“涂”破困局！新型涂層材料解決高堿煤發電難題

新疆作為中國煤倉，占全國煤炭資源預測儲量的40.6%，其中準東高堿煤儲量約3900億噸，是全國能源保供的重要支撐。在甘肅、新疆、青海、內蒙、寧夏等省的沙戈荒新能源基地建設及綠電外送體系中，具備深度調峰能力的先進煤電機組發揮著關鍵的電力支撐和系統調節作用。在火力發電領域，燃煤成本占發電總成本的70-80%，直接影響電廠經濟效益。燃用低價準東高堿煤已成為調峰火電及常規煤電盈利的重要路徑。

2024年，疆煤外運量超1.39億噸，外運范圍逐步擴大至華中地區和兩湖一江等地，為全國能源保供提供支撐。然而，新疆準東高堿煤易導致鍋爐結焦、高溫腐蝕、爆管、煤耗高、熱效率低等問題，嚴重影響電站鍋爐的安全性和經濟性。常規方法如爐膛結構改造、燃燒參數調整、摻燒高嶺土、熱噴涂防護等技術并未真正解決行業難題。

中國科學院蘭州化學物理研究所資源化學與能源材料研究中心低碳能源材料組高祥虎研究員團隊近年來圍繞新疆高堿煤，專注于大型電站鍋爐輻射受熱面防護與節能增效關鍵技術研究。團隊研發的納米高熵防護與節能增效陶瓷涂層，突破了陶瓷材料防結焦、耐高溫腐蝕、紅外增效、高導熱率、熱膨脹系數可調等關鍵技術，同時具有降低煤耗、提高煤種適應性的多功能特點，可滿足大型調峰電站及其他常規電站的使用需求。2022年，該技術先后在國內2臺1000MW超超臨界調峰機組應用并取得良好應用效果。

近期，團隊在華能蘭州西固熱電有限公司和西安熱工研究院的大力支持下，首先完成了165MW機組的數值模擬，結果表明，四角切圓型鍋爐爐內燃燒煙氣溫度分布曲線呈現正態-拋物線狀態，中間燃燒區域溫度高，爐底及爐膛出口溫度偏低，最高燃燒溫度始終分布在主燃燒與 SOFA之間，因此重點噴涂區域為主燃燒區域和 SOFA 區域。

隨后，團隊在165MW機組開展了納米高熵陶瓷涂層的全爐膛輻射受熱面應用。西安熱工研究院能效測試結果表明，材料在爐膛服役5個月后，爐內無明顯結焦和高溫腐蝕現象。通過對比噴涂前、后實測數據，在高、中、低負荷下，爐內有效吸熱量平均提升5.19%，減溫水量整體降低2.6t/h，排煙溫度降低4.5℃，灰渣物理熱損失降低0.21%，鍋爐熱效率提升0.46%，供電煤耗降低1.5g/kWh。對于1000MW煤電機組每年節煤13140噸。此外，噴涂納米高熵陶瓷涂層還有效緩解了高溫氧化與磨損風險，增強了機組的煤種適應性。

“研究結果表明，納米高熵陶瓷涂層具有顯著的防結焦、耐高溫腐蝕及節能增效特點，為燃用準東高堿煤的調峰煤電和常規煤電機組爐膛防護提供了一種有效策略。”高祥虎表示，項目研究成果將輻射推廣至甘肅、新疆、青海、內蒙、寧夏等地區，為我國煤電向基礎性、支撐性、調節性電源轉型及新疆高堿煤清潔高效利用提供技術支撐。