科学者らが中国北西部最大の百万キロワットピークカットユニットを保護するための新しいコーティングを開発

砂漠、ゴビ砂漠、丹霞、雪山…さまざまな極限の景観が融合した景勝地です。洞窟、万里の長城、国境の峠、古代都市…多くの文化遺産が集積する文明回廊です。現在、河西回廊は新エネルギー開発の巨大な車輪に乗り、エネルギー消費とエネルギー生産の総合的な転換を実現する先頭に立ち、中国に強力な「甘粛グリーン電力」を継続的に供給するエネルギー回廊となっている。

近年、甘粛省党委員会と省政府はエネルギー安全保障とエネルギー基地建設を重視し、酒泉に数千万キロワットの風力発電基地、張掖、金昌、武威、酒泉に400万キロワットの太陽光発電基地、通衛に100万キロワットの風力発電基地を建設した。

2023年末までに、甘粛省の新エネルギー発電設備容量は5000万キロワットを超え、省全体の設備容量の約60％を占め、全国で2位となる。 2023年、「甘粛グリーン電力」の仲間の輪は拡大を続け、年間を通じて4億3200万kWhのグリーン電力を販売し、全国25省に供給し、新エネルギー供給規模で全国第2位となった。 「グリーン電力」は甘粛省の輝かしい名刺となった。

風力発電と太陽光発電の放棄率が高く、火力発電が救済に

風と光は、ランダム性と不安定性を特徴とし、グリッド需要に応じて変化しない気候リソースです。甘粛省はクリーンエネルギーを急速に発展させているものの、「吸収の難しさ」、「外部への送電の難しさ」、「ピーク負荷の調整の難しさ」に直面している。その過程で、「放棄」が新エネルギーの「栄光」のすべてをほとんど覆い隠してしまった。 2015年、同省の風力発電放棄率は39％に達し、太陽光発電放棄率は31％に達した。放棄された風力と太陽光発電の量は108億kWhに達し、再生可能エネルギー発電能力の36.97％を占めました。

河西回廊の「風力・太陽光発電の廃れ」問題を解決するため、中国西北地域最大のピークカット火力発電所である甘粛電力投資長楽発電所の6×1000MWユニットの建設が開始された。 2021年、同省の再生可能エネルギー発電量は446億kWhに達し、利用率は96.83%となった。甘粛省の電力輸出量は517億5500万kWhに達し、湖南省など中国中部地域の電力需要を効果的に確保した。長楽発電所は、斉邵DCの唯一のピークカット電源として、新エネルギーの輸出と消費において「主導的」な役割を果たした。

火力発電所はどのようにして「ピークカット」を実現するのでしょうか?通常、電力需要には明らかなピーク期間と谷間期間があります。例えば、甘粛省では昼間の電力負荷が最も低くなります。このとき、風力と太陽光の資源が重なり、火力発電の出力を最低に調整する必要があります。ピークカット能力が不十分な場合、エネルギーの無駄が発生します。夜間のピーク負荷時には新エネルギーの供給が不足し、ピーク時には火力発電をフル活用する必要があります。このとき、「ピークシェービング」が重要な役割を果たします。長楽発電所の1000MW超々臨界ユニットを例にとると、電力消費のピーク時には、火力発電ユニットの出力を1000MWに調整して全負荷運転し、電力供給がピーク需要を満たすことを確保することができます。谷間期間中は、新エネルギーの出力を確保するために、単位負荷を1000MWから約350MWに削減します。

新疆の石炭が「ボトルネック」に直面

ナノコーティングが魔法の力を発揮

近年、わが国の石炭資源採掘が西方へと移行するにつれ、新疆石炭は埋蔵量が豊富で、採掘が容易で、価格が安く、発熱量が高く、輸送距離が短いことから、甘粛省および周辺省の火力発電会社が使用する主な石炭の種類となっている。

しかし、現在採掘されている石炭の種類には、アルカリ金属、塩素、硫黄の含有量が多く、ボイラーの輻射加熱面のコークス化、高温腐食、配管破裂、石炭消費量の増加などの問題を引き起こしやすく、発電所のボイラーの安全性と経済性に深刻な影響を与えています。 「新疆石炭輸出」市場の拡大に伴い、新疆石炭の燃焼によるコークス化と高温腐食は、国家火力発電産業において緊急に解決しなければならない重要な技術問題となっている。

長年にわたり、国内外で主に採用されてきた方法は、ボイラー構造を変更し、カオリンを追加することで、ボイラー輻射加熱面のコーキングや高温腐食、管破裂の問題を可能な限り軽減したり、表面溶接や溶射保護コーティングによって水冷壁の厚さを増やして、ボイラー水冷壁の寿命を延ばしたりすることです。しかし、コストが高く、熱効率が低下するため、この問題を根本的に解決することはできません。

近年、中国科学院蘭州化学物理研究所低炭素エネルギー材料グループの高祥湖氏のチームは、発電所の主要材料に焦点を当て、放射伝熱面の保護や大型発電所ボイラーの省エネ・効率向上のための主要技術の研究に取り組んでいます。チームはセラミック釉薬にヒントを得て、ナノ高エントロピー保護および省エネ効率向上セラミックコーティングを独自に開発し、セラミック材料の耐コーキング性、高温耐腐食性、赤外線効率向上、高熱伝導性、調整可能な熱膨張係数などの主要技術を突破し、保護と省エネ効率向上の両立を実現し、大規模ピークカット発電所やその他の従来型火力発電所の使用ニーズを満たすことができます。

火力発電とは、石炭の燃焼を利用して熱を発生させ、水冷壁管内の水を放射熱交換によって高温高圧の蒸気に加熱し、それによってタービンを回転させ、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することを指します。輻射加熱面（水冷壁、過熱器）にナノ高エントロピー保護・省エネ効率向上セラミックコーティングを吹き付けます。ボイラーの始動時に熱を利用して熱硬化し、緻密なセラミック層を形成します。コーティングと基材の間に強力な化学結合が形成されるため、炉内の過酷な環境でも剥がれにくくなります。

噴霧された保護材の加熱された表面はまるで「鋼鉄の鎧」をまとっているかのようになり、外部の腐食性媒体の侵入をブロックし、ボイラーの高温の排ガス中の溶融物質の管壁への付着を減らし、水冷管壁の表面をコーキングや高温腐食から保護します。コーティングと基材の熱伝導率と熱膨張係数が一致しているため、ボイラーの熱伝達効率や耐用年数に影響を与えません。同時に、保護材には赤外線放射効果もあり、炉内の放射熱伝達を高め、炉出口の煙温度を下げることができます。燃焼を促進し、微粉炭の燃焼率を高め、石炭消費量を削減し、石炭の種類の適応性を向上させます。

「風景」の道、「大きな州」から「強い州」へ

1年以上の稼働を経て、炉内の水冷壁管の表面は滑らかで緻密になり、コークス化がなくなり、付属品は簡単に取り外せるようになりました。ピット、管壁の減肉、その他の腐食現象は見られず、この技術の優れた高温耐腐食性と耐コーキング性能が十分に実証されています。この技術は2025年に甘粛省の超々臨界1000MWピークカットユニットで大規模に実証される予定であると報じられている。

現在、甘粛省では19基の1000MWの超々臨界火力ピークカットユニットが稼働中または建設中である。ナノ高エントロピー保護と省エネ・効率向上セラミックコーティングは、甘粛省で稼働中および建設中の石炭火力ピークカットユニットの安全な運用を確保し、甘粛省党委員会と省政府の「1000億レベルの新エネルギー産業チェーンの構築」と龍店電力の輸出に関する意思決定と展開に技術サポートを提供し、甘粛省が「風力・太陽光発電大省」から「風力・太陽光発電強国省」へとスムーズに移行することを支援する。

研究成果は新疆、青海、内モンゴル、貴州などの省に普及され、石炭火力発電の転換を加速し、石炭火力発電と新エネルギーの最適な組み合わせを推進し、石炭のクリーンかつ効率的な利用を確保し、我が国の石炭火力発電を基礎的、補助的、規制的な電源に転換するための技術支援を提供します。

参考文献

[1] Ma Jun、Zhang Guoshan、Gao Xianghu、他。超々臨界1000MWユニットボイラーの耐コーキング性と耐腐食性におけるナノ高エントロピーセラミックコーティングの応用に関する研究[J/OL]。火力発電：1-10 [2024-05-20]。 https://doi.org/10.19666/j.rlfd.202401003。

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: 高祥湖、劉宝華（中国科学院蘭州化学物理研究所）

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者：イヌオ

校正：Xu Lai、Lin Lin