碳化硅陶瓷在鍋爐旋流燃燒器上的應用分析

李志剛，王磊

(朝陽燕山湖發電有限公司，遼寧 朝陽 122004)

碳化硅陶瓷在鍋爐旋流燃燒器上的應用分析

李志剛，王磊

(朝陽燕山湖發電有限公司，遼寧 朝陽 122004)

大型電站鍋爐燃燒器在使用過程中大都存在磨損的問題。燃燒器磨損引起鍋爐配風變化，導致燃燒調整困難，造成一次風率升高，使煙氣NOx濃度增加。通過分析燃燒器磨損的成因，對比氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷在燃燒器上的使用情況,發現采用碳化硅陶瓷作為防磨材料可解決耐磨襯脫落、燃燒器磨損的問題。

電站；鍋爐；燃燒器；磨損；碳化硅陶瓷；旋流燃燒器

0 引言

大型電站鍋爐煤粉燃燒器[1]長期運行，煤粉通流部位不可避免地會發生磨損。通常的解決辦法是在燃燒器接觸煤粉的部位鑲嵌耐磨材料。傳統的耐磨材料為氧化鋁陶瓷，而近年來碳化硅陶瓷以其良好的性能，在電力工程中得到了越來越廣泛的應用，可以替代氧化鋁陶瓷作為燃燒器的防磨材料。

1 氧化鋁陶瓷在鍋爐旋流燃燒器上的應用

1.1 氧化鋁耐磨陶瓷使用情況

某發電公司2×600 MW機組鍋爐[2]采用前后墻對沖燃燒方式，前墻布置4層旋流煤粉燃燒器，后墻3層，每層5臺，共計35臺燃燒器。燃燒器一次風管及入口彎頭內壁、中心風管外壁均采用氧化鋁陶瓷作為耐磨材料。

在機組正式投運1年后，對2臺鍋爐燃燒器進行檢查，發現燃燒器普遍存在氧化鋁陶瓷片碎裂、脫落的問題，靠近噴口的部位幾乎全部脫落。導致燃燒器中心風管及一次風管磨損，中心風管的損壞尤為嚴重，前部穩燃齒及加強管大部分脫落，管壁磨穿，如圖1、圖2所示。

圖1 中心風管損壞情況

圖2 一次風管損壞情況

1.2 氧化鋁陶瓷及燃燒器損壞的原因

燃燒器中心風管及一次風管氧化鋁陶瓷碎裂、脫落均發生在距噴口1 m左右的區域內，分析其原因主要有2點：一是，因氧化鋁陶瓷熱振穩定性差，靠近噴口區域的氧化鋁陶瓷受高溫火焰輻射以及燃燒器投停、機組啟停的影響，溫度波動頻繁，溫差變化大，導致氧化鋁陶瓷炸裂脫落；二是，燃燒器用氧化鋁陶瓷片結構設計不合理，采用自拱陶瓷，粘貼加部分點焊的方式固定在燃燒器上，黏結劑受到高溫輻射失效，其中一片陶瓷脫落就會導致與其互相拱壓的未點焊的陶瓷片隨之脫落。

氧化鋁陶瓷脫落后，導致中心風管和一次風管表面不平整，產生渦流磨損，其磨損速度遠大于正常磨損，最終造成中心風管和一次風管在較短時間嚴重損壞。

1.3 燃燒器損壞產生的不良影響

燃燒器中心風管和一次風管損壞，破壞了原燃燒器中心風、一次風和二次風的配比，造成燃燒效率下降、噴口區域局部結焦，為了延緩燃燒器損壞的速度，運行中被迫增大備用層燃燒器的中心風和二次風量加強噴口的冷卻，導致了煙氣中NOx含量的增加。

2 碳化硅陶瓷[3]在鍋爐旋流燃燒器上的應用

2.1 碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷[4-5]與氧化鋁陶瓷相比有以下優點：(1)耐高溫，熱振穩定性好(1 100 ℃水冷大于25次制品不開裂)，耐磨、耐氧化、耐腐蝕，而氧化鋁陶瓷熱振穩定性差，極易在熱應力下碎裂；(2)碳化硅陶瓷可整體燒結成管節，襯套在中心風管上，安裝牢固，不會脫落，而氧化鋁陶瓷只能做成片狀，采用點焊加粘貼的方式固定，容易脫落。

2.2 整體燒結碳化硅陶瓷管/鋼復合結構在鍋爐旋流燃燒器上的應用

針對燃燒器損壞的問題，2013年10月，在#2機組B修期間對鍋爐A，D層燃燒器進行了嘗試性的改造：將中心風管全部更換，新中心風管外表面套裝碳化硅陶瓷管。

#2機組鍋爐燃燒器改造后，至2014年3月機組C修，運行時間約4個月。檢查發現，A，D層燃燒器新更換的中心風管最靠近噴口部位的一節碳化硅防磨層不同程度的存在貫穿性裂紋，如圖3所示。

圖3 碳化硅陶瓷管裂紋

在加工制造中心風管時，碳化硅陶瓷管整體套在金屬芯管上，與金屬芯管間預留的膨脹間隙過小，鍋爐運行時，金屬芯管的熱膨脹量大于碳化硅陶瓷管預留的膨脹間隙，從而將碳化硅陶瓷管脹裂。

2.3 燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板/鋼復合結構在鍋爐旋流燃燒器上的應用

為解決燃燒器中心風管前部碳化硅陶瓷管開裂的問題，再次對中心風管碳化硅陶瓷的安裝形式進行優化改進。靠近噴口的碳化硅管改為分體燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形板，碳化硅陶瓷弧形板內弧預制燕尾槽，裝配時在中心風管金屬芯管外表面上焊接燕尾型楔鐵(燕尾壓條)，首先把燕尾型楔鐵(燕尾壓條)定位并焊接在中心風金屬芯管上，涂抹有機膠，把燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形板鑲嵌于燕尾型楔鐵(燕尾壓條)上。碳化硅陶瓷弧形襯板采用機械固定形式與金屬件復合在一起，運行中碳化硅陶瓷弧形板在圓周上為分體結構，可隨中心風芯管一起膨脹，解決了整體碳化硅陶瓷管脹裂的問題。碳化硅陶瓷弧形板之間錯口互壓，錯口互壓的設計能避免煤粉沿著縫隙對陶瓷及金屬工件的磨損。燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板/鋼復合結構，在碳化硅陶瓷弧形板和中心風芯管間涂抹填充有機膠，以保證常溫時的裝配尺寸，當有機膠泥在高溫下使用時會氧化揮發，使碳化硅陶瓷弧形襯板與中心風芯管間保留一定的膨脹間隙。設計過程中，用有限元軟件模擬鍋爐內溫度場變化對工件不同材料脹縮的影響，使結構設計更加趨于合理、安全。燕尾壓條、燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板如圖4所示。

圖4 燕尾壓條及碳化硅陶瓷弧形襯板

2014年6月，對#1鍋爐燃燒器的中心風管進行了優化改造。2016年6月檢查發現，新的燃燒器中心風管整體情況較好，已使用2年時間的碳化硅陶瓷表面僅稍顯粗糙，磨損最嚴重的部位不超過0.5 mm，展現出了碳化硅陶瓷良好的耐磨性能。靠近噴口部位的中心風管耐磨碳化硅陶瓷弧形板全部完好，沒有發現碳化硅陶瓷開裂及脫落的現象。

3 結論

碳化硅陶瓷與氧化鋁陶瓷相比存在諸多優點，建議鍋爐燃燒器的防磨材料優先選擇碳化硅陶瓷。燕尾鑲嵌碳化硅陶瓷弧形襯板/鋼復合結構設計合理，性能安全、可靠，在鍋爐旋流燃燒器上使用，可極大地延長設備使用壽命，保證生產設備安全、可靠，社會效益、經濟效益顯著，可以推廣使用。

[1]李芳芹.旋流式燃燒器對沖布置的鍋爐爐內NOx生成機理及控制的研究[D].上海：同濟大學，2004.

[2]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算[M].2版.北京：科學出版社，1992.

[3]吳人法.復合材料[M].天津:天津大學出版社，2000.

[4]陳正鈞，杜玲儀.耐蝕非金屬材料及應用[M].北京：化學工業出版社，1985.

[5]張光磊,邢朋飛,高輝,等.脆性陶瓷材料的增韌方法及其應用現狀[J].材料開發與應用,2008,23(2):77-82.

(本文責編：白銀雷)

2016-12-08；

2017-03-20

TK 223.23

B

1674-1951(2017)04-0032-02

李志剛(1980—)，男，遼寧喀左人，工程師，從事火電廠鍋爐設備安裝、檢修、改造等方面的工作(E-mail:zglee1980@126.com)。

王磊(1980—)，男，遼寧喀左人，工程師，從事火電廠鍋爐安全管理方面的工作(E-mail:shitou666666@163.com)。