準(zhǔn)東煤田是中國(guó)最大的整裝煤田，其煤炭?jī)?chǔ)量高達(dá)3900億噸。然而，準(zhǔn)東高堿煤因易結(jié)焦、易腐蝕特性，長(zhǎng)期困擾著電廠工程師。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所給電廠鍋爐量身定制了納米“高熵鎧甲”，為消除火力發(fā)電行業(yè)“頑疾”提供了全新的解決方案，并且?guī)?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
危機(jī)四伏：安全成本難平衡
準(zhǔn)東煤田高堿煤含有較高成分的堿金屬、氯元素或硫元素，易導(dǎo)致鍋爐輻射受熱面結(jié)焦、高溫腐蝕、爆管、煤耗高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響電站鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外主要采用改變鍋爐結(jié)構(gòu)、摻燒高嶺土、熱噴涂防護(hù)涂層等方式，盡可能減少鍋爐輻射受熱面結(jié)焦和高溫腐蝕爆管問(wèn)題，但不能從根本上解決問(wèn)題。
爆管事故不僅產(chǎn)生高額的維護(hù)費(fèi)用，疊加非停造成的發(fā)電損失，單次事故綜合成本往往逾數(shù)千萬(wàn)元。這種被動(dòng)局面，讓國(guó)內(nèi)電廠在安全與成本間艱難求生。
熵破困局：納米“高熵陶瓷鎧甲”
研究團(tuán)隊(duì)從傳統(tǒng)陶瓷釉工藝中汲取靈感，創(chuàng)新性地研發(fā)出納米高熵防護(hù)與節(jié)能增效陶瓷涂層材料，適配中國(guó)煤質(zhì)、成本可控的抗結(jié)焦、耐高溫腐蝕材料，為能源裝備穿上國(guó)產(chǎn)“鎧甲”。
為鍋爐量身定制的納米“高熵鎧甲”，阻隔了外部腐蝕介質(zhì)的侵入，減少了鍋爐高溫?zé)煔庵腥廴谖飳?duì)管壁的黏附，保護(hù)水冷管壁表面不受結(jié)焦、高溫腐蝕的影響。涂層與基材具有匹配的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)，不影響鍋爐的傳熱效率以及使用壽命。
防護(hù)材料還具有紅外輻射功效，可強(qiáng)化爐膛內(nèi)輻射傳熱，降低爐膛出口煙溫。該材料還能強(qiáng)化燃燒，提高煤粉的燃盡率，降低煤耗、提高煤種的適應(yīng)性，讓鍋爐在惡劣環(huán)境中依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
這項(xiàng)技術(shù)不僅攻克了陶瓷材料防結(jié)焦、耐高溫腐蝕的技術(shù)瓶頸，更實(shí)現(xiàn)了紅外輻射增效、高導(dǎo)熱率及熱膨脹系數(shù)可調(diào)。
實(shí)踐檢驗(yàn)：“節(jié)能增效”超能力
納米高熵陶瓷涂層技術(shù)先后在常樂(lè)電廠2臺(tái)1000MW超超臨界調(diào)峰機(jī)組上應(yīng)用，使用納米高熵陶瓷涂層后的水冷壁管壁表面光滑，無(wú)明顯結(jié)焦現(xiàn)象，且未出現(xiàn)腐蝕情況。經(jīng)過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，管壁厚度較噴涂前無(wú)明顯變化，而未噴涂涂層區(qū)域則出現(xiàn)了明顯的腐蝕凹坑。
隨后，材料在165MW機(jī)組開展鍋爐數(shù)值模擬和能效測(cè)試。結(jié)果顯示，涂層防結(jié)焦、耐高溫腐蝕性能優(yōu)異。
爐內(nèi)有效吸熱量平均提升5.19%，減溫水量整體降低2.6t/h，排煙溫度降低4.5℃，灰渣物理熱損失降低0.21%，鍋爐熱效率提升0.46%，供電煤耗每千瓦時(shí)降低了1.5克。對(duì)于1臺(tái)1000MW的煤電機(jī)組而言，每年可節(jié)煤1.3萬(wàn)噸、減排二氧化碳3.4萬(wàn)噸。
涂層的應(yīng)用顯著提高了鍋爐的熱效率，降低了供電煤耗，并有效緩解了高溫氧化與磨損風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了機(jī)組的煤種適應(yīng)性。
▲材料在165MW機(jī)組全爐膛示范應(yīng)用
研究成果將推廣至新疆、青海、內(nèi)蒙古、貴州等省（區(qū)），為加快煤電轉(zhuǎn)型，推動(dòng)煤電和新能源的優(yōu)化組合，保障煤炭清潔高效利用，為我國(guó)煤電向基礎(chǔ)性、支撐性、調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐。
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