循環(huán)流化床鍋爐微熔電磁輻射技術研究與應用

銀 浩，陳志軍，馬永吉，肖 冰

（通遼盛發(fā)熱電有限責任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 通遼 028000）

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐技術是近幾年發(fā)展起來的一項新的較為成熟的工業(yè)技術[1]，具有燃燒效率高、煤種適應性好、燃燒過程污染控制性能優(yōu)、運行調節(jié)簡單便利等突出優(yōu)點[2-4]。循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能工程研究是國內(nèi)長期節(jié)能專項規(guī)劃中極為重要的一項節(jié)能工程，對于該工程項目而言，要從治理角度、中國國情以及工業(yè)發(fā)展實際需要等多方面進行考慮，研究開發(fā)出新型節(jié)能技術，落實好節(jié)能減排政策，進一步提高企業(yè)的綜合效益。

針對節(jié)能這一課題，楊洪良[5]抓住循環(huán)流化床鍋爐的運行參數(shù)控制細節(jié)，探索鍋爐最佳運行參數(shù)；何青云[6]、張華[7]主要針對150MW循環(huán)流化床鍋爐展開節(jié)能分析，提出了回收排煙余熱，改進用電裝置技術，改善燃料質量以及鍋爐送風系統(tǒng)等措施；季海龍[8]專門針對300MW循環(huán)流化床鍋爐煙氣余熱回收節(jié)能改造技術進行了探究；徐俊紅等[9]針對產(chǎn)能下降、效率低問題，對240t/h的循環(huán)流化床鍋爐進行節(jié)能提效和低氮燃燒優(yōu)化改造；李曉宏[10]通過對循環(huán)流化床鍋爐啟動過程進行詳細分析，探索整理了一套節(jié)點式節(jié)能控制技術和管理模式。

循環(huán)流化床鍋爐微熔電磁輻射節(jié)能技術可行性研究正是針對國家長期節(jié)能專項規(guī)劃，立足科技，結合研究實踐，做好優(yōu)化運行工作，提高鍋爐燃燒效率，達到經(jīng)濟節(jié)能、穩(wěn)定可靠運行的目的，為電站循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能開辟新的方向。本文對內(nèi)蒙古盛發(fā)熱電廠135MW機組480t/h自然循環(huán)單汽包循環(huán)流化床鍋爐實施了微熔電磁輻射節(jié)能材料涂層噴涂改造，并從鍋爐運行狀況以及各項性能方面進行了分析。

1 機組鍋爐與運行分析

1.1 機組鍋爐概況

內(nèi)蒙古盛發(fā)熱電廠有兩臺自然循環(huán)單汽包循環(huán)流化床鍋爐，單爐膛，一次中間再熱，露天布置，固態(tài)排渣，受熱面采用全懸吊方式。過熱蒸汽流量480t/h，過熱蒸汽出口壓力13.73MPa，過熱蒸汽出口溫度540℃，再熱蒸汽流量360.8t/h，再熱蒸汽進口壓力3.54MPa，再熱蒸汽進口溫度358℃，再熱蒸汽出口壓力3.44MPa（g），再熱蒸汽出口溫度540℃，給水溫度245℃。

1.2 當前存在的問題

目前，機組在運行時，存在鍋爐受熱面吸熱能力下降、床溫偏高、磨損嚴重、排煙溫度高于設計值等現(xiàn)象。出現(xiàn)問題的部位主要包括爐膛水冷壁密相區(qū)及懸吊屏等受熱面，運行過程中周期性床溫頻繁升高，水冷壁密相區(qū)、懸吊屏磨損量增大，造成停爐檢修事故。上述現(xiàn)象是該電廠長期以來存在的，之前采取了優(yōu)化燃料、優(yōu)化設計、優(yōu)化運行技術等措施，但未找到切實可靠的方法。

1.3 運行問題分析

1）受熱面磨損情況嚴重，有兩種常見情況：①受燃料作用，受熱面金屬表層被沖刷，有些部位受沖擊后被劃傷，磨損明顯；②受熱面金屬表層氧化膜脆性強。當受到震動、敲擊后，會出現(xiàn)新的氧化膜，導致磨損。反復動作，水冷壁管就會被嚴重磨損，越來越薄，長時間未發(fā)現(xiàn)解決就會出現(xiàn)爆管，從而導致非停事故的發(fā)生。

2）結焦情況，一般是水冷壁頂棚、返料器部位結焦嚴重，有兩種常見原因：①煤種變化，導致局部區(qū)域溫度過高，形成結焦；②輸煤量盲目增大，爐床溫度超出工藝設定值，灰渣處于熔融態(tài)，在水冷壁及頂棚出現(xiàn)結焦情況。

1.4 解決方案

微熔電磁輻射節(jié)能涂料在煤粉爐已經(jīng)有多年的應用。本課題是在循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)水冷壁應用微熔電磁輻射節(jié)能提效技術，通過提高水冷壁管路輻射系數(shù)到0.9以上，達到減少燃料的消耗，增加鍋爐的出力，改善鍋爐使用效率的目的，幫助運行人員快速有效地優(yōu)化鍋爐運行調整，顯著提高鍋爐燃燒效率。

由于電磁輻射熱系數(shù)的改變，導致鍋爐水冷壁受熱面吸熱效率提升，可以通過檢修前后鍋爐的運行參數(shù)，包括床溫、火焰平均溫度、水冷壁溫，物料濃度、受熱面布置尺寸、煙氣速度，煙氣、顆粒對流系數(shù)、煙氣輻射系數(shù)、水冷壁管的輻射率等相關參數(shù)計算鍋爐的吸熱效率。

2 微熔電磁輻射節(jié)能涂層技術的基本原理

微熔電磁輻射節(jié)能涂料是一套無機、水性、納米陶瓷高溫耐磨涂層材料，技術先進，使用后可使噴涂區(qū)域表面形成一層保護膜，可以使噴涂區(qū)域受到最大程度的抗磨損、抗腐蝕保護。這種單組分涂層技術涂料不含揮發(fā)性有機化合物，不含溶劑，不具可燃性，固體含量為50%。

任何物體都可以不斷輻射、吸收和發(fā)射電磁波，其能力大小通常取決于其溫度和物質本身的性質。一般將物體與絕對黑體（一種理想模型，認為可以完全吸收外界的電磁輻射）相比較來衡量輻射熱能的大小，并以“黑度”表示。依據(jù)熱力學原理和基爾霍夫定律，黑體的吸收和發(fā)射本領是一致的，輻射的總能量和它表面絕對溫度的四次方成正比，預測輻射的能量，如式（1）所示。

式（1）中：Q為熱輻射能量，Ew為涂層的發(fā)射率，σ為斯蒂芬-波爾茨曼常數(shù)，TC為涂層溫度，Tl為負載溫度。

微熔電磁輻射節(jié)能材料的發(fā)射率Ew為0.90，是指輻射熱吸收達到可吸收能量的90%。大多鍋爐材料的發(fā)射率約0.4～0.75。由于ΔT被提高到第四能源級，再輻射能量的量隨著涂層和負載之間溫度差的增加而成倍增長。如果Tc4-Tl4足夠小或為零，那么高電磁輻射發(fā)射率塗料的使用將會是一個經(jīng)濟的選擇。常溫下爐管或者耐火材料的發(fā)射率一般為0.6～0.8，隨著爐溫的升高會大幅度下降，高溫下只有0.4～0.75。高溫輻射材料的輻射波長大都集中在1μm～5μm范圍內(nèi)，在1000℃和1300℃分別有76%和85%集中在這一波段。

綜合以上機理及實驗對比數(shù)據(jù)，使用微熔電磁輻射節(jié)能材料系列產(chǎn)品有如下優(yōu)勢：提高輻射效率，減少對爐管的侵蝕和減少積灰，提高了熱循環(huán)效率，減少熱損失，改善表面耐腐蝕，防止爐管表面結焦結渣。

3 微熔電磁輻射節(jié)能涂層噴涂應用過程

應用微熔電磁輻射節(jié)能涂層對水冷壁管和懸吊擴展屏管進行噴涂作業(yè)，先要對作業(yè)區(qū)域進行去污除垢，消除氧化層和噴砂粗化等相關預處理操作，目的是使節(jié)能涂層更好地附著在噴涂表面，提高結合強度。清潔粗化完成后，對其進行微熔電磁輻射節(jié)能材料的噴涂，如圖1為水冷壁管噴涂前后的效果。

圖1 水冷壁管噴涂節(jié)能涂層前后效果圖Fig.1 Effects before and after spraying energy-saving coating on water wall tube

微熔電磁輻射節(jié)能涂層噴涂作業(yè)完成后，機組鍋爐點火運行，期間對落渣情況進行監(jiān)控，并記錄鍋爐耗煤量等相關參數(shù)。機組正常運行3個月停爐后，對噴涂區(qū)進行檢查評判，結果發(fā)現(xiàn)水冷壁管路表面無明顯磨損，抵近觀測水冷壁頂棚及返料器區(qū)域沒有形成焦渣層，床溫明顯下降，出口煙溫、脫硝入口溫度、排煙溫度等都有不同程度地下降。

4 微熔電磁輻射節(jié)能涂層應用經(jīng)濟和社會效益分析

微熔電磁輻射節(jié)能涂層噴涂完成后，電廠聯(lián)合有資質的電科院多角度、全方位評判了鍋爐運行狀況，通過噴涂前后各項參數(shù)指標的對比，發(fā)現(xiàn)應用微熔電磁輻射節(jié)能涂層后，安全穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能減排及生產(chǎn)能力增加效果顯著。涂層應用于鍋爐水冷壁及擴展懸吊屏輻射換熱面爐管基材的綜合效果如下：①提高鍋爐單位時間負荷能力；②降低循環(huán)流化床的床溫；③節(jié)約燃料單位時間的消耗；④增加鍋爐安全穩(wěn)定運行連續(xù)時間；⑤改善鍋爐溫度場的均勻梯度分布；⑥延長爐管基材壽命；⑦降低爐膛出口溫度；⑧減少運行成本；⑨減少氮氧化物 （NOx）排放。

4.1 保證安全生產(chǎn)收益

微熔電磁輻射節(jié)能涂層可輕易地實現(xiàn)在鍋爐機組中目測識別磨損圖案、相關的侵蝕性區(qū)域和結焦區(qū)域。為發(fā)電廠的工作人員提供了一個可見的磨損指示標志，建立鍋爐水冷壁管路減薄量3D立體圖如圖2（a）。同時提供穩(wěn)定的黑度輻射系數(shù)，減少燃料的消耗，增加鍋爐的出力。微熔電磁輻射節(jié)能涂層技術是確定高侵蝕磨損區(qū)域的有用手段。在隨后的檢查可重復涂覆涂料，通過噴砂粗糙化所述基底層并重新涂一層涂層厚度即可。

圖2 鍋爐水冷壁管路減薄量3D立體圖Fig.2 3D Perspective view of boiler water wall pipeline thinning

4.2 節(jié)能減排，降碳效益

微熔電磁輻射節(jié)能涂層噴涂完成后，依據(jù)給煤量、蒸發(fā)量、平均床溫、爐膛出口溫度、分離器出口溫度、排煙溫度、風量、大渣含碳量、飛灰含碳量等檢測指標對鍋爐進行節(jié)能性評估，通過表1所示數(shù)據(jù)，可知噴涂節(jié)能涂層后鍋爐能耗降低了1.2%，節(jié)能減排降碳效果顯著提高。

表1 鍋爐節(jié)能檢測指標監(jiān)測對比情況Table 1 Monitoring and comparison of boiler energy-saving detection indicators

4.3 大氣環(huán)境保護收益

大氣污染對環(huán)境的危害是極為嚴重的，且污染源眾多，氮氧化物（NOx）是其中之一。國內(nèi)70%的氮氧化物排放來自煤炭的直接燃燒，而燃煤又是火力發(fā)電的主要動力，使得火力發(fā)電廠成為了主要排放者之一，約占35%[11]。爐溫是熱力型氮氧化物生成量的一個主要影響因素，且爐溫與氮氧化物生成占比呈正相關性。應用微熔電磁輻射節(jié)能涂層后，基于涂層特性，使得傳熱效率提高，爐膛床溫、水冷壁管表面溫度及爐膛溫度顯著降低，其中，爐膛床溫有20℃～30℃的溫降幅度，尾部排煙溫度也下降了2℃～3℃，由此可推斷出氮氧化物生成量顯著減少，具有良好的環(huán)保效益。

4.4 鍋爐節(jié)能的社會經(jīng)濟效益

噴涂微熔電磁輻射節(jié)能涂層所產(chǎn)生的社會經(jīng)濟效益主要表現(xiàn)為3方面：

1）節(jié)能產(chǎn)生低成本經(jīng)濟效益。在同等條件下，對比分析噴涂前后能耗情況，噴涂節(jié)能涂層后，能耗降低了1.2%。按年利用 7000h 計算，一臺機組每年可節(jié)約標煤1060t，若按1000元的標煤單價，即每年可節(jié)約高達百萬元的煤炭成本。

2）解決運行相關問題帶來連鎖經(jīng)濟效益。噴涂節(jié)能涂層后，磨損、結渣等狀況得到改善，鍋爐可靠穩(wěn)定運行有了進一步保障，停爐頻次減少，參數(shù)波動情況緩解，可大幅提高煤種的燃燒配比，降低燃燒成本和檢修維護費用，帶來連鎖效益。

3）附加指導性效益。噴涂節(jié)能涂層后，能夠通過目視判讀鍋爐的防磨指數(shù)，為鍋爐爐管檢修提供指導建議。

5 結束語

135MW機組循環(huán)流化床鍋爐采用微熔電磁輻射節(jié)能涂層技術改造后，經(jīng)過3個月的運行及對比觀察，鍋爐運行安全穩(wěn)定可靠，各項指標正常且得到優(yōu)化，鍋爐受熱面水冷壁及懸吊屏改造區(qū)域吸熱、抗磨損能力得到了提高，氮氧化物（NOx）排放量減少，經(jīng)濟收益和社會效益明顯。在后續(xù)運行周期，需要更長時間地監(jiān)控與分析，對現(xiàn)有能力的持續(xù)性以及鍋爐能效變化情況進行跟蹤，以評判長期運行效果，指導后續(xù)工作的展開。