納米陶瓷涂層對燃用準東煤鍋爐受熱面 結(jié)焦特性影響研究及工程應(yīng)用

王天龍，賈永會，汪潮洋，李 欣，張勇勝

（1.國網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 石家莊 050000； 2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050000）

新疆準東煤田是我國目前最大的整裝煤田，現(xiàn)已探明煤炭儲量達3900億t[1]。研究表明準東煤具有燃點低、燃盡率高、污染物生成較少等特點[2]，而且準東煤平均含硫量為0.24%，低于全國平均水平，是優(yōu)良的動力用煤[3]。然而實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，準東煤的堿金屬納、鉀含量較一般煤種普遍偏高，這就導(dǎo)致準東煤煤灰的熔融溫度較低[4]，因此在大規(guī)模燃用準東煤機組鍋爐的爐膛受熱面容易發(fā)生沾污、結(jié)焦、腐蝕等現(xiàn)象[5]，這極大制約了準東煤在大規(guī)模燃燒發(fā)電方面的高效利用[6]。

目前，針對燃用準東煤引起的鍋爐受熱面結(jié)焦問題，主要采取以下措施[7-8]：1）燃料預(yù)處理，包括優(yōu)化配煤方案與添加燃料清潔劑等；2）設(shè)計優(yōu)化，包括燃燒器優(yōu)化、爐膛優(yōu)化、結(jié)焦壁面區(qū)域噴空氣等；3）運行優(yōu)化，包括燃燒調(diào)整和智能吹灰等。上述措施均可在一定程度上改善和緩解摻燒準東煤爐膛引起的沾污結(jié)焦問題，但要實現(xiàn)鍋爐大比例摻燒乃至全燒準東煤仍存在一定困難[9-10]。

近年來，隨著國內(nèi)外涂層技術(shù)的發(fā)展，采用高溫納米陶瓷涂料技術(shù)能夠有效減輕爐膛受熱面沾污、結(jié)焦以及高溫腐蝕等現(xiàn)象[11]，對鍋爐爐膛進行噴涂納米陶瓷涂層可以實現(xiàn)用較少資金投入來全面提升鍋爐的性能并減少氮氧化物排放，是一種高性價比的爐體安全節(jié)能環(huán)保技術(shù)[12]。何翔等[9]通過一維沉降爐實驗研究了涂層對燃用準東煤鍋爐受熱面沾污特性的影響，發(fā)現(xiàn)涂層可有效降低準東煤灰在爐膛內(nèi)表面的沾污系數(shù)；王進卿等[13-14]通過試驗研究了爐內(nèi)噴涂高溫納米陶瓷材料涂層對鍋爐性能的影響，結(jié)果均表明涂層能夠有效提高爐膛傳熱性能，并減輕沾污和結(jié)焦。

本文通過煤灰熔滴黏附特性實驗，對噴涂高溫納米陶瓷材料前后煤灰熔滴與試樣鋼片的接觸角與灰渣中各元素成分進行了測定，分析了納米陶瓷涂層對準東煤灰結(jié)焦特性的影響機理，并在某 660 MW燃煤發(fā)電機組3號鍋爐上進行了高溫納米陶瓷噴涂工程應(yīng)用，探究了噴涂前后爐內(nèi)結(jié)焦、鍋爐效率、爐膛溫度、吹灰器投運、NOx排放等機組運行特性的變化規(guī)律，從而為燃用準東煤鍋爐預(yù)防結(jié)焦相關(guān)工程提供依據(jù)。

1 高溫納米陶瓷材料性能

本次噴涂的高溫納米陶瓷材料是物相為氧化鋯和多元稀土物質(zhì)（氧化鈰、氧化鑭等）組成的無機多元固溶液，外觀為黏稠的微納米粒子漿料。噴涂過程中首先將爐膛水冷壁經(jīng)噴砂處理干凈，隨后使用霧化噴槍將涂層材料均勻噴涂到水冷壁表面，自然風(fēng)干1～2天，待涂層表面干燥且無明顯水滴后對爐膛進行升溫，經(jīng)高溫烘烤，將納米陶瓷涂層燒結(jié)成型，從而在爐膛表面形成耐高溫的薄膜層[14]。噴涂后的高溫納米薄膜涂層熱穩(wěn)定性能較好、抗化學(xué)反應(yīng)能力較強且熱輻射吸收率較高，能夠全面提升鍋爐水冷壁的抗腐蝕、抗結(jié)焦性能，從而提升鍋爐機組的傳熱性能和使用壽命[15]。本次噴涂的高溫納米陶瓷材料的性能指標見表1。

表1 高溫納米陶瓷噴涂材料性能指標Tab.1 Performance indexes of the high temperature nano ceramic spraying material

2 鍋爐噴涂受熱面結(jié)焦特性實驗

2.1 實驗系統(tǒng)及方法

實驗系統(tǒng)采用高溫電阻爐與試樣鋼片上下布置的結(jié)構(gòu)，高溫電阻爐豎直放置，底部出口為可移動的剛玉擋板，實驗中高溫熔融的煤灰熔滴從上部滴落，下降到相對低溫的試樣鋼片表面，上述過程可在一定程度上模擬鍋爐機組運行過程中爐內(nèi)高溫煤灰在爐膛水冷壁的結(jié)焦過程。同時，采用高速攝影機采集煤灰熔滴滴落過程中與試驗鋼片的接觸角，依據(jù)接觸角的大小來反映煤灰熔融液滴對試樣鋼片的黏附能力。接觸角測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 接觸角測量系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the contact angle measurement system

本研究中，接觸角測量分析方法采用圖像分析方法[16]。實驗過程中高速攝影機實時記錄高溫煤灰熔滴在試樣鋼片表面的滴落與冷卻過程，經(jīng)圖像分析，從而得到高溫熔滴在試樣鋼片表面的接觸角，當接觸角為銳角時，表示高溫熔滴的黏附特性較強，當接觸角為鈍角時，表示高溫熔滴的黏附特性較弱。2種典型接觸角如圖2所示。

圖2 高溫熔滴在試樣鋼片表面的接觸角Fig.2 The contact angles between the high temperature droplet and the steel sheet surface

2.2 實驗材料

2.2.1 煤質(zhì)特性

本實驗中使用新疆準東煤，煤質(zhì)分析結(jié)果見 表2和表3。由表2和表3可以看到，此煤種具有典型準東煤特征，水分和揮發(fā)分較高，煤灰熔融溫度較低，其中灰中鈣、鈉、鉀等質(zhì)量分數(shù)較高，尤其是Na2O質(zhì)量分數(shù)在7%以上，使用此煤種可以在一定程度上代表鍋爐機組燃用準東煤種時其爐膛受熱面的實際狀況。

表2 煤質(zhì)特性分析Tab.2 The coal quality characteristics analysis

表3 煤灰特性分析 w/%Tab.3 The coal ash characteristics analysis

2.2.2 鋼片特性

實驗中，鋼片均被加工成約20 mm×20 mm× 2 mm的平板方形結(jié)構(gòu)，對鋼片表面做噴涂處理以代表爐膛噴涂后水冷壁，未噴涂鋼片代表原爐膛水冷壁，采用的試樣鋼片元素組成見表4。

表4 實驗鋼片試樣元素組成 w/%Tab.4 Element composition of the experimental steel sheet

2.3 實驗結(jié)果及分析

接觸角測定實驗結(jié)果如圖3所示，其中圖3a)和圖3b)分別為煤灰熔滴在噴涂和未噴涂后鋼片表面接觸角測定圖。經(jīng)過對接觸角的定量測定可知，煤灰熔滴與原鋼片表面的接觸角θ僅為75°，而與噴涂后鋼片表面的θ為122°。

圖3 煤灰熔滴接觸角Fig.3 The contact angle of coal ash droplet

這表明，實驗鋼片表面的高溫納米陶瓷涂層對煤灰高溫熔滴潤濕性較差，說明本研究所選用的陶瓷材料涂層對煤灰熔滴在鋼片表面的黏附能力存在削弱作用。由以上分析可知，本研究所選用的高溫納米陶瓷噴涂材料具備一定的防結(jié)焦性能，這為現(xiàn)場大規(guī)模工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。

為更加深入理解納米陶瓷涂層對鋼片表面結(jié)焦性能的影響機理，對噴涂前后試樣鋼片煤灰熔滴結(jié)焦區(qū)域的表面灰渣的各元素成分進行XRF分析，分析結(jié)果見表5。由表5可見：各元素成分在噴涂前后均發(fā)生了不同程度的變化，這說明噴涂的納米陶瓷涂層通過改變基體表面的化學(xué)性質(zhì)進而影響煤灰在基體表面的結(jié)焦反應(yīng)；噴涂納米陶瓷表面灰渣中的Fe質(zhì)量分數(shù)降低，這說明在煤灰結(jié)焦過程中與剛基體的腐蝕反應(yīng)減弱，噴涂的納米陶瓷涂層作為化學(xué)惰性，對剛基體表面進行了有效保護，屏蔽了高溫腐蝕的發(fā)生；噴涂后灰渣樣品中Cr質(zhì)量分數(shù)大幅降低，作為鋼材中的特有成分，這說明納米陶瓷涂層有效隔絕了煤灰與鋼基體高溫硫化反應(yīng)的發(fā)生；在噴涂后鋼基體表面灰渣中還發(fā)現(xiàn)了較高含量的Na元素，這表明納米陶瓷涂層隔絕了煤中堿金屬對基材表面的侵蝕反應(yīng)，使堿金屬在陶瓷涂層表面富集，從而對結(jié)焦進行抑制。

表5 灰渣XRF主要元素質(zhì)量分數(shù) w/%Tab.5 Mass fractions of main elements in ash slag

3 現(xiàn)場噴涂應(yīng)用效果分析

3.1 鍋爐概況

本次噴涂現(xiàn)場試驗對象為新疆地區(qū)某2×660 MW燃煤汽輪發(fā)電機組3號鍋爐，爐膛主要尺寸見表6，鍋爐BMCR工況及額定工況主要汽水參數(shù)見表7。

表6 爐膛主要尺寸 單位：mmTab.6 Main dimensions of the furnace

表7 鍋爐主要汽水參數(shù)Tab.7 Main steam water parameters of the boiler

該爐設(shè)計煤種屬于準南煤，但由于近年準南煤煤價偏高（與準東煤的差價超過100元/t），而且供不應(yīng)求，只能大量摻燒準東煤，同時該鍋爐為適應(yīng)超低排放的要求，必須實行低氧燃燒，而準東煤屬于高鈉高鈣的堿性煤種，灰熔點偏低，低氧燃燒后，燃燒器區(qū)域還原性氣氛增強，使得灰熔點大幅度下降，因此使鍋爐結(jié)焦加劇。雖然通過燃燒調(diào)整等使鍋爐結(jié)焦的情況有所回轉(zhuǎn)，但由于準東煤摻燒比例的不斷增加，目前仍無法徹底解決鍋爐結(jié)焦的問題。

3.2 噴涂方案

為解決上述問題，經(jīng)過對鍋爐結(jié)焦情況的調(diào)研分析，選擇爐膛中部結(jié)焦和腐蝕情況較為嚴重的區(qū)域作為噴涂部位，具體范圍如下：自水冷壁下部第2層 燃燒器的中心線即27.628 m開始，往上至第6層 燃燒器中心線35.836 m以上1.300 m止，即標高 38.135 m處，以及自最上層吹灰器中心線以上1.200 m （43.511 m+1.200 m=44.711 m）即標高44.711 m處開始，往上噴涂至混合聯(lián)箱以下的剛性梁止即標高51.750 m的區(qū)域進行高溫納米材料噴涂施工，爐管噴涂面積按爐管投影面積的1.35倍計算，實際施工面積約1640 m2。水冷壁管噴涂實施效果如圖4所示。

圖4 水冷壁噴涂實施效果Fig.4 Effect of water wall spraying

3.3 工程應(yīng)用效果

為對比納米陶瓷涂層對燃用準東煤鍋爐受熱面結(jié)焦特性改造效果，對機組5月、6月、7月、 11月（供暖期）等4個月的運行數(shù)據(jù)進行了噴涂前后的對比，具體包括爐內(nèi)結(jié)焦、鍋爐效率、爐膛溫度、吹灰器投運、NOx排放等方面，噴涂前后的煤質(zhì)與灰成分分析見表8。由表8可見，噴涂前后煤質(zhì)情況尤其是煤灰中的堿金屬質(zhì)量分數(shù)變化較小，從而可以排除因煤質(zhì)變化對爐內(nèi)結(jié)焦情況的影響作用，從而更好地對比噴涂前后的爐內(nèi)運行情況。

表8 噴涂前后煤質(zhì)與灰成分分析 w/%Tab.8 The coal quality and ash composition analysis results before and after the spraying

3.3.1 爐內(nèi)結(jié)焦

噴涂前后爐膛水冷壁結(jié)焦情況如圖5所示。

圖5 噴涂前后水冷壁結(jié)焦情況Fig.5 The fouling on water wall before and after the spraying

由圖5可以看到：噴涂前水冷壁結(jié)焦嚴重，且存在流渣；噴涂后，水冷壁表面結(jié)焦現(xiàn)象得到明顯改善，基本未見大塊結(jié)焦，觀火孔四周基本干凈。同時，本試驗還對噴涂前后的水冷壁溫度進行了測量，噴涂前水冷壁表面結(jié)焦嚴重，水冷壁傳熱能力降低，導(dǎo)致水冷壁管外表面溫度最高達到670 ℃；而噴涂后，水冷壁管壁溫度最高降低為526 ℃，這說明由于水冷壁結(jié)焦現(xiàn)象的減輕導(dǎo)致水冷壁傳熱性能進一步提高。

3.3.2 鍋爐效率

按照《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》（GB 10184—1988）進行鍋爐效率試驗。試驗開始前對鍋爐進行吹灰，調(diào)整運行參數(shù)及運行風(fēng)量，工況穩(wěn)定后進行效率試驗，試驗結(jié)果見表9。

表9 噴涂前后鍋爐性能參數(shù)對比Tab.9 The boiler performance parameters before and after the spraying

由表9可見，噴涂后爐膛排煙溫度比噴涂前降低10 ℃左右，排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失等均有不同程度降低。鍋爐排煙熱損失是影響機組效率的最大因素，以上各項熱損失的減少最終使得噴涂后鍋爐效率提升約0.63%。

另外，3號鍋爐噴涂前由于結(jié)焦造成排煙溫度過高，脫硝入口煙溫超限，為防止脫硝催化劑失效，運行人員不得不盡量降低脫硝入口煙溫，從而使機組無法接帶高負荷。噴涂高溫納米陶瓷材料后，排煙溫度降低，機組帶負荷能力提高，運行數(shù)據(jù)表明，該機組歷史最高接帶負荷可達到630 MW。

3.3.3 爐膛溫度

爐膛溫度可反映水冷壁吸熱性能高低，同時降低爐溫可進一步預(yù)防結(jié)焦，因此本試驗中，對噴涂前后爐膛溫度進行了對比分析。爐溫測量過程鍋爐機組均為額定工況，且保持入爐煤質(zhì)、配風(fēng)情況、鍋爐負荷等參數(shù)一致，噴涂前后鍋爐不同標高處的爐膛平均溫度如圖6所示。從圖6可以看出，噴涂高溫納米陶瓷涂層后，爐膛各處溫度均顯著下降，降幅約為30～60 ℃，這表明噴涂后水冷壁的換熱能力增強。這一方面是因為涂層本身加強了水冷壁換熱能力，另一方面是噴涂后水冷壁表面結(jié)焦現(xiàn)象減弱，灰渣對傳熱系數(shù)的影響降低，從而導(dǎo)致爐膛溫度降低。由于噴涂納米陶瓷材料后爐膛水冷壁防結(jié)焦性能提升，爐膛溫度下降，煤灰熔融的概率降低，最終使爐膛結(jié)焦現(xiàn)象得到明顯改善。

圖6 噴涂前后鍋爐各測點爐膛平均溫度Fig.6 The average furnace temperature of the boiler before and after the spraying

3.3.4 吹灰器投運情況

吹灰器投運時長可在一定程度上反應(yīng)水冷壁的沾污和結(jié)焦情況，本研究中爐內(nèi)噴涂前后爐膛吹灰器投運時長見表10。由表10可見，噴涂后吹灰器投運時長較噴涂前下降58.2%，這說明高溫納米陶瓷材料具有一定的防結(jié)焦性，噴涂后爐膛沾污和結(jié)焦情況得到顯著改善，從而使得爐膛吹灰器投運次數(shù)大幅降低。

表10 噴涂前后爐膛吹灰器投運時長對比Tab.10 Comparison of operation time of furnace soot blower before and after the spraying

3.3.5 NOx排放情況

噴涂前后鍋爐運行參數(shù)見表11。

表11 噴涂前后鍋爐運行參數(shù)Tab.11 The boiler operation parameters before and after the spraying

由表11可見：爐內(nèi)噴涂高溫納米陶瓷材料后，在同負荷下爐膛溫度降低，因此導(dǎo)致爐內(nèi)的NOx生成量減少；噴涂前后鍋爐負荷保持不變的情況下，SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度降低了13.7%；隨著NOx生成量的降低，噴氨量平均下降了20.4%。研究表明，降低噴氨量不僅直接節(jié)約了SCR使用成本，還可使SCR系統(tǒng)的氨逃逸量減少，從而避免空氣預(yù)熱器堵灰及催化劑失活的風(fēng)險，提高了機組運行安全水平與使用壽命。

4 結(jié)論

1）準東煤灰熔滴在噴涂后鋼片表面的接觸角為122°，而在原鋼片表面的接觸角僅為75°。這表明高溫納米陶瓷涂層對煤灰熔滴在鋼片表面的黏附能力存在削弱作用。

2）噴涂納米陶瓷表面后灰渣中的Fe、Cr等元素質(zhì)量分數(shù)均降低，說明納米陶瓷涂層作為化學(xué)惰性保護層，對剛基體表面進行了有效隔絕防護，同時隔絕了煤中堿金屬對基材表面的侵蝕反應(yīng)，使堿金屬Na在陶瓷涂層表面富集，抑制結(jié)焦反應(yīng)的進行。

3）噴涂前水冷壁管外表面溫度最高達到670 ℃，而噴涂后，水冷壁管壁溫度最高為526 ℃，這表明噴涂后鍋爐受熱面結(jié)焦情況明顯改善，使水冷壁傳熱性能提高，進而導(dǎo)致水冷壁溫度降低。

4）噴涂高溫納米材料后爐膛溫度降低30～60 ℃，爐膛排煙溫度降低9.5 ℃，吹灰器投運時長下降58.2%，NOx排放量降低13.7%，噴氨量平均下降20.4%，鍋爐效率提升約0.63%。

5）本研究結(jié)果表明納米陶瓷涂層能夠較好地解決爐膛受熱面結(jié)焦問題，可為燃用準東煤鍋爐結(jié)焦防治工程提供一定指導(dǎo)依據(jù)。