配煤摻燒對(duì)水冷壁管使用性能的影響及應(yīng)對(duì)措施

孫 越

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，長春 130012)

1 配煤摻燒目的和意義

由于我國煤炭供應(yīng)市場(chǎng)局面越來越緊張，電廠釆購的煤種越發(fā)多樣化，煤種特性偏差較大，鍋爐燃煤煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤種，一些煤種不適應(yīng)鍋爐的類型。因此，配煤摻燒的關(guān)鍵在于發(fā)揮各摻配煤種的優(yōu)點(diǎn)，整合好各種煤在特性上的差異，配摻出綜合性能最佳、相對(duì)穩(wěn)定的新“煤種”，以此適應(yīng)燃燒優(yōu)化調(diào)整。在滿足鍋爐設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，盡可能提高鍋爐效率并降低煤耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

配煤摻燒的首要原則是保證煤種摻燒過程中的燃燒性能，即保證混煤在鍋爐內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性。煤種的燃燒特性主要是著火性能和燃燼性能，影響燃燒特性的最主要指標(biāo)為發(fā)熱量、揮發(fā)分等。配煤摻燒的現(xiàn)實(shí)意義和必要性對(duì)現(xiàn)代火電廠來說是不容置疑的，但由于配煤摻燒所用的各種煤在特性上存在差異，導(dǎo)致配煤摻燒后出現(xiàn)水冷壁結(jié)焦、結(jié)渣等亟待解決的問題，嚴(yán)重威脅著電廠的安全運(yùn)行。

2 配煤摻燒對(duì)水冷壁管使用性能的影響

配煤摻燒的煤質(zhì)是決定煤燃燒特性發(fā)熱量和揮發(fā)分兩個(gè)重要指標(biāo)的決定性因素，同時(shí)發(fā)熱量及揮發(fā)分又對(duì)水冷壁的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

2.1 發(fā)熱量

發(fā)熱量表征了煤炭作為燃料使用的價(jià)值，是煤炭最重要的性能指標(biāo)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，配煤摻燒影響著煤炭的發(fā)熱量，發(fā)熱量過高會(huì)使鍋爐燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)焦趨勢(shì)增強(qiáng)，對(duì)煤粉在爐內(nèi)的燃燼性不利，并且易引起爐膛內(nèi)熱負(fù)荷增加，從而影響到鍋爐的安全運(yùn)行[1]。

某電廠頻繁發(fā)生水冷壁爆管事故，水冷壁爆口如圖1所示。水冷壁的爆口處張口較大，爆口處管壁減薄明顯，測(cè)厚1.9 mm；爆口處管徑未見明顯變粗；管內(nèi)壁無腐蝕坑點(diǎn)，外壁未見裂紋；金相及化學(xué)分析，未發(fā)現(xiàn)組織異常；經(jīng)分析確定該水冷壁爆管原因?yàn)楦邷馗g減薄。根據(jù)腐蝕產(chǎn)物的差別，煤粉鍋爐水冷壁高溫腐蝕一般有以下幾種形式：硫酸鹽型高溫腐蝕、硫化物型高溫腐蝕、氯化物型高溫腐蝕，其中硫化物型高溫腐蝕是水冷壁高溫腐蝕中較為常見的類型。經(jīng)檢查，該電廠爆管水冷壁周圍管材上附著具有一定厚度的硫化產(chǎn)物，實(shí)際圖片如圖2所示。該廠配煤摻燒以前水冷壁并未出現(xiàn)大量結(jié)焦，配煤摻燒后結(jié)焦的程度逐漸加劇。

圖1 水冷壁爆口宏觀圖片

圖2 水冷壁硫化物附著圖片

綜合分析可知，由于配煤摻燒導(dǎo)致煤質(zhì)變差，燃煤中的硫在燃燒過程中產(chǎn)生游離態(tài)的硫和硫化氫，它們破環(huán)了管壁上的氧化保護(hù)膜，生成了鐵的硫化物進(jìn)一步腐蝕水冷壁管。與此同時(shí)，配煤摻燒發(fā)熱量較高導(dǎo)致水冷壁大量結(jié)焦，在高溫?zé)煔獾淖饔孟?，黏結(jié)在水冷壁管上的灰渣會(huì)與管壁發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，造成水冷壁管的高溫腐蝕，因此水冷壁結(jié)焦也加劇了水冷壁管的高溫腐蝕。

2.2 揮發(fā)分

除發(fā)熱量之外，配煤摻燒同樣影響著煤中揮發(fā)分。煤中揮發(fā)分的多少與煤種有著直接的關(guān)系。一般來說，揮發(fā)分的數(shù)量隨煤的碳化程度的加深而減少，混煤的揮發(fā)分亦可由各組成煤的算術(shù)比測(cè)算確定。煤種揮發(fā)分過高時(shí)，不僅著火距離縮短，對(duì)燃燒器和制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，而且會(huì)因燃燒中心區(qū)域溫度過高而導(dǎo)致該區(qū)域四周水冷壁結(jié)焦、結(jié)渣[2]。

水冷壁管工作在高溫、固體物料沖蝕、煙氣腐蝕的惡劣環(huán)境，加之配煤摻燒對(duì)煤質(zhì)的發(fā)熱量及揮發(fā)分的影響，因此配煤摻燒更加容易使水冷壁結(jié)焦、結(jié)渣，導(dǎo)致水冷壁管更加容易產(chǎn)生沖蝕磨損和高溫腐蝕，使管壁減薄甚至磨穿，給鍋爐的安全運(yùn)行帶來巨大的危險(xiǎn)性。因此，生產(chǎn)過程中確保水冷壁的安全性至關(guān)重要。

3 水冷壁管高溫腐蝕的防治措施

采用表面工程的技術(shù)手段可以在水冷壁表面制備具有耐磨、耐蝕的涂層，能夠有效地增強(qiáng)水冷壁的使用性能，改善配煤摻燒帶來的水冷壁高溫腐蝕嚴(yán)重的問題。目前，水冷壁管表面功能涂層的制備手段主要集中在焊接修復(fù)技術(shù)、噴涂修復(fù)技術(shù)、激光熔覆修復(fù)技術(shù)等。

3.1 焊接修復(fù)技術(shù)

零件的焊接修復(fù)方式可總結(jié)為交直流焊機(jī)修復(fù)和氬弧焊修復(fù)兩種。交流焊機(jī)修復(fù)的方法，因其工藝限制較大，在電力修復(fù)領(lǐng)域中基本不再使用。直流焊機(jī)電弧溫度較高，工藝參數(shù)可精確控制。但是在對(duì)零部件焊接修復(fù)的過程中，熱輸入量較大，因此焊后易變形，并且焊接精度較低[3-4]。氬弧焊修復(fù)的電弧穩(wěn)定，能量密度集中，熱影響區(qū)較窄，產(chǎn)生熱應(yīng)力、變形、裂紋傾向小，但精密零部件修復(fù)易變形的問題仍然不可避免。

3.2 噴涂修復(fù)技術(shù)

噴涂技術(shù)是一種噴槍利用高速氣體使霧化成微細(xì)液滴或高溫顆粒的涂層材料，高速地噴射到基件表面形成涂層的工藝，原理如圖3所示，可分為等離子噴涂、超音速電弧與火焰噴涂、冷噴涂等。涂層有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和隔熱等優(yōu)良性能，但由于其涂層材料與基件呈機(jī)械結(jié)合，因此結(jié)合強(qiáng)度不高，同時(shí)涂層的孔隙率較高，耐腐蝕、絕緣、抗氧化性能不足。

圖3 噴涂原理示意圖

噴涂Ni60涂層較為常見，但由于涂層與基體呈機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較低，熱影響區(qū)較大，在進(jìn)行大面積水冷壁噴涂強(qiáng)化時(shí)會(huì)引起較大變形，造成涂層的脫落，導(dǎo)致涂層的使用性能下降甚至失效，因此結(jié)合力的問題制約著噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

3.3 激光熔覆修復(fù)技術(shù)

激光熔覆技術(shù)可大幅度提高材料表面的抗磨損、耐腐蝕和耐高溫氧化性能。激光熔覆是表面工程技術(shù)領(lǐng)域最具代表性的成形技術(shù)之一，優(yōu)勢(shì)明顯并且已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、石油化工、電力工程修復(fù)領(lǐng)域中金屬材料的表面處理，以提高其耐磨、耐蝕等性能。

激光熔覆修復(fù)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)具體如下。

(1)涂層稀釋率低(<5%)，并且可精確控制。精確控制激光熔覆的熱輸入量可以將基體材料的稀釋程度降到最低，從而在保證熔覆層和基體冶金結(jié)合的同時(shí)保持原有的優(yōu)異性能。

(2)基材熱影響區(qū)及熱變形小。由于激光熔覆的過程近似于絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對(duì)基體的熱影響小，變形小。

(3)試用范圍廣泛。熔覆層的成分與性能主要取決于熔敷材料的成分，理論上幾乎所有的金屬和陶瓷材料均可以用于熔覆。

(4)激光熔覆涂層組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強(qiáng)度高，性能更優(yōu)。

文獻(xiàn)[5]介紹采用激光熔覆技術(shù)在材質(zhì)為20號(hào)鋼的水冷壁管上，制備了NiCr-Cr3C2+Ti復(fù)合材料耐磨涂層，結(jié)果顯示復(fù)合材料對(duì)燃煤電站水冷壁受熱面進(jìn)行耐磨處理后大幅度地提升了管道的耐磨性能，同時(shí)摩擦系數(shù)大幅度降低；文獻(xiàn)[6]介紹了利用半導(dǎo)體激光器制備TiB2-Ni65熔覆層，高溫沖蝕和磨粒磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著TiB2含量的增加，熔覆層的耐磨性能有所提高。熔覆層的耐高溫沖蝕性能相比普通鍋爐管不銹鋼提高了十幾倍，熔覆層的耐磨粒磨損性能是304不銹鋼的3～5倍。

4 結(jié)語

配煤摻燒對(duì)現(xiàn)代火電廠具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和必要性，但配煤摻燒影響著煤的特性，造成水冷壁的大量結(jié)焦、結(jié)渣，嚴(yán)重威脅著水冷壁的安全運(yùn)行。激光熔覆技術(shù)作為新型表面工程技術(shù)中的一種，因其自身工藝特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)手段相比較優(yōu)勢(shì)明顯，在設(shè)備的修復(fù)及再制造領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。

采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)可以有效地改善水冷壁高溫腐蝕問題，同時(shí)激光熔覆技術(shù)可以對(duì)損傷的軸類零件、受熱面管、葉片等部件實(shí)現(xiàn)修復(fù)，極具發(fā)展前景，但仍需高度重視修復(fù)過程中的開裂問題以及熔覆材料設(shè)計(jì)等問題。