准东煤田是中国最大的整装煤田，其煤炭储量高达3900亿吨。然而，准东高碱煤因易结焦、易腐蚀特性，长期困扰着电厂工程师。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所给电厂锅炉量身定制了纳米“高熵铠甲”，为消除火力发电行业“顽疾”提供了全新的解决方案，并且带来了显著的经济效益和环境效益。
01
危机四伏：安全成本难平衡
准东煤田高碱煤含有较高成分的碱金属、氯元素或硫元素，易导致锅炉辐射受热面结焦、高温腐蚀、爆管、煤耗高等问题，严重影响电站锅炉的安全性和经济性。
多年来，国内外主要采用改变锅炉结构、掺烧高岭土、热喷涂防护涂层等方式，尽可能减少锅炉辐射受热面结焦和高温腐蚀爆管问题，但不能从根本上解决问题。
爆管事故不仅产生高额的维护费用，叠加非停造成的发电损失，单次事故综合成本往往逾数千万元。这种被动局面，让国内电厂在安全与成本间艰难求生。
02
熵破困局：纳米“高熵陶瓷铠甲”
研究团队从传统陶瓷釉工艺中汲取灵感，创新性地研发出纳米高熵防护与节能增效陶瓷涂层材料，适配中国煤质、成本可控的抗结焦、耐高温腐蚀材料，为能源装备穿上国产“铠甲”。
为锅炉量身定制的纳米“高熵铠甲”，阻隔了外部腐蚀介质的侵入，减少了锅炉高温烟气中熔融物对管壁的黏附，保护水冷管壁表面不受结焦、高温腐蚀的影响。涂层与基材具有匹配的导热率和热膨胀系数，不影响锅炉的传热效率以及使用寿命。
防护材料还具有红外辐射功效，可强化炉膛内辐射传热，降低炉膛出口烟温。该材料还能强化燃烧，提高煤粉的燃尽率，降低煤耗、提高煤种的适应性，让锅炉在恶劣环境中依然能够稳定运行。
这项技术不仅攻克了陶瓷材料防结焦、耐高温腐蚀的技术瓶颈，更实现了红外辐射增效、高导热率及热膨胀系数可调。
03
实践检验：“节能增效”超能力
纳米高熵陶瓷涂层技术先后在常乐电厂2台1000MW超超临界调峰机组上应用，使用纳米高熵陶瓷涂层后的水冷壁管壁表面光滑，无明显结焦现象，且未出现腐蚀情况。经过权威机构的检测，管壁厚度较喷涂前无明显变化，而未喷涂涂层区域则出现了明显的腐蚀凹坑。
随后，材料在165MW机组开展锅炉数值模拟和能效测试。结果显示，涂层防结焦、耐高温腐蚀性能优异。
炉内有效吸热量平均提升5.19%，减温水量整体降低2.6t/h，排烟温度降低4.5℃，灰渣物理热损失降低0.21%，锅炉热效率提升0.46%，供电煤耗每千瓦时降低了1.5克。对于1台1000MW的煤电机组而言，每年可节煤1.3万吨、减排二氧化碳3.4万吨。
涂层的应用显著提高了锅炉的热效率，降低了供电煤耗，并有效缓解了高温氧化与磨损风险，增强了机组的煤种适应性。
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▲材料在165MW机组全炉膛示范应用
研究成果将推广至新疆、青海、内蒙古、贵州等省（区），为加快煤电转型，推动煤电和新能源的优化组合，保障煤炭清洁高效利用，为我国煤电向基础性、支撑性、调节性电源转型提供技术支撑。
来源：中国科学院兰州化学物理研究所
责任编辑：曹旸