高硬度抗冲击耐磨陶瓷内衬煤粉燃烧器

    煤粉燃烧器是火电厂和水泥厂中消耗速度非常快的零部件之一。事实上，在很多现场的工况中，并非炉膛先出现故障，而是燃烧器率先被磨穿。其原因十分明确，煤粉本身具有一定的磨蚀性，气流则作为它的载体，二者在燃烧器内部处于高速流动的状态，会对金属壁面产生持续不断的刮擦、冲刷与撞击作用。普通的钢管及铸铁件，在这种恶劣的工况环境下，根本无法满足长期运行的需求。

燃烧器磨损严重的核心原因

    要有效解决燃烧器的磨损问题，首先就得明确它磨损严重的根本原因，煤粉中含有一定比例的高硬度矿物杂质，尽管其粒径比较小，但对燃烧器管壁的切削与冲刷能力却十分强劲。这一原理和河床中的细沙能够把坚硬的石头磨光的道理是完全一致的，颗粒本身的体积虽小，但当它具备了较高的流动速度时，所产生的冲击能量就会显著地提升，进而加剧管壁的磨损程度。

    在煤粉燃烧器的内部，气流速度通常维持在20 m/s至30 m/s之间，部分局部区域（如喷口或旋流区）甚至会更高。较高的气流速度，就意味着煤粉颗粒的冲击能量也会随之增大，磨损的速度也会相应地加快。此外，浓相侧的煤粉浓度相对来说更高，颗粒与管壁的撞击频率也更为频繁，所以浓相侧的磨损速度始终要比稀相侧快得多。

    还有一个容易被大家忽视的关键因素，那就是热应力的影响。燃烧器在运行的过程中，既要承受煤粉气流持续的冲刷，还要长期处于高温的环境之中，部分区域在燃烧时还会直接接触到火焰。当温度升高的时候，金属材料的强度与硬度会出现不同程度的下降，从而加速磨损的进程；同时，温度的反复变化，还会导致壁面出现交替的热胀冷缩现象，进而让材料产生疲劳裂纹。这两种因素相互叠加在一起，就使得普通钢件的使用寿命进一步地缩短了。

氧化铝陶瓷的应用现状及存在的问题

    氧化铝陶瓷（Al₂O₃）应用在燃烧器内衬上的历史已经较为悠久了。高纯度氧化铝陶瓷的硬度可以达到HRA85以上，耐磨性相较于普通钢材有显著提升（通常可达数倍以上），而且能够在750℃的环境下长期稳定地运行，在过去的工况条件下，这些性能指标已经能够基本满足实际的使用需求。

    但随着机组容量的不断增大，燃烧器内部的气流速度与煤粉浓度也跟着随之提升，氧化铝陶瓷的性能短板就逐渐地显现出来了。

    它突出的问题就是脆性比较强。氧化铝陶瓷的硬度虽然很高，但它的韧性却相对有限，在燃烧器运行的过程中，当遇到反复出现的热冲击及气流振动时，陶瓷层的边角部位就非常容易出现开裂的现象，一旦开裂，整块的陶瓷层就有可能发生脱落。单一的氧化铝陶瓷，其抗热震性并不理想，尤其是在燃烧的状态下，壁面的温度变化得十分剧烈，陶瓷层会受到反复的“拉扯”作用，它的使用寿命也会因此大幅地下降。

    另一个较为突出的问题就是脱瓷现象。陶瓷与金属基体的热膨胀系数存在着较大的差异，当温度发生变化的时候，二者的伸缩量就会有所不同，这就很容易导致粘结界面出现松动的情况。一旦发生脱瓷，不仅会造成耐磨性能的失效，脱落的陶瓷块还可能会导致管路堵塞，甚至会进入到炉膛内部，引发更为严重的安全隐患与设备故障。

碳化硅陶瓷更适用于煤粉燃烧器的核心原因

    近年来，碳化硅陶瓷（SiC）在煤粉燃烧器内衬中的应用变得日益广泛。根据广东某发电公司的实际应用对比结果显示，碳化硅陶瓷在旋流燃烧器上的应用表现，明显要优于传统的氧化铝陶瓷。碳化硅陶瓷的优势，主要体现在以下的三个方面。

• 其一，硬度更高，耐磨性也更强。碳化硅的莫氏硬度大约为9.5（高于氧化铝约9.0），其抗磨损能力更强，能够更好地适应高浓度、高速度煤粉气流的冲刷与撞击。

• 其二，导热系数高，抗热震性也更好。碳化硅的导热系数在40～60 W/(m·K)之间（典型工程材料范围），高于氧化铝的20～30 W/(m·K)。良好的导热性能，使得燃烧器壁面的热量能够快速地散发出去，温度梯度也会随之减小，热应力也会相应地降低，这对于需要频繁承受冷热交替的燃烧器来说，是一项非常实用的优势。

• 其三，结构设计得更为合理。碳化硅陶瓷弧形衬板可以采用燕尾镶嵌的结构，相邻的弧形板之间采用错口互压的方式进行拼接，可有效避免形成贯通缝隙。这种结构设计，能够有效地避免煤粉沿着缝隙渗入，防止陶瓷与金属工件之间被持续地切割，从而保障燃烧器内衬的使用寿命能够保持稳定。

陶瓷与金属的主要结合方式

    陶瓷内衬的使用效果，不仅取决于陶瓷材料本身的性能，还和陶瓷与金属的结合方式密切相关，这两者是缺一不可的。

    粘贴型方案是目前应用得非常广泛的一种结合方式。该方案选用的是热膨胀系数介于钢铁与陶瓷之间的特种粘胶，能够有效地缓解温度变化时二者的伸缩差异，降低界面的应力，从而减少脱瓷现象的发生。这种方案的工艺成熟且稳定，适用于形状规则的直管段及弧面位置。

    燕尾嵌装型方案，则是通过物理结构来固定陶瓷块的。陶瓷块的背面被设计成燕尾形的凸起，金属基体上则对应开设凹槽，将陶瓷块嵌入凹槽之后，就可以通过机械结构把它锁住。该方案不依赖粘胶进行固定，在高温环境下的稳定性更强，脱瓷的风险也更低，尤其适用于燃烧器头部、浓相侧、旋流叶片附近等温度高、冲击作用剧烈的关键位置。

    复合添加型方案，是在Al₂O₃体系中添加ZrO₂（氧化锆）组元，通过SHS（燃烧合成）工艺来制备复合内衬的。ZrO₂的加入，能够有效地提升陶瓷内衬的韧性与抗热震性，弥补单一氧化铝陶瓷的性能短板。相关的研究表明，采用这种复合内衬的喷枪，它的使用寿命明显要优于纯Al₂O₃内衬方案。

燃烧器需重点防护的关键部位

燃烧器的磨损并不是整体均匀发生的，而是集中在几个关键的部位，这些部位的防护工作必须重点去落实。

• 一是浓相侧管壁。由于煤粉存在着浓淡分布的特点，浓相侧的煤粉浓度比较高，颗粒与管壁的冲击密度也更大，它的磨损速率是稀相侧的数倍之多。因此，该部位的陶瓷内衬，它的厚度与硬度都需要优先得到保障。

• 二是弯头位置。当气流经过弯头发生转向的时候，煤粉颗粒会因为惯性的作用，对弯头外侧产生集中的撞击，这是整个燃烧器管路中磨损速度更快的部位，也是日常更换频率更高的区域。

• 三是旋流叶片周围。旋流叶片的核心作用是改变气流的方向，它周围的湍流强度比较高，煤粉颗粒的撞击方向也较为杂乱，很容易形成不均匀的磨损，进而影响到旋流叶片及周边管壁的使用寿命。

• 四是燃烧器出口段。该部位距离火焰非常近，所处的温度也非常高，同时还要承受热侵蚀与煤粉冲刷的双重作用，因此必须选用同时具备耐高温与高耐磨性能的陶瓷内衬。

陶瓷内衬选型的关键判断要点

在选择燃烧器耐磨内衬的时候，可以按照以下的顺序进行判断，以此来确保选型的合理性与适用性。

• 第一步，一般需明确燃烧器的工作温度。在工程常见情况下，当工作温度在750℃以下时，高铝氧化铝陶瓷通常能够满足使用需求；当工作温度在750℃至1000℃之间时，选用碳化硅陶瓷会更为稳定可靠；若工作温度超过了1000℃，或者燃烧器出口直接接触到火焰，就需要考虑采用高温预制件或特种耐火复合材料了。

• 第二步，结合煤质与煤粉粒径进行判断。若煤粉粒径比较细，燃烧器的磨损就以冲刷型磨损为主，此时就应优先提升内衬表面的硬度；若煤粉粒径偏大，冲击磨损的作用就会更为突出，此时不仅要保证内衬的硬度，还需要兼顾它的韧性，不能单纯地选用脆性材料。

• 第三步，考虑安装空间与检修频率。燃烧器内部的安装空间通常都比较有限，陶瓷块的形状与厚度都会受到一定的限制；若现场的检修窗口比较短，就应优先选用使用寿命稳定的内衬方案，避免因为内衬损坏而在检修窗口期内无法及时完成更换，进而影响到机组的正常运行。

实际应用效果参考

    以某600 MW机组的前后墙对冲燃烧锅炉为例，该机组原本采用的是氧化铝陶瓷内衬，它的旋流燃烧器的更换周期大约在8个月至12个月之间。在更换为碳化硅燕尾嵌装弧形衬板方案之后，燃烧器的连续运行周期得到了明显的延长，而且没有出现明显的掉瓷、脱层等问题。结合结构优化与错口互压的设计，结果把燃烧器的磨损问题控制在了可接受的范围之内。

    这一实际案例充分地说明，燃烧器的耐磨问题，并不是单纯依靠提高材料硬度就能解决的，而是需要把材料选型、结构设计与安装工艺三者有机地结合起来，这样才能从根本上提升燃烧器的使用寿命。

给现场工程师的实用建议

如果现场目前使用的是普通的氧化铝陶瓷内衬，而且已经出现了脱瓷、频繁更换、浓相侧磨损过快等问题，建议重点考虑以下两个改进方向。

• 一是将氧化铝陶瓷升级为碳化硅陶瓷，尤其是在燃烧器头部、浓相侧等磨损严重的关键位置。虽然这一改进方案的初期投入成本不算低，但它能够大幅地延长燃烧器的使用寿命，从长期运行的角度来看，综合性价比会更高。

• 二是改进陶瓷与金属的安装方式，从单纯的粘贴型改为燕尾嵌装或其他的机械固定方式。这一改进措施，往往比单纯更换材料的效果更为立竿见影，只要能够有效地解决脱瓷问题，燃烧器的使用寿命自然就会得到显著的提升。

    只要做好以上两个方面的改进工作，大多数煤粉燃烧器的耐磨问题，都能够得到明显的改善与解决。