配煤掺烧对水冷壁管使用性能的影响及应对措施

孙 越

(大唐东北电力试验研究院有限公司，长春 130012)

1 配煤掺烧目的和意义

由于我国煤炭供应市场局面越来越紧张，电厂釆购的煤种越发多样化，煤种特性偏差较大，锅炉燃煤煤质偏离设计煤种，一些煤种不适应锅炉的类型。因此，配煤掺烧的关键在于发挥各掺配煤种的优点，整合好各种煤在特性上的差异，配掺出综合性能最佳、相对稳定的新“煤种”，以此适应燃烧优化调整。在满足锅炉设计要求的基础上，尽可能提高锅炉效率并降低煤耗，从而达到节能减排的目的。

配煤掺烧的首要原则是保证煤种掺烧过程中的燃烧性能，即保证混煤在锅炉内的燃烧稳定性。煤种的燃烧特性主要是着火性能和燃烬性能，影响燃烧特性的最主要指标为发热量、挥发分等。配煤掺烧的现实意义和必要性对现代火电厂来说是不容置疑的，但由于配煤掺烧所用的各种煤在特性上存在差异，导致配煤掺烧后出现水冷壁结焦、结渣等亟待解决的问题，严重威胁着电厂的安全运行。

2 配煤掺烧对水冷壁管使用性能的影响

配煤掺烧的煤质是决定煤燃烧特性发热量和挥发分两个重要指标的决定性因素，同时发热量及挥发分又对水冷壁的安全运行起着至关重要的作用。

2.1 发热量

发热量表征了煤炭作为燃料使用的价值，是煤炭最重要的性能指标。当机组运行时，配煤掺烧影响着煤炭的发热量，发热量过高会使锅炉燃烧器区域水冷壁结焦趋势增强，对煤粉在炉内的燃烬性不利，并且易引起炉膛内热负荷增加，从而影响到锅炉的安全运行[1]。

某电厂频繁发生水冷壁爆管事故，水冷壁爆口如图1所示。水冷壁的爆口处张口较大，爆口处管壁减薄明显，测厚1.9 mm；爆口处管径未见明显变粗；管内壁无腐蚀坑点，外壁未见裂纹；金相及化学分析，未发现组织异常；经分析确定该水冷壁爆管原因为高温腐蚀减薄。根据腐蚀产物的差别，煤粉锅炉水冷壁高温腐蚀一般有以下几种形式：硫酸盐型高温腐蚀、硫化物型高温腐蚀、氯化物型高温腐蚀，其中硫化物型高温腐蚀是水冷壁高温腐蚀中较为常见的类型。经检查，该电厂爆管水冷壁周围管材上附着具有一定厚度的硫化产物，实际图片如图2所示。该厂配煤掺烧以前水冷壁并未出现大量结焦，配煤掺烧后结焦的程度逐渐加剧。

图1 水冷壁爆口宏观图片

图2 水冷壁硫化物附着图片

综合分析可知，由于配煤掺烧导致煤质变差，燃煤中的硫在燃烧过程中产生游离态的硫和硫化氢，它们破环了管壁上的氧化保护膜，生成了铁的硫化物进一步腐蚀水冷壁管。与此同时，配煤掺烧发热量较高导致水冷壁大量结焦，在高温烟气的作用下，黏结在水冷壁管上的灰渣会与管壁发生复杂的化学反应，造成水冷壁管的高温腐蚀，因此水冷壁结焦也加剧了水冷壁管的高温腐蚀。

2.2 挥发分

除发热量之外，配煤掺烧同样影响着煤中挥发分。煤中挥发分的多少与煤种有着直接的关系。一般来说，挥发分的数量随煤的碳化程度的加深而减少，混煤的挥发分亦可由各组成煤的算术比测算确定。煤种挥发分过高时，不仅着火距离缩短，对燃烧器和制粉系统的安全运行构成威胁，而且会因燃烧中心区域温度过高而导致该区域四周水冷壁结焦、结渣[2]。

水冷壁管工作在高温、固体物料冲蚀、烟气腐蚀的恶劣环境，加之配煤掺烧对煤质的发热量及挥发分的影响，因此配煤掺烧更加容易使水冷壁结焦、结渣，导致水冷壁管更加容易产生冲蚀磨损和高温腐蚀，使管壁减薄甚至磨穿，给锅炉的安全运行带来巨大的危险性。因此，生产过程中确保水冷壁的安全性至关重要。

3 水冷壁管高温腐蚀的防治措施

采用表面工程的技术手段可以在水冷壁表面制备具有耐磨、耐蚀的涂层，能够有效地增强水冷壁的使用性能，改善配煤掺烧带来的水冷壁高温腐蚀严重的问题。目前，水冷壁管表面功能涂层的制备手段主要集中在焊接修复技术、喷涂修复技术、激光熔覆修复技术等。

3.1 焊接修复技术

零件的焊接修复方式可总结为交直流焊机修复和氩弧焊修复两种。交流焊机修复的方法，因其工艺限制较大，在电力修复领域中基本不再使用。直流焊机电弧温度较高，工艺参数可精确控制。但是在对零部件焊接修复的过程中，热输入量较大，因此焊后易变形，并且焊接精度较低[3-4]。氩弧焊修复的电弧稳定，能量密度集中，热影响区较窄，产生热应力、变形、裂纹倾向小，但精密零部件修复易变形的问题仍然不可避免。

3.2 喷涂修复技术

喷涂技术是一种喷枪利用高速气体使雾化成微细液滴或高温颗粒的涂层材料，高速地喷射到基件表面形成涂层的工艺，原理如图3所示，可分为等离子喷涂、超音速电弧与火焰喷涂、冷喷涂等。涂层有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，但由于其涂层材料与基件呈机械结合，因此结合强度不高，同时涂层的孔隙率较高，耐腐蚀、绝缘、抗氧化性能不足。

图3 喷涂原理示意图

喷涂Ni60涂层较为常见，但由于涂层与基体呈机械结合，结合强度较低，热影响区较大，在进行大面积水冷壁喷涂强化时会引起较大变形，造成涂层的脱落，导致涂层的使用性能下降甚至失效，因此结合力的问题制约着喷涂技术的应用和发展。

3.3 激光熔覆修复技术

激光熔覆技术可大幅度提高材料表面的抗磨损、耐腐蚀和耐高温氧化性能。激光熔覆是表面工程技术领域最具代表性的成形技术之一，优势明显并且已广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工、电力工程修复领域中金属材料的表面处理，以提高其耐磨、耐蚀等性能。

激光熔覆修复技术的主要优势具体如下。

(1)涂层稀释率低(<5%)，并且可精确控制。精确控制激光熔覆的热输入量可以将基体材料的稀释程度降到最低，从而在保证熔覆层和基体冶金结合的同时保持原有的优异性能。

(2)基材热影响区及热变形小。由于激光熔覆的过程近似于绝热的快速加热过程，激光熔覆对基体的热影响小，变形小。

(3)试用范围广泛。熔覆层的成分与性能主要取决于熔敷材料的成分，理论上几乎所有的金属和陶瓷材料均可以用于熔覆。

(4)激光熔覆涂层组织致密，微观缺陷少，结合强度高，性能更优。

文献[5]介绍采用激光熔覆技术在材质为20号钢的水冷壁管上，制备了NiCr-Cr3C2+Ti复合材料耐磨涂层，结果显示复合材料对燃煤电站水冷壁受热面进行耐磨处理后大幅度地提升了管道的耐磨性能，同时摩擦系数大幅度降低；文献[6]介绍了利用半导体激光器制备TiB2-Ni65熔覆层，高温冲蚀和磨粒磨损实验结果表明，随着TiB2含量的增加，熔覆层的耐磨性能有所提高。熔覆层的耐高温冲蚀性能相比普通锅炉管不锈钢提高了十几倍，熔覆层的耐磨粒磨损性能是304不锈钢的3～5倍。

4 结语

配煤掺烧对现代火电厂具有重要的现实意义和必要性，但配煤掺烧影响着煤的特性，造成水冷壁的大量结焦、结渣，严重威胁着水冷壁的安全运行。激光熔覆技术作为新型表面工程技术中的一种，因其自身工艺特点，与传统的表面工程技术手段相比较优势明显，在设备的修复及再制造领域应用更为广泛。

采用激光熔覆修复技术可以有效地改善水冷壁高温腐蚀问题，同时激光熔覆技术可以对损伤的轴类零件、受热面管、叶片等部件实现修复，极具发展前景，但仍需高度重视修复过程中的开裂问题以及熔覆材料设计等问题。