碳化硅陶瓷在锅炉旋流燃烧器上的应用分析

李志刚，王磊

(朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁 朝阳 122004)

碳化硅陶瓷在锅炉旋流燃烧器上的应用分析

李志刚，王磊

(朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁 朝阳 122004)

大型电站锅炉燃烧器在使用过程中大都存在磨损的问题。燃烧器磨损引起锅炉配风变化，导致燃烧调整困难，造成一次风率升高，使烟气NOx浓度增加。通过分析燃烧器磨损的成因，对比氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷在燃烧器上的使用情况,发现采用碳化硅陶瓷作为防磨材料可解决耐磨衬脱落、燃烧器磨损的问题。

电站；锅炉；燃烧器；磨损；碳化硅陶瓷；旋流燃烧器

0 引言

大型电站锅炉煤粉燃烧器[1]长期运行，煤粉通流部位不可避免地会发生磨损。通常的解决办法是在燃烧器接触煤粉的部位镶嵌耐磨材料。传统的耐磨材料为氧化铝陶瓷，而近年来碳化硅陶瓷以其良好的性能，在电力工程中得到了越来越广泛的应用，可以替代氧化铝陶瓷作为燃烧器的防磨材料。

1 氧化铝陶瓷在锅炉旋流燃烧器上的应用

1.1 氧化铝耐磨陶瓷使用情况

某发电公司2×600 MW机组锅炉[2]采用前后墙对冲燃烧方式，前墙布置4层旋流煤粉燃烧器，后墙3层，每层5台，共计35台燃烧器。燃烧器一次风管及入口弯头内壁、中心风管外壁均采用氧化铝陶瓷作为耐磨材料。

在机组正式投运1年后，对2台锅炉燃烧器进行检查，发现燃烧器普遍存在氧化铝陶瓷片碎裂、脱落的问题，靠近喷口的部位几乎全部脱落。导致燃烧器中心风管及一次风管磨损，中心风管的损坏尤为严重，前部稳燃齿及加强管大部分脱落，管壁磨穿，如图1、图2所示。

图1 中心风管损坏情况

图2 一次风管损坏情况

1.2 氧化铝陶瓷及燃烧器损坏的原因

燃烧器中心风管及一次风管氧化铝陶瓷碎裂、脱落均发生在距喷口1 m左右的区域内，分析其原因主要有2点：一是，因氧化铝陶瓷热振稳定性差，靠近喷口区域的氧化铝陶瓷受高温火焰辐射以及燃烧器投停、机组启停的影响，温度波动频繁，温差变化大，导致氧化铝陶瓷炸裂脱落；二是，燃烧器用氧化铝陶瓷片结构设计不合理，采用自拱陶瓷，粘贴加部分点焊的方式固定在燃烧器上，黏结剂受到高温辐射失效，其中一片陶瓷脱落就会导致与其互相拱压的未点焊的陶瓷片随之脱落。

氧化铝陶瓷脱落后，导致中心风管和一次风管表面不平整，产生涡流磨损，其磨损速度远大于正常磨损，最终造成中心风管和一次风管在较短时间严重损坏。

1.3 燃烧器损坏产生的不良影响

燃烧器中心风管和一次风管损坏，破坏了原燃烧器中心风、一次风和二次风的配比，造成燃烧效率下降、喷口区域局部结焦，为了延缓燃烧器损坏的速度，运行中被迫增大备用层燃烧器的中心风和二次风量加强喷口的冷却，导致了烟气中NOx含量的增加。

2 碳化硅陶瓷[3]在锅炉旋流燃烧器上的应用

2.1 碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷[4-5]与氧化铝陶瓷相比有以下优点：(1)耐高温，热振稳定性好(1 100 ℃水冷大于25次制品不开裂)，耐磨、耐氧化、耐腐蚀，而氧化铝陶瓷热振稳定性差，极易在热应力下碎裂；(2)碳化硅陶瓷可整体烧结成管节，衬套在中心风管上，安装牢固，不会脱落，而氧化铝陶瓷只能做成片状，采用点焊加粘贴的方式固定，容易脱落。

2.2 整体烧结碳化硅陶瓷管/钢复合结构在锅炉旋流燃烧器上的应用

针对燃烧器损坏的问题，2013年10月，在#2机组B修期间对锅炉A，D层燃烧器进行了尝试性的改造：将中心风管全部更换，新中心风管外表面套装碳化硅陶瓷管。

#2机组锅炉燃烧器改造后，至2014年3月机组C修，运行时间约4个月。检查发现，A，D层燃烧器新更换的中心风管最靠近喷口部位的一节碳化硅防磨层不同程度的存在贯穿性裂纹，如图3所示。

图3 碳化硅陶瓷管裂纹

在加工制造中心风管时，碳化硅陶瓷管整体套在金属芯管上，与金属芯管间预留的膨胀间隙过小，锅炉运行时，金属芯管的热膨胀量大于碳化硅陶瓷管预留的膨胀间隙，从而将碳化硅陶瓷管胀裂。

2.3 燕尾镶嵌碳化硅陶瓷弧形衬板/钢复合结构在锅炉旋流燃烧器上的应用

为解决燃烧器中心风管前部碳化硅陶瓷管开裂的问题，再次对中心风管碳化硅陶瓷的安装形式进行优化改进。靠近喷口的碳化硅管改为分体燕尾镶嵌碳化硅陶瓷弧形板，碳化硅陶瓷弧形板内弧预制燕尾槽，装配时在中心风管金属芯管外表面上焊接燕尾型楔铁(燕尾压条)，首先把燕尾型楔铁(燕尾压条)定位并焊接在中心风金属芯管上，涂抹有机胶，把燕尾镶嵌碳化硅陶瓷弧形板镶嵌于燕尾型楔铁(燕尾压条)上。碳化硅陶瓷弧形衬板采用机械固定形式与金属件复合在一起，运行中碳化硅陶瓷弧形板在圆周上为分体结构，可随中心风芯管一起膨胀，解决了整体碳化硅陶瓷管胀裂的问题。碳化硅陶瓷弧形板之间错口互压，错口互压的设计能避免煤粉沿着缝隙对陶瓷及金属工件的磨损。燕尾镶嵌碳化硅陶瓷弧形衬板/钢复合结构，在碳化硅陶瓷弧形板和中心风芯管间涂抹填充有机胶，以保证常温时的装配尺寸，当有机胶泥在高温下使用时会氧化挥发，使碳化硅陶瓷弧形衬板与中心风芯管间保留一定的膨胀间隙。设计过程中，用有限元软件模拟锅炉内温度场变化对工件不同材料胀缩的影响，使结构设计更加趋于合理、安全。燕尾压条、燕尾镶嵌碳化硅陶瓷弧形衬板如图4所示。

图4 燕尾压条及碳化硅陶瓷弧形衬板

2014年6月，对#1锅炉燃烧器的中心风管进行了优化改造。2016年6月检查发现，新的燃烧器中心风管整体情况较好，已使用2年时间的碳化硅陶瓷表面仅稍显粗糙，磨损最严重的部位不超过0.5 mm，展现出了碳化硅陶瓷良好的耐磨性能。靠近喷口部位的中心风管耐磨碳化硅陶瓷弧形板全部完好，没有发现碳化硅陶瓷开裂及脱落的现象。

3 结论

碳化硅陶瓷与氧化铝陶瓷相比存在诸多优点，建议锅炉燃烧器的防磨材料优先选择碳化硅陶瓷。燕尾镶嵌碳化硅陶瓷弧形衬板/钢复合结构设计合理，性能安全、可靠，在锅炉旋流燃烧器上使用，可极大地延长设备使用寿命，保证生产设备安全、可靠，社会效益、经济效益显著，可以推广使用。

[1]李芳芹.旋流式燃烧器对冲布置的锅炉炉内NOx生成机理及控制的研究[D].上海：同济大学，2004.

[2]冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算[M].2版.北京：科学出版社，1992.

[3]吴人法.复合材料[M].天津:天津大学出版社，2000.

[4]陈正钧，杜玲仪.耐蚀非金属材料及应用[M].北京：化学工业出版社，1985.

[5]张光磊,邢朋飞,高辉,等.脆性陶瓷材料的增韧方法及其应用现状[J].材料开发与应用,2008,23(2):77-82.

(本文责编：白银雷)

2016-12-08；

2017-03-20

TK 223.23

B

1674-1951(2017)04-0032-02

李志刚(1980—)，男，辽宁喀左人，工程师，从事火电厂锅炉设备安装、检修、改造等方面的工作(E-mail:zglee1980@126.com)。

王磊(1980—)，男，辽宁喀左人，工程师，从事火电厂锅炉安全管理方面的工作(E-mail:shitou666666@163.com)。