“涂”破困局！新型涂层材料解决高碱煤发电难题

新疆作为中国煤仓，占全国煤炭资源预测储量的40.6%，其中准东高碱煤储量约3900亿吨，是全国能源保供的重要支撑。在甘肃、新疆、青海、内蒙、宁夏等省的沙戈荒新能源基地建设及绿电外送体系中，具备深度调峰能力的先进煤电机组发挥着关键的电力支撑和系统调节作用。在火力发电领域，燃煤成本占发电总成本的70-80%，直接影响电厂经济效益。燃用低价准东高碱煤已成为调峰火电及常规煤电盈利的重要路径。

2024年，疆煤外运量超1.39亿吨，外运范围逐步扩大至华中地区和两湖一江等地，为全国能源保供提供支撑。然而，新疆准东高碱煤易导致锅炉结焦、高温腐蚀、爆管、煤耗高、热效率低等问题，严重影响电站锅炉的安全性和经济性。常规方法如炉膛结构改造、燃烧参数调整、掺烧高岭土、热喷涂防护等技术并未真正解决行业难题。

中国科学院兰州化学物理研究所资源化学与能源材料研究中心低碳能源材料组高祥虎研究员团队近年来围绕新疆高碱煤，专注于大型电站锅炉辐射受热面防护与节能增效关键技术研究。团队研发的纳米高熵防护与节能增效陶瓷涂层，突破了陶瓷材料防结焦、耐高温腐蚀、红外增效、高导热率、热膨胀系数可调等关键技术，同时具有降低煤耗、提高煤种适应性的多功能特点，可满足大型调峰电站及其他常规电站的使用需求。2022年，该技术先后在国内2台1000MW超超临界调峰机组应用并取得良好应用效果。

近期，团队在华能兰州西固热电有限公司和西安热工研究院的大力支持下，首先完成了165MW机组的数值模拟，结果表明，四角切圆型锅炉炉内燃烧烟气温度分布曲线呈现正态-抛物线状态，中间燃烧区域温度高，炉底及炉膛出口温度偏低，最高燃烧温度始终分布在主燃烧与 SOFA之间，因此重点喷涂区域为主燃烧区域和 SOFA 区域。

随后，团队在165MW机组开展了纳米高熵陶瓷涂层的全炉膛辐射受热面应用。西安热工研究院能效测试结果表明，材料在炉膛服役5个月后，炉内无明显结焦和高温腐蚀现象。通过对比喷涂前、后实测数据，在高、中、低负荷下，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%，供电煤耗降低1.5g/kWh。对于1000MW煤电机组每年节煤13140吨。此外，喷涂纳米高熵陶瓷涂层还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。

“研究结果表明，纳米高熵陶瓷涂层具有显著的防结焦、耐高温腐蚀及节能增效特点，为燃用准东高碱煤的调峰煤电和常规煤电机组炉膛防护提供了一种有效策略。”高祥虎表示，项目研究成果将辐射推广至甘肃、新疆、青海、内蒙、宁夏等地区，为我国煤电向基础性、支撑性、调节性电源转型及新疆高碱煤清洁高效利用提供技术支撑。