用鋼材。由于20G鋼基體與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的SA-210C基體特性相近，故采用容易得到的20G鋼基體代替SA-210C基體開展試驗(yàn)。試樣鋼片鋼材均被加工成約20 mm×20 mm×2 mm的平板試樣鋼片，其元素組成見表1。

表1 試樣鋼片鋼材的元素組成Tab.1 Elemental analysis of steel tested %

2.1.2 試驗(yàn)裝置和方法

煤灰與鋼基體表面接觸角的大小能夠反映煤灰在鋼基體表面的黏附能力，因此筆者設(shè)計(jì)了高溫懸滴法接觸角測(cè)定系統(tǒng)(圖1)用于檢測(cè)接觸角。高溫懸滴法接觸角測(cè)定系統(tǒng)采用高溫熔塊爐和高溫電爐上下布置，能夠模擬電站煤粉鍋爐中煤灰熔滴在受熱面上沉積的過程，使得高溫熔滴滴落在相對(duì)低溫的試樣鋼片表面。

所使用的接觸角測(cè)量方法為外形圖像分析方法[9]。對(duì)CCD攝像與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄下的高溫熔滴在試樣鋼片表面的沉積過程進(jìn)行圖像分析。運(yùn)用軟件中的數(shù)字圖像處理得出高溫熔滴在試樣鋼片表面的接觸角。

試驗(yàn)前，向高溫熔塊爐剛玉管內(nèi)放入一定量的煤灰，將試樣鋼片及其支架置于高溫電爐上開口的正下方并調(diào)整試驗(yàn)所需的液滴下落高度。開啟高溫熔塊爐和高溫電爐，調(diào)節(jié)高溫熔塊爐至1 300 ℃，調(diào)節(jié)高溫電爐至450 ℃，該試驗(yàn)溫度與鍋爐水冷壁表面的溫度相近。開啟CCD攝像頭和計(jì)算機(jī)，將CCD攝像頭對(duì)準(zhǔn)高溫電爐的觀火口，等到計(jì)算機(jī)能夠采集到試樣鋼片的清晰圖像后開始試驗(yàn)。當(dāng)煤灰經(jīng)高溫熔化形成熔滴后，抽離剛玉棒，熔滴順著剛玉管下方開口往下滴，沉積在試樣鋼片表面。整個(gè)熔滴在試樣鋼片上的沉積過程通過CCD攝像與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。最后，根據(jù)所得的輪廓圖像利用軟件進(jìn)行圖像處理計(jì)算，得到熔滴滴落在表面時(shí)的接觸角。

1-剛玉棒；2-剛玉管；3-高溫熔塊爐；4-硅碳棒；5-熔料；6-絕熱材料；7-高溫電爐上開口；8-高溫電爐；9-進(jìn)氣口；10-排氣口；11-試樣鋼片；12-試樣鋼片支架；13-觀火口；14-硅鉬棒；15-CCD攝像頭；16-計(jì)算機(jī)

圖1 高溫懸滴法接觸角測(cè)定系統(tǒng)

Fig.1 Contact angle measurement system using high temperature hanging drop method

2.2 現(xiàn)場(chǎng)噴涂試驗(yàn)

2.2.1 機(jī)組概況

機(jī)組為俄羅斯波多爾斯克奧爾忠尼啟澤機(jī)器制造廠制造的530 MW煤粉鍋爐(容量為1 650 t/h)，其型號(hào)為ПП-1650-25-545KT(П-76)，采用直流超臨界固態(tài)排渣、左右墻對(duì)沖燃燒方式。該鍋爐實(shí)際燃燒煤種為神華混煤，其煤質(zhì)分析見表2。

表2 煤質(zhì)和灰成分分析Tab.2 Quality analysis of coal

改造前該鍋爐存在以下問題：(1)從表2可知,燃煤灰熔點(diǎn)較低，屬具有較嚴(yán)重沾污結(jié)渣傾向的短渣煤質(zhì)；(2)采用超臨界高參數(shù)和旋流對(duì)沖燃燒方式，近幾年由于低氮燃燒造成的局部強(qiáng)還原性氣氛使得灰熔點(diǎn)更低，加劇了爐膛受熱面沾污結(jié)渣和高溫腐蝕傾向，如圖2所示，水冷壁壁面出現(xiàn)了塊狀渣塊堆積，結(jié)渣情況嚴(yán)重，水冷壁管束不可見；(3)由于沾污結(jié)渣及高溫腐蝕造成受熱面?zhèn)鳠崽匦韵陆担鹧嬷行纳弦?，飛灰含碳量升高。

圖2 水冷壁高溫區(qū)域表面結(jié)焦情況Fig.2 Coking status at high temperature zone of water wall

2.2.2 技術(shù)方案

技術(shù)方案如表3所示，選取爐膛水冷壁高溫區(qū)域前后墻約700 m2的受熱面作為噴涂區(qū)域(見圖3)，所用陶瓷涂層選型為ZST-CS-C-MT/RAC。

表3 技術(shù)方案Tab.3 Technical plan

圖3 爐膛水冷壁噴涂區(qū)域Fig.3 Area of water wall to be coated

2.2.3 技術(shù)改造流程

技術(shù)改造流程分為：對(duì)改造區(qū)域進(jìn)行噴砂處理，金屬表面粗糙度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SA 3.0級(jí)；對(duì)改造區(qū)域噴涂高溫陶瓷涂料，使厚度達(dá)到煤粉鍋爐的厚度標(biāo)準(zhǔn)60～90 μm；自然干燥12 h。待起爐之后，水冷壁隨爐升溫，高溫陶瓷涂料與水冷壁管發(fā)生熱固相反應(yīng)，形成致密陶瓷涂層。

a-噴砂前；b-噴砂后；c、d-噴涂后圖4 技術(shù)改造流程圖Fig.4 Flow chart of technical retrofit

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 黏附特性試驗(yàn)結(jié)果

圖5(a)為煤灰熔滴在20G鋼基體涂層試樣接觸角測(cè)定圖，圖5(b)為煤灰熔滴在20G鋼基體試樣接觸角測(cè)定圖，其中θ為接觸角。經(jīng)過圖像軟件處理后可知，煤灰熔滴與20G鋼基體涂層表面的接觸角為125°，而煤灰熔滴與20G鋼基體表面的接觸角為70°。因此，20G鋼基體復(fù)合陶瓷涂層的潤(rùn)濕性能要差于20G鋼基體，即復(fù)合陶瓷涂層減弱了20G鋼基體的黏附能力，可見復(fù)合陶瓷涂層具有良好的防結(jié)渣性能。

(a)

(b)圖5 煤灰熔滴接觸角測(cè)定圖Fig.5 Determination of contact angle of coal ash droplet

3.2 現(xiàn)場(chǎng)噴涂試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 熱態(tài)運(yùn)行效果分析

2號(hào)機(jī)組鍋爐改造后正常起爐，自2015年11月啟爐運(yùn)行至今1.5 a，噴涂納米陶瓷涂料后鍋爐熱態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，噴涂區(qū)域沾污結(jié)渣情況明顯減輕，表面無明顯結(jié)渣和掛大焦的情況，并且水冷壁管壁厚未減薄，爐管未出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象，表明納米陶瓷涂料抗沾污結(jié)渣、耐高溫腐蝕性能及可靠性穩(wěn)定，這與已有的研究結(jié)果[10-12]相吻合。由于受熱面沾污結(jié)渣情況得到改善，噴涂區(qū)域水吹灰投用頻次由原來的一天一次降為三天一次，減少了運(yùn)行成本。同時(shí)，噴涂納米陶瓷涂料后鍋爐水冷壁的吸熱量增加，降低了排煙溫度和減溫水量，解決了鍋爐減溫水量超出設(shè)計(jì)范圍的問題。由表4還可知,噴涂納米陶瓷涂料后,鍋爐效率由噴涂前的94.42%上升為94.63%，提高了0.21%；該廠噴涂前發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗約為300 g/(kW·h)，噴涂后發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了約0.6 g/(kW·h)，并且提高了鍋爐對(duì)煤種的適應(yīng)性。如表5所示，噴涂前后排煙溫度平均值由136.8 ℃下降為135.3 ℃，降低了1.5 K，其對(duì)應(yīng)的排煙熱損失下降了0.14%，同時(shí)熱工測(cè)試結(jié)果表明噴涂后固體未完全燃燒熱損失也略有下降。由于噴涂后爐膛黑度增加，火焰中心溫度降低，減少了熱力氮的生成，使得選擇性催化還原區(qū)噴氨量大幅減小，提高了鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。納米陶瓷涂料可以負(fù)載脫硝活性成分，進(jìn)一步降低了煙氣中NOx的排放量[6]。

表4 噴涂納米陶瓷涂料前后鍋爐熱態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Hot state operation data of boiler with and without nano-ceramic coating

綜上可知，大型電站煤粉鍋爐高溫受熱面噴涂納米陶瓷涂料后收效顯著，表明納米陶瓷涂料是解決鍋爐受熱面沾污結(jié)渣、高溫腐蝕和侵蝕磨損問題的有效措施，是一種具有很高推廣價(jià)值、先進(jìn)且成熟的技術(shù)。

表5 噴涂納米陶瓷涂料前后鍋爐性能參數(shù)對(duì)比Tab.5 Performance data of boiler with and without nano-ceramic coating

3.2.2 冷態(tài)停爐檢查效果及分析

冷態(tài)停爐后檢查水冷壁管表面時(shí)發(fā)現(xiàn)，納米陶瓷涂料仍然牢固地附著在管壁上(如圖6所示)，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和抗腐蝕能力。研究表明，納米陶瓷涂料具有優(yōu)異的抗熱震性能[11-13]。圖7給出了鍋爐后墻水冷壁噴涂和未噴涂區(qū)域整體沾污結(jié)渣情況比較。由圖7可知，噴涂區(qū)域相比于未噴涂區(qū)域更加光滑、平整，說明噴涂納米陶瓷涂料后阻垢作用較強(qiáng)，大幅減少了爐管表面積灰，減少了維護(hù)成本，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(a)改造前(b)改造后

圖6 改造前后水冷壁管表面沾污結(jié)渣及高溫腐蝕情況對(duì)比

Fig.6 Comparison of fouling, slagging and high temperature corrosion before and after retrofit

3.2.3 改造區(qū)域截管微觀機(jī)理檢測(cè)分析

熱態(tài)運(yùn)行停爐后對(duì)納米陶瓷涂料的水冷壁進(jìn)行取樣截管，采用電鏡掃描和光譜分析及X光衍射等檢測(cè)方法驗(yàn)證了納米陶瓷涂料的抗沾污結(jié)渣和耐高溫腐蝕等特性，可以得出：(1)納米陶瓷涂料主要由非金屬化合物及氧化物構(gòu)成，屬于化學(xué)惰性材料，陶瓷涂料膜致密，與管壁金屬基體結(jié)合緊密，它們是化學(xué)鍵結(jié)合而非簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)合；(2)該致密的化學(xué)惰性陶瓷基復(fù)合材料膜有效屏蔽了還原性氣氛的高溫硫腐蝕，同時(shí)具有抗沾污結(jié)渣和耐侵蝕磨損性能，并且可以顯著提高受熱面的傳熱能力。

圖7 鍋爐后墻水冷壁噴涂和未噴涂區(qū)域沾污結(jié)渣情況對(duì)比

Fig.7 Comparison of fouling situation between sprayed and non sprayed area for rear water wall of No.2 boiler

4 結(jié) 論

黏附特性試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了納米陶瓷涂層能夠減弱煤灰熔滴在鋼基體表面的黏附能力，有助于提高鋼基體的防結(jié)渣性能。在某廠2號(hào)機(jī)組鍋爐噴涂納米陶瓷涂料后發(fā)現(xiàn)，水冷壁受熱面沾污結(jié)渣程度減輕，納米陶瓷涂料具有優(yōu)異的耐高溫腐蝕和耐侵蝕磨損能力；水吹灰投運(yùn)頻次降低了約70%，同時(shí)水吹灰對(duì)水冷壁爐管的影響作用也減弱；鍋爐效率較噴涂前提高了0.21%；水冷壁的吸熱量增加，而排煙溫度降低了1.5 K，同時(shí)NOx的排放量也降低。最終，因低氮改造后帶來的高溫腐蝕加劇和減溫水量偏高等問題得到了明顯的改善，從而提高了鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，減少了檢修維護(hù)工作量。