氮化硅結(jié)合碳化硅燃燒器噴口在鍋爐機組的應用初探

程器 陳浩 李雷雷 孫亮

摘要：筆者對國內(nèi)機組旋流燃燒器噴口應用現(xiàn)狀進行了闡述，結(jié)合氮化硅結(jié)合碳化硅新材料特性的分析，闡述了碳化硅結(jié)合氮化硅新材料燃燒器噴口在國內(nèi)燃煤鍋爐機組的應用前景。

關(guān)鍵詞：氮化硅;碳化硅;燃燒器噴口

前言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國能源消費逐步增加，雖然近些年光伏、風電、核電等新能源不斷發(fā)展，但仍然滿足不了社會發(fā)展所需要的能源消費需求，在今后一定時期內(nèi)，火力發(fā)電依舊會是主要的電力供應方式。近些年我國火電技術(shù)發(fā)展迅速，超臨界機組、超超臨界機組不斷投入商業(yè)運行，隨著機組參數(shù)的不斷提高對于鍋爐主要備件材質(zhì)的要求也不斷提升，一些常規(guī)的金屬材質(zhì)已不能滿足目前火電機組的發(fā)展需求，需要我們不斷探索新材料在超臨界高參數(shù)火電機組的應用。

1旋流燃燒器噴口應用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)燃燒器噴口的主流材質(zhì)為Cr25-Ni20系列不銹鋼材質(zhì)，該材質(zhì)在亞臨界機組及部分超臨界機組鍋爐中能滿足1個大修周期的使用，但在國內(nèi)高參數(shù)超超臨界機組中使用情況不佳，尤其在上層磨燃燒器噴口中普遍存在投運使用1-2年時間內(nèi)便燒損變形的情況。再由于國家環(huán)保要求不斷提高，燃煤鍋爐為滿足低NOx排放要求，燃煤機組鍋爐在實際運行中，對于停運的燃燒器盡可能的關(guān)小套筒開度，致使燃燒器冷卻不夠而造成燒損，目前超低排放改造之后，造成燃燒器燒損的情況普遍存在。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有1000MW低氮旋流燃燒器噴口運行情況了解，目前常規(guī)材質(zhì)燃燒器噴口燒損區(qū)域主要集中在燃燒器一次風噴口包括穩(wěn)燃齒、擴錐以及內(nèi)二次風擴錐，均有不同程度變形。部分燒損變形嚴重燃燒器的穩(wěn)燃齒，擴錐還存在脫落現(xiàn)象，脫落的穩(wěn)燃齒、擴錐存在砸傷冷灰斗水冷壁、導致受熱面泄漏的風險、降低機組隱形的可靠性。

2氮化硅結(jié)合碳化硅新材料特性

氮化硅結(jié)合碳化硅制品是近30年發(fā)展起來的一種高科技耐火材料，氮化硅和碳化硅均為共價鍵極強的化合物，有相似的物理和化學性能，在高溫狀態(tài)下仍保持較高的鍵合強度。硅粉均勻包圍碳化硅，經(jīng)過高溫氮化反應，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制品，具有以下特點：

（1）氮化硅結(jié)合碳化硅制品質(zhì)地堅硬，莫氏硬度約為9，在高硬度材料中，其硬度僅次于金剛石。

（2）氮化硅結(jié)合碳化硅制品的常溫強度高，常溫耐壓強度高于150Mpa，高溫抗折強度大于43Mpa，同時在1200～1400℃高溫下幾乎保持于常溫相同的強度和硬度。隨著使用氣氛的不同，最高安全使用溫度可達1650～1750℃?；诩夹g(shù)材料的紅硬特性的存在，高溫下環(huán)境下氮化硅結(jié)合碳化硅制品具有任何金屬材料無可替代的優(yōu)勢。

（3）熱膨脹系數(shù)小，相對于碳化硅等制品熱導率高，不易產(chǎn)生熱應力，具有良好的熱震穩(wěn)定性，使用壽命長，高溫抗蠕變能力強，耐腐蝕，耐極冷極熱，抗氧化，易制尺寸精度高負荷要求高的制品。

3氮化硅結(jié)合碳化硅旋流燃燒器噴口

3.1氮化硅結(jié)合碳化硅旋流燃燒器噴口的優(yōu)越性

目前國內(nèi)常規(guī)合金類旋流燃燒器噴口雖然制作簡單制作成本低，但是在高溫環(huán)境中極易燒損，使用壽命短，使得燃燒噴口更換頻繁，影響燃燒系統(tǒng)的正常運行。

氮化硅結(jié)合碳化硅新型材料是以碳化硅和硅為主要組分，將硅粉和碳化硅顆粒均勻混合，并通過添加部分其它試劑使原材料成型，放置于氮氣氛圍的高溫爐內(nèi)進行高溫氮化燒結(jié)，在一定壓力和溫度下形成的致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制品。因此該材料在一定精度下可以制作成不同尺寸進度的產(chǎn)品。

用該材料制作而成的旋流燃燒器碳化硅噴口性能穩(wěn)定，耐磨性強耐、高溫性能強使用壽命長，相比于常規(guī)合金類旋流燃燒器噴口具有更好的應用優(yōu)勢。有經(jīng)驗表明碳化硅結(jié)合氮化硅新材料燃燒器噴口在火電機組中的使用壽命最高可達6年以上，而合金類燃燒器噴口在超臨界機組上層燃燒器中使用1-2年就會燒損嚴重，需要更換。

3.2氮化硅結(jié)合碳化硅旋流燃燒器噴口的制作

現(xiàn)有國內(nèi)主流的低NOx旋流燃燒器噴口分為一次風噴口及二次風噴口，針對新材料的旋流燃燒器噴口可采用一次風噴口（含穩(wěn)燃齒，擴錐）獨立制作，采用螺栓連接或根據(jù)噴口已自帶通過螺栓連接好的金屬段，與現(xiàn)有燃燒器焊接，具體已各電廠具體使用需求確定。外二次風噴口單獨制作，采用外襯金屬材料方案與現(xiàn)有外二次風管焊接連接。且一次風擴錐，二次風擴錐均需要沿周向方向預設(shè)一定數(shù)量的膨脹收縮縫，以防止在后期高溫使用環(huán)境中脹裂。

氮化硅結(jié)合碳化硅制品制備需要經(jīng)過原料處理、配料、混料、成型、干燥、氮化燒成、產(chǎn)品檢驗七個步驟。在燃燒器噴口上的應用，氮化硅結(jié)合碳化硅相對而言是一種新型的耐磨損，耐高溫材料，只要確定好燃燒器噴口區(qū)域的尺寸、嚴格控制氮化硅結(jié)合碳化硅噴口制作過程的質(zhì)量，嚴格制作工藝流程進行加工，就可以獲得合格的產(chǎn)品

3.3氮化硅結(jié)合碳化硅旋流燃燒器噴口的應用

在國內(nèi)，氮化硅結(jié)合碳化硅新材料在陶瓷行業(yè)、冶金行業(yè)應用較多，廣泛應用于耐磨涂料，襯里等相對低溫耐磨的環(huán)境襯里等相對低溫耐磨的環(huán)境，在電力行業(yè)燃燒器領(lǐng)域內(nèi)，主要用在燃燒器彎頭，一次風管濃縮環(huán)等相對低溫耐磨區(qū)域，在旋流燃燒器噴口上應用還比較少見。筆者所在電廠在2020年通過升級改造將1號機組部分上層常規(guī)合金材質(zhì)燃燒器噴口更換為氮化硅結(jié)合碳化硅新材料燃燒器噴口，通過1年多的運行觀察，目前運行效果良好，未出現(xiàn)燒損、碎裂等問題。再考慮到該材料在高溫環(huán)境下卓越耐磨損和耐高溫特性，預期在旋流燃燒器噴口上應用可以獲得不錯的效果，因此在旋流燃燒器噴口上應用和推廣具有重大意義。

結(jié)語

針對機組存在的燃燒器燒損，磨損的問題，通過更換為氮化硅結(jié)合碳化硅的新型材料，可獲得常規(guī)金屬/包括鑄件3倍以上的使用壽命，大大的提高燃燒器的使用壽命。通過氮化硅結(jié)合碳化硅燃燒器噴口材質(zhì)升級改造技術(shù)的實施不僅減少燃燒更換的成本，而且大大改善鍋爐因燃燒器噴口燒損而帶來燃燒惡化、鍋爐運行經(jīng)濟性下降以及機組非停等一系列風險。

另外，新型材料的更換改造，為燃燒器延長使用壽命，提高鍋爐運行的可靠性提供參考，能推廣應用于同類機組，具有很大的市場應用前景。同時該技術(shù)的推廣應用也推動了電力科學技術(shù)的進步，在企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及應用型人才培養(yǎng)方面起到了積極作用。

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