循环流化床锅炉微熔电磁辐射技术研究与应用

银 浩，陈志军，马永吉，肖 冰

（通辽盛发热电有限责任公司，内蒙古自治区 通辽 028000）

0 引言

循环流化床锅炉技术是近几年发展起来的一项新的较为成熟的工业技术[1]，具有燃烧效率高、煤种适应性好、燃烧过程污染控制性能优、运行调节简单便利等突出优点[2-4]。循环流化床锅炉节能工程研究是国内长期节能专项规划中极为重要的一项节能工程，对于该工程项目而言，要从治理角度、中国国情以及工业发展实际需要等多方面进行考虑，研究开发出新型节能技术，落实好节能减排政策，进一步提高企业的综合效益。

针对节能这一课题，杨洪良[5]抓住循环流化床锅炉的运行参数控制细节，探索锅炉最佳运行参数；何青云[6]、张华[7]主要针对150MW循环流化床锅炉展开节能分析，提出了回收排烟余热，改进用电装置技术，改善燃料质量以及锅炉送风系统等措施；季海龙[8]专门针对300MW循环流化床锅炉烟气余热回收节能改造技术进行了探究；徐俊红等[9]针对产能下降、效率低问题，对240t/h的循环流化床锅炉进行节能提效和低氮燃烧优化改造；李晓宏[10]通过对循环流化床锅炉启动过程进行详细分析，探索整理了一套节点式节能控制技术和管理模式。

循环流化床锅炉微熔电磁辐射节能技术可行性研究正是针对国家长期节能专项规划，立足科技，结合研究实践，做好优化运行工作，提高锅炉燃烧效率，达到经济节能、稳定可靠运行的目的，为电站循环流化床锅炉节能开辟新的方向。本文对内蒙古盛发热电厂135MW机组480t/h自然循环单汽包循环流化床锅炉实施了微熔电磁辐射节能材料涂层喷涂改造，并从锅炉运行状况以及各项性能方面进行了分析。

1 机组锅炉与运行分析

1.1 机组锅炉概况

内蒙古盛发热电厂有两台自然循环单汽包循环流化床锅炉，单炉膛，一次中间再热，露天布置，固态排渣，受热面采用全悬吊方式。过热蒸汽流量480t/h，过热蒸汽出口压力13.73MPa，过热蒸汽出口温度540℃，再热蒸汽流量360.8t/h，再热蒸汽进口压力3.54MPa，再热蒸汽进口温度358℃，再热蒸汽出口压力3.44MPa（g），再热蒸汽出口温度540℃，给水温度245℃。

1.2 当前存在的问题

目前，机组在运行时，存在锅炉受热面吸热能力下降、床温偏高、磨损严重、排烟温度高于设计值等现象。出现问题的部位主要包括炉膛水冷壁密相区及悬吊屏等受热面，运行过程中周期性床温频繁升高，水冷壁密相区、悬吊屏磨损量增大，造成停炉检修事故。上述现象是该电厂长期以来存在的，之前采取了优化燃料、优化设计、优化运行技术等措施，但未找到切实可靠的方法。

1.3 运行问题分析

1）受热面磨损情况严重，有两种常见情况：①受燃料作用，受热面金属表层被冲刷，有些部位受冲击后被划伤，磨损明显；②受热面金属表层氧化膜脆性强。当受到震动、敲击后，会出现新的氧化膜，导致磨损。反复动作，水冷壁管就会被严重磨损，越来越薄，长时间未发现解决就会出现爆管，从而导致非停事故的发生。

2）结焦情况，一般是水冷壁顶棚、返料器部位结焦严重，有两种常见原因：①煤种变化，导致局部区域温度过高，形成结焦；②输煤量盲目增大，炉床温度超出工艺设定值，灰渣处于熔融态，在水冷壁及顶棚出现结焦情况。

1.4 解决方案

微熔电磁辐射节能涂料在煤粉炉已经有多年的应用。本课题是在循环流化床锅炉炉膛内水冷壁应用微熔电磁辐射节能提效技术，通过提高水冷壁管路辐射系数到0.9以上，达到减少燃料的消耗，增加锅炉的出力，改善锅炉使用效率的目的，帮助运行人员快速有效地优化锅炉运行调整，显著提高锅炉燃烧效率。

由于电磁辐射热系数的改变，导致锅炉水冷壁受热面吸热效率提升，可以通过检修前后锅炉的运行参数，包括床温、火焰平均温度、水冷壁温，物料浓度、受热面布置尺寸、烟气速度，烟气、颗粒对流系数、烟气辐射系数、水冷壁管的辐射率等相关参数计算锅炉的吸热效率。

2 微熔电磁辐射节能涂层技术的基本原理

微熔电磁辐射节能涂料是一套无机、水性、纳米陶瓷高温耐磨涂层材料，技术先进，使用后可使喷涂区域表面形成一层保护膜，可以使喷涂区域受到最大程度的抗磨损、抗腐蚀保护。这种单组分涂层技术涂料不含挥发性有机化合物，不含溶剂，不具可燃性，固体含量为50%。

任何物体都可以不断辐射、吸收和发射电磁波，其能力大小通常取决于其温度和物质本身的性质。一般将物体与绝对黑体（一种理想模型，认为可以完全吸收外界的电磁辐射）相比较来衡量辐射热能的大小，并以“黑度”表示。依据热力学原理和基尔霍夫定律，黑体的吸收和发射本领是一致的，辐射的总能量和它表面绝对温度的四次方成正比，预测辐射的能量，如式（1）所示。

式（1）中：Q为热辐射能量，Ew为涂层的发射率，σ为斯蒂芬-波尔茨曼常数，TC为涂层温度，Tl为负载温度。

微熔电磁辐射节能材料的发射率Ew为0.90，是指辐射热吸收达到可吸收能量的90%。大多锅炉材料的发射率约0.4～0.75。由于ΔT被提高到第四能源级，再辐射能量的量随着涂层和负载之间温度差的增加而成倍增长。如果Tc4-Tl4足够小或为零，那么高电磁辐射发射率塗料的使用将会是一个经济的选择。常温下炉管或者耐火材料的发射率一般为0.6～0.8，随着炉温的升高会大幅度下降，高温下只有0.4～0.75。高温辐射材料的辐射波长大都集中在1μm～5μm范围内，在1000℃和1300℃分别有76%和85%集中在这一波段。

综合以上机理及实验对比数据，使用微熔电磁辐射节能材料系列产品有如下优势：提高辐射效率，减少对炉管的侵蚀和减少积灰，提高了热循环效率，减少热损失，改善表面耐腐蚀，防止炉管表面结焦结渣。

3 微熔电磁辐射节能涂层喷涂应用过程

应用微熔电磁辐射节能涂层对水冷壁管和悬吊扩展屏管进行喷涂作业，先要对作业区域进行去污除垢，消除氧化层和喷砂粗化等相关预处理操作，目的是使节能涂层更好地附着在喷涂表面，提高结合强度。清洁粗化完成后，对其进行微熔电磁辐射节能材料的喷涂，如图1为水冷壁管喷涂前后的效果。

图1 水冷壁管喷涂节能涂层前后效果图Fig.1 Effects before and after spraying energy-saving coating on water wall tube

微熔电磁辐射节能涂层喷涂作业完成后，机组锅炉点火运行，期间对落渣情况进行监控，并记录锅炉耗煤量等相关参数。机组正常运行3个月停炉后，对喷涂区进行检查评判，结果发现水冷壁管路表面无明显磨损，抵近观测水冷壁顶棚及返料器区域没有形成焦渣层，床温明显下降，出口烟温、脱硝入口温度、排烟温度等都有不同程度地下降。

4 微熔电磁辐射节能涂层应用经济和社会效益分析

微熔电磁辐射节能涂层喷涂完成后，电厂联合有资质的电科院多角度、全方位评判了锅炉运行状况，通过喷涂前后各项参数指标的对比，发现应用微熔电磁辐射节能涂层后，安全稳定生产、节能减排及生产能力增加效果显著。涂层应用于锅炉水冷壁及扩展悬吊屏辐射换热面炉管基材的综合效果如下：①提高锅炉单位时间负荷能力；②降低循环流化床的床温；③节约燃料单位时间的消耗；④增加锅炉安全稳定运行连续时间；⑤改善锅炉温度场的均匀梯度分布；⑥延长炉管基材寿命；⑦降低炉膛出口温度；⑧减少运行成本；⑨减少氮氧化物 （NOx）排放。

4.1 保证安全生产收益

微熔电磁辐射节能涂层可轻易地实现在锅炉机组中目测识别磨损图案、相关的侵蚀性区域和结焦区域。为发电厂的工作人员提供了一个可见的磨损指示标志，建立锅炉水冷壁管路减薄量3D立体图如图2（a）。同时提供稳定的黑度辐射系数，减少燃料的消耗，增加锅炉的出力。微熔电磁辐射节能涂层技术是确定高侵蚀磨损区域的有用手段。在随后的检查可重复涂覆涂料，通过喷砂粗糙化所述基底层并重新涂一层涂层厚度即可。

图2 锅炉水冷壁管路减薄量3D立体图Fig.2 3D Perspective view of boiler water wall pipeline thinning

4.2 节能减排，降碳效益

微熔电磁辐射节能涂层喷涂完成后，依据给煤量、蒸发量、平均床温、炉膛出口温度、分离器出口温度、排烟温度、风量、大渣含碳量、飞灰含碳量等检测指标对锅炉进行节能性评估，通过表1所示数据，可知喷涂节能涂层后锅炉能耗降低了1.2%，节能减排降碳效果显著提高。

表1 锅炉节能检测指标监测对比情况Table 1 Monitoring and comparison of boiler energy-saving detection indicators

4.3 大气环境保护收益

大气污染对环境的危害是极为严重的，且污染源众多，氮氧化物（NOx）是其中之一。国内70%的氮氧化物排放来自煤炭的直接燃烧，而燃煤又是火力发电的主要动力，使得火力发电厂成为了主要排放者之一，约占35%[11]。炉温是热力型氮氧化物生成量的一个主要影响因素，且炉温与氮氧化物生成占比呈正相关性。应用微熔电磁辐射节能涂层后，基于涂层特性，使得传热效率提高，炉膛床温、水冷壁管表面温度及炉膛温度显著降低，其中，炉膛床温有20℃～30℃的温降幅度，尾部排烟温度也下降了2℃～3℃，由此可推断出氮氧化物生成量显著减少，具有良好的环保效益。

4.4 锅炉节能的社会经济效益

喷涂微熔电磁辐射节能涂层所产生的社会经济效益主要表现为3方面：

1）节能产生低成本经济效益。在同等条件下，对比分析喷涂前后能耗情况，喷涂节能涂层后，能耗降低了1.2%。按年利用 7000h 计算，一台机组每年可节约标煤1060t，若按1000元的标煤单价，即每年可节约高达百万元的煤炭成本。

2）解决运行相关问题带来连锁经济效益。喷涂节能涂层后，磨损、结渣等状况得到改善，锅炉可靠稳定运行有了进一步保障，停炉频次减少，参数波动情况缓解，可大幅提高煤种的燃烧配比，降低燃烧成本和检修维护费用，带来连锁效益。

3）附加指导性效益。喷涂节能涂层后，能够通过目视判读锅炉的防磨指数，为锅炉炉管检修提供指导建议。

5 结束语

135MW机组循环流化床锅炉采用微熔电磁辐射节能涂层技术改造后，经过3个月的运行及对比观察，锅炉运行安全稳定可靠，各项指标正常且得到优化，锅炉受热面水冷壁及悬吊屏改造区域吸热、抗磨损能力得到了提高，氮氧化物（NOx）排放量减少，经济收益和社会效益明显。在后续运行周期，需要更长时间地监控与分析，对现有能力的持续性以及锅炉能效变化情况进行跟踪，以评判长期运行效果，指导后续工作的展开。