煤粉锅炉受热面用抗沾污涂层的性能指标探讨

董 猛，汪元奎，张宇航，杨淑莉

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)

[收稿日期] 2022-02-11

[通信作者] 董 猛(1984-)，硕士，高级工程师，主要从事锅炉、压力容器和核电用材的腐蚀与防护试验及应用技术研究，电话：0813-4735847，E - mail：1023656792@qq.com

0 前 言

随着能源技术发展和电厂成本压力增加，火力发电企业燃用成本较低的高硫煤或有高沾污结焦特性的高钠煤愈来愈普遍，但煤粉锅炉受热面尤其是水冷壁和高温受热面的结焦和腐蚀问题也愈加突出，寻找一种能够有效降低锅炉受热面结焦或者腐蚀倾向的抗沾污涂层材料极为重要。

目前，市场上关于煤粉锅炉受热面用抗沾污涂层品种繁多，这类涂层主要组成为纳米陶瓷粉末，只是各厂商的配方存在一定差异性。纳米陶瓷涂层具有低表面能特性，可减少锅炉高温烟气中熔融物对锅炉管的黏附，进而降低锅炉管表面沾污结焦和腐蚀，是一类具有良好应用前景的功能材料。

由于燃煤锅炉本身的特殊性，加之各涂料研发单位主要从常规涂料角度进行考虑，并没有与锅炉的运行特点、高温受热面实际防护要求紧密联系，因此各厂商或科研单位给出的涂层性能指标各不相同，导致涂层实际应用效果参差不齐。为了让材料生产厂家或者科研单位进一步有针对性地了解、开发及优化此类抗沾污高温纳米陶瓷涂层，更全面地了解燃煤锅炉受热面所面临的结焦问题，本工作结合煤粉锅炉运行特点和涂层材料特性，针对煤粉锅炉受热面用抗沾污高温纳米陶瓷涂层的性能指标进行了探讨。

1 锅炉结焦的主要影响因素

锅炉结焦的影响因素，主要有以下3个方面[1]：

(1)煤灰成分和组成 煤灰成分和组成是产生结渣的根源。当灰熔点较低时，部分飞灰颗粒到达受热面时仍处于熔融或者半熔融态，其吸附于受热面基材表面。由于该类颗粒一般黏度较低，容易润湿受热面，可以不断捕捉靠近其表面的其他飞灰颗粒，形成结焦层。因此降低灰熔点和减小灰渣黏度的成分将易形成结焦。

(2)炉膛环境温度 炉膛环境温度是影响结渣的首要外部因素。温度变化与结焦量呈指数关系。炉膛温度越高，飞灰颗粒持续的熔融态或者半熔融态的时间越长，吸附于受热面的概率越高。因此，炉膛环境温度的高低与达到受热面颗粒状态的分布密切相关。

(3)炉内空气动力场 燃烧组织的好坏对锅炉结焦具有显著作用。炉内空气动力场不良、火焰偏斜，不仅导致燃烧不完全，而且出现局部还原性气氛、气流刷墙、局部高温等现象，往往会引起受热面的结焦。

在锅炉的实际运行过程中，由于以上种种原因，受热面的结焦和腐蚀问题是不可避免的。而目前为降低NOx排放所采取的低氮燃烧技术更是会加剧此种现象，即使采用贴壁风或者加强吹灰等措施可以起到一定的缓解作用，但是难以起到根本性的杜绝。

2 高温纳米陶瓷涂层

顾名思义，抗沾污涂层具有良好的抗外部介质黏附的能力。锅炉用抗沾污涂层主要是要求其在高温烟气环境，具有良好的抗锅炉飞灰颗粒黏附特性，以降低锅炉飞灰颗粒于受热面的结焦程度，进而降低受热面基材的腐蚀速率，提高部件的使用寿命。

目前，锅炉用抗沾污涂层以高温纳米陶瓷涂层为主。高温纳米陶瓷涂层是将复合稀土纳米陶瓷浆料喷涂于金属或非金属基材表面，经干燥固化升温后形成复合稀土纳米陶瓷薄膜层[2]。此类涂层一般具有以下特点：

(1)致密的涂层表面 高温纳米陶瓷涂层由特殊配方的纳米化工艺加工而成[3]，涂层表面致密，孔隙率较低，可以起到一定的阻隔外部腐蚀介质侵入的作用。

(2)较低的表面能 相对于铁基材料，高温纳米陶瓷涂层的表面能低，其他物质不易与之黏附。即使高温烟气环境，锅炉飞灰颗粒也不易吸附于涂层表面。

(3)与碱金属硫酸盐的化学不亲和性 高温纳米陶瓷涂层主要由氮化硼、碳化硅之类无机成分组成。这些材料具有较高的化学惰性，不易与锅炉高温受热面的主要沾污介质Na2SO4和K2SO4[4,5]发生反应。即使存在少量的碱金属硫酸盐黏附，也会在锅炉吹灰作用下有效消除。

目前市场上煤粉锅炉用抗沾污涂层多用于水冷壁和高温受热面(包括屏式过热器、高温过热器和高温再热器)，其中又以水冷壁居多，且多集中于燃烧器及周围高温区域。但是各电厂使用效果参差不齐，这不但与锅炉本身的运行特点相关，也与涂层材料与具体锅炉的相容性相关。进一步明确抗沾污涂层的性能指标，有利于抗沾污涂层的推广应用和发展。

3 锅炉受热面抗沾污涂层的性能指标探讨

锅炉受热面在结焦情况下的腐蚀速率远高于同等条件下的气氛腐蚀，减少结焦的生成可以有效降低受热面的腐蚀速率，这也是抗沾污涂层的抗腐蚀原理。虽然陶瓷材料普遍具有良好的抗沾污特性，但并非所有陶瓷涂层都能应用于锅炉受热面，而是需要满足一系列性能要求。

3.1 耐热性

涂层覆盖在锅炉受热面基材外表面，涂层的耐热性应不低于受热面基材的外表面温度。锅炉受热面外表面温度主要受内部介质和外部烟气温度的影响，因此受热面涂层的耐热性应结合其外表面的温度进行考虑。

以660 MW超超临界煤粉锅炉为例，水冷壁部件的外表面温度最高可达530 ℃，屏式过热器、高温过热器和高温再热器的最高表面温度可达700 ℃，因此要求应用于水冷壁和高温受热面的涂层的最低耐热性也不一样。如需同时适用于水冷壁和高温受热面，考虑到受热面表面温度的波动性和长周期运行要求，建议抗沾污涂层的耐热温度不低于800 ℃。

考虑到基材对于耐热性的影响，建议以实际应用部件的用材作为试验用材，在额定涂层厚度下进行耐热性评估。具体办法参照GB/T 1735-2009[6]，涂覆有抗沾污涂层的试样(不低于3组)在设计温度下的停留时间建议不少于48 h。待试样冷却后，观察涂层是否出现漆膜变色以及气泡、生锈、开裂、脱落等现象。如出现以上现象，则证明涂层的耐热性能不足。反之，涂层的耐热性满足设计要求。

3.2 结合强度

性能良好的抗沾污涂层，必须与受热面基材结合良好。锅炉受热面用抗沾污涂层的施工方式基本采用冷喷涂，然后在低于工件运行温度下进行固化处理，固化后的涂层与基材的结合方式主要以物理结合为主。建议以采用拉拔法进行结合强度检测，不建议采用划格法和划X法，这主要与涂层的陶瓷特性相关，也更容易量化。

一般情况下，锅炉受热面常用热喷涂NiCr涂层(如45CT)与基材的结合强度约为30 MPa,有机涂层与钢结构基材的强度可达10 MPa以上，所以考虑到锅炉受热面抗沾污涂层的长期耐久性，建议在抗沾污涂层的设计厚度下，涂层与基材的结合强度不低于15 MPa。拉拔法测试标准可参照GB/T 5210[7]或者ASTM D4541-2017[8]方法E执行。

3.3 耐磨性

在锅炉的实际运行过程中，受热面会受到大量的高速煤灰冲刷，而不同燃煤产生的煤灰中硬质颗粒，如Al2O3、SiO2等含量不同，磨损系数也存在差异。抗沾污涂层应具有良好的耐磨性，一方面避免因为飞灰冲刷降低涂层的表面粗糙程度，降低涂层抗沾污特性；另一方面也避免抗沾污涂层因为煤灰冲刷而被快速磨耗。

不建议采用涂层硬度的方法来衡量涂层的耐磨性，因为对于陶瓷涂层而言，其涂层本身是存在孔隙的。测量的过程中，如果硬度计的压头打在涂层的硬质颗粒表面，其硬度值将非常高。但是实际运行过程中，飞灰的冲蚀会因为涂层本身孔隙的原因，导致涂层出现坍塌，进而增加涂层磨耗，所以硬度高并不代表着涂层的耐磨性好。

对于涂层的耐磨性，建议参照GB/T 23988-2009[9]进行测定。同时结合笔者测试经验，建议抗沾污涂层的磨耗值至少不低于10 L/μm，数值越大越好。

3.4 抗热震性

锅炉并不是稳负荷运行，受热面温度存在波动，尤其是锅炉调峰运行时。因此要求抗沾污涂层具有良好的抗热震性能，如此可防止抗沾污涂层不会因为频繁的温度变化出现开裂、剥落等不良现象。

抗热震试样必须与实际应用场景基材一致。在抗热震试样表面完成抗沾污涂层制备后，加热至抗热震试验设计温度，保温15 min后迅速淬入20～25 ℃的水中急冷，观察涂层表面状况。如此循环，记录涂层表面出现裂纹、脱落的次数。

涂层的线膨胀系数与基材越接近，涂层的抗热震性能越优异。建议抗热震试验不低于15次。如抗沾污涂层应用于水冷壁部件，建议抗热震试验温度不低于550 ℃，如果涂层应用于高温受热面，建议热震试验温度不应低于800 ℃。这里热震试验温度的选择也可根据实际应用受热面部件的表面温度进行选择。

针对抗热震试验，需要特别关注试样表面的涂层厚度，涂层厚度应与设计厚度保持一致。涂层过厚会降低涂层的抗热震性能，涂层过薄，则不具有代表性。为提高涂层的抗热震性能，在进行抗沾污涂层体系设计时，也可考虑加入过渡涂层连接基材与抗沾污功能涂层。

3.5 导热系数

通常，锅炉受热面施加涂层主要是为了提高受热面的防护性能，但不能因为施加涂层而明显降低受热面的传热性能。因此抗沾污涂层的导热系数应与受热面基材相近。涂层导热系数测试参照GB/T 22588-2008[10]执行。另外，参照DL/T 1160-2012[11]对于喷涂材料导热系数的建议，抗沾污涂层的导热系数与基体材料的差值应不超过15%。

3.6 抗沾污性

目前，涂层的抗沾污性测试并没有标准试验方法，可引入反射率进行测量。这是因为试样表面附着沾污介质时，会引起表面反射系数的变化，反射系数的变化越大，沾污率越高。通过测定试样沾污前后反射系数的变化来评定涂层的防沾污性能[12]。

新疆准东煤的Na、K含量较高，易引发炉膛严重沾污和结焦[13]，用来测试涂层的抗沾污性较其他煤种更具有代表性，这里选用新疆准东煤作为参考。根据新疆准东煤灰中 Na2O 与 K2O 的质量比，配制出质量比为19∶1 的Na2SO4+K2SO4混合盐作为沾污介质[14]。在试样表面用毛刷涂覆定量的 Na2SO4+K2SO4混合物，将涂覆后的试样在马弗炉中于550 ℃(如应用于高温受热面，建议试验温度为800 ℃)下灼烧24 h后取出，自然冷却后，采用压力为0.4 MPa的压缩空气对试样表面进行吹扫，喷枪孔径为5 mm，喷枪出口与试样距离为20 cm，吹扫时间为1 min。将吹扫后的试样进行反射率测量，随后再涂覆定量的Na2SO4+K2SO4混合物放入马弗炉灼烧，如此循环，试验进行5次后结束[12]。试样的防沾污性能按公式计算：

X=(A0-Ai)/A0× 100%

(1)

式中：X为试样表面反射系数的变化率，即试样表面的沾污率；A0为试样沾污前的反射系数；Ai为试样第i次沾污后的反射系数。

3.7 耐高温腐蚀

锅炉受热面用抗沾污涂层的主要作用是用来降低受热面基材的腐蚀速率。因此除了考虑涂层的抗沾污性能外，还需要考虑涂层的耐高温腐蚀性。和涂层的抗沾污性能测试一样，这里无法给出具体的参考值，只能通过与空白试验对比，判断抗沾污涂层的耐高温腐蚀性能强弱。

涂层的耐高温腐蚀性能可参照以下方案执行：

参照抗沾污性的试验方法，选用新疆准东煤作为参考，根据煤灰中Na2O与K2O的质量比，配制出质量比为19∶1 的Na2SO4+K2SO4饱和溶液。试验开始前，将饱和盐溶液涂刷在试样表面，干燥后称重，使盐膜质量为2～4 mg/cm2，之后将试样放入电阻炉中，加热至550 ℃(如考虑涂层应用于高温受热面，建议试验温度为800 ℃)进行腐蚀试验，每24 h为1个周期。试验后根据增重来评价腐蚀程度，通过计算腐蚀前后试样单位面积的增重，绘制增重 - 时间曲线。计算公式如下:

Δmt=[(mt+2-mt)/S]-[(mt+1-mt)/S]× 0.47

(2)

式中，Δmt为第t次腐蚀单位面积增重，mg；mt为第t次腐蚀前试样质量，mg；mt+1为第t次涂盐后试样质量，mg；mt+2为第t次腐蚀后试样质量，mg；S为试样表面积，cm2；0.47为扣除盐膜结晶水后的系数。

上述腐蚀试验均取喷涂及未喷涂涂层的试样各3个，计算增重的平均值作为试验结果[14]来进行评估。当涉及具体项目时，也可参照以上试验方法，取用相关项目的煤灰进行耐腐蚀性能评估。

4 结 论

随着低氮燃烧技术的不断推广，燃用高硫煤煤粉锅炉受热面的沾污结焦问题会愈加严重和普遍，开发适用于煤粉锅炉受热面的抗沾污、耐高温腐蚀、耐磨损且具有优良导热性、抗热震的抗沾污涂层表面技术十分重要。但涂层的性能指标需要在工程应用前、结合具体锅炉特性开展进一步相容性试验研究并予以明确，进而为后续的煤粉锅炉受热面用表面涂层选材提供有力支撑，也为煤粉锅炉用抗沾污涂层的推广应用和持续发展提供技术标准。