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高祥虎深入炉膛调研。受访者供图

在中国西北的戈壁深处，新疆凭借其得天独厚的资源禀赋，成为煤炭资源接续区和战略性储备区。其中，准东煤田的储量达到3900亿吨，是中国最大的整装煤田。在火力发电领域，燃煤成本占发电总成本的70%~80%。准东煤因价格便宜、储量丰富，在西北地区使用尤为普遍。然而，这种高碱煤容易导致锅炉结焦、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。

近日，澳门赌场兰州化学物理研究所（以下简称兰州化物所）研究员高祥虎团队历时10年针对高碱煤研发的纳米高熵陶瓷涂层技术取得重大突破。他们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，而且带来了显著的经济效益和环境效益。

危机突现，电厂寻求产学研合作

时间回溯到2020年，一直以准东煤田的高碱煤为燃料的西北地区最大调峰电源——甘肃电力投资集团（以下简称甘肃电投）常乐电厂正面临着一场前所未有的危机。

“2020年，我们甘肃电投常乐电厂2号1000兆瓦超超临界机组发生了严重的结焦和高温腐蚀。”甘肃电投常乐电厂相关负责人回忆道，“炉膛结焦非常严重，导致高温腐蚀水冷壁管减薄达1.5毫米，按照这个速度，不出两年，整个炉膛水冷壁系统就得面临更换的命运。”

这场危机不仅让电厂承受巨大的经济损失，更严重影响陇电入湘这一绿色能源输送项目的稳定性。作为连接西北与中南地区的重要能源桥梁，陇电入湘承载着缓解中东部地区电力紧张、促进区域协调发展的重任。一旦调峰电源不能稳定运行，不仅意味着能源供应的短缺，更可能引发连锁反应，影响整个能源网络稳定运行。

面对如此严峻的挑战，甘肃电投常乐电厂的领导层迅速行动起来，积极寻找解决方案。他们深知，要想从根本上解决问题，就必须依靠科技创新，找到一种能够有效抵御高碱煤腐蚀、防止结焦的新材料。最终，他们将目光投向了兰州化物所的研究团队，希望通过产学研合作突破困境。

与时间赛跑，与困难较量

兰州化物所与高碱煤发电难题的“较量”，早在多年前就已悄然拉开序幕。自2015年起，高祥虎所在的科研团队就敏锐捕捉到国家能源需求，开启了攻克高碱煤发电难题的征程。

“那时候，国内对高碱煤的研究很少，我们几乎是从零开始的。”高祥虎回忆，“高含量的碱金属就像煤里的‘定时炸弹’，燃烧时与二氧化硫、氯化物反应，生成低熔点化合物，黏附在水冷壁管表面，逐步腐蚀金属基材。”

在火力发电领域，炉膛结焦堪称行业“顽疾”。某电厂曾发生惨烈事故：高温炉膛内，数十吨焦块突然崩塌，3名工人被瞬间掩埋，酿成不可挽回的悲剧。这也暴露出传统清焦方式的致命缺陷——工人需身着厚重防护服，手持钢钎手工敲击焦块，日均清理面积不足5平方米，效率与安全的天平严重失衡。

“国外厂商对炉膛防护高端涂层材料实施技术垄断，每平方米报价高达8000元，而一台1000兆瓦机组需喷涂4000平方米，仅单次防护费用便突破3200万元。”高祥虎表示，爆管事故产生高额的维护费用，叠加非计划停机造成的发电损失，单次事故综合成本往往达数千万元。这种被动局面，让国内电厂在安全与成本间艰难求生。

“核心技术买不来、等不起！”高祥虎发现，国外涂层价格离谱，且针对国内煤炭，特别是新疆高碱煤适配度不足、防护功能单一，寿命可靠性有待验证，同时也无法满足不同电厂的需求，尤其是深度调峰火电机组。

科研团队当即决定，必须研发出适配中国煤质、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”。

在实验室里，科研团队尝试了数百种配方，进行了上千次性能测试，每一次失败都是对意志和耐心的考验。特别是在新冠疫情期间，实验室进入封闭式管理，但研发进程容不得片刻停歇。团队骨干主动请缨留守，用仅存的原料继续攻坚；在凌晨仅有的数小时停机窗口验证效果，与时间赛跑，与困难较量。

经过无数个日夜的奋斗，科研团队终于从传统陶瓷釉工艺中汲取灵感，创新性研发出纳米高熵防护与节能增效陶瓷涂层材料。该材料由五种以上不同元素（如钛、锆、钽等金属加氧、氮等非金属）以几乎相等的比例混合而成，就像把不同颜色的积木打乱重组，形成一种全新的稳定结构。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的重大突破。它就像是为锅炉量身定制的纳米“高熵铠甲”，既能阻挡高温烟气的冲刷，又能高效传递热量，让锅炉在恶劣环境中依然稳定运行。

节煤1.3万吨，减排3.4万吨

“技术突破的最终目的是服务于生产实践。”高祥虎表示，在甘肃电投常乐电厂的大力支持下，纳米高熵陶瓷涂层技术先后在2台1000兆瓦超超临界调峰机组上应用，结果没有让人失望。

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。经权威机构检测，管壁厚度较喷涂前无明显变化，而未喷涂涂层区域则出现明显的腐蚀凹坑。这一对比结果，让所有人都为之振奋。

随后，团队又在华能兰州西固热电有限公司的大力支持下，开展了165兆瓦机组炉膛的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；涂层的应用显著提高了锅炉的热效率，减少了供电煤耗，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。

对于1台1000兆瓦的煤电机组而言，这意味着每年可节煤1.3万吨，减排二氧化碳3.4万吨。

纳米高熵陶瓷涂层技术的成功应用，不仅为甘肃电投常乐电厂和华能兰州西固热电有限公司带来了显著的经济效益和环境效益，更为整个火力发电行业提供了一种全新的解决方案。

谈及未来，兰州化物所的科研团队表示，他们将持续进行技术的迭代升级，不断优化纳米高熵陶瓷涂层技术，力争实现电厂安全、稳定地100%燃用多种高碱煤的目标。同时，他们将与企业合作，开展技术成果的推广应用，让这项科技成果惠及更多电厂，为我国煤电向基础性、支撑性、调节性电源转型提供强有力的技术支撑。

“目前，我们已经与国内的几大发电集团进行了深入对接，未来合作前景广阔。”高祥虎说，“我们相信，不久的将来，纳米高熵陶瓷涂层技术将成为火力发电领域的标配，为我国能源行业可持续发展贡献更大力量。”

（原载于《中国科学报》?2025-05-14?第3版?领域）