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(nèi)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(diào)峰能力的先進煤電機組發(fā)揮著關(guān)鍵的電力支撐和系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。在火力發(fā)電領(lǐng)域，燃煤成本占發(fā)電總成本的70-80%，直接影響電廠經(jīng)濟效益。燃用低價準東高堿煤已成為調(diào)峰火電及常規(guī)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(qū)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(jié)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(jīng)濟性。常規(guī)方法如爐膛結(jié)構(gòu)改造、燃燒參數(shù)調(diào)整、摻燒高嶺土、熱噴涂防護等技術(shù)并未真正解決行業(yè)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(jié)能增效關(guān)鍵技術(shù)研究。團隊研發(fā)的納米高熵防護與節(jié)能增效陶瓷涂層，突破了陶瓷材料防結(jié)焦、耐高溫腐蝕、紅外增效、高導熱率、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，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(diào)峰電站及其他常規(guī)電站的使用需求。2022年，該技術(shù)先后在國內(nèi)2臺1000MW超超臨界調(diào)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(shù)值模擬，結(jié)果表明，四角切圓型鍋爐爐內(nèi)燃燒煙氣溫度分布曲線呈現(xiàn)正態(tài)-拋物線狀態(tài)，中間燃燒區(qū)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(qū)域為主燃燒區(qū)域和 SOFA 區(qū)域。

165MW機組爐膛數(shù)值模擬

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(jié)果表明，材料在爐膛服役5個月后，爐內(nèi)無明顯結(jié)焦和高溫腐蝕現(xiàn)象。通過對比噴涂前、后實測數(shù)據(jù)，在高、中、低負荷下，爐內(nèi)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(jié)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。

材料在165MW機組全爐膛示范應用

上述研究結(jié)果表明，納米高熵陶瓷涂層具有顯著的防結(jié)焦、耐高溫腐蝕及節(jié)能增效特點，為燃用準東高堿煤的調(diào)峰煤電和常規(guī)煤電機組爐膛防護提供了一種有效策略。項目研究成果將輻射推廣至甘肅、新疆、青海、內(nèi)蒙、寧夏等省，為我國煤電向基礎性、支撐性、調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型及新疆高堿煤清潔高效利用提供技術(shù)支撐。

該工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）、華能蘭州西固熱電有限公司、西安熱工研究院有限公司、甘肅電投常樂發(fā)電有限責任公司、東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司、特變電工新疆天池能源有限責任公司的支持。