城市生活垃圾焚燒發(fā)電目前已被公認(rèn)為是城市生活垃圾資源化、減量化和無(wú)害化處理的的最有效方式。國(guó)內(nèi)外大中城市都通過(guò)建設(shè)垃圾高效無(wú)害處理的焚燒發(fā)電廠來(lái)處理日益增長(zhǎng)的城市垃圾。目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電鍋爐主要是中溫中壓參數(shù)，少數(shù)中溫次高壓。我國(guó)城市入爐生活垃圾成分十分復(fù)雜，而且季節(jié)性波動(dòng)很大。垃圾成分中腐蝕性物質(zhì)，在鍋爐內(nèi)部高溫和壓力下發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致焚燒鍋爐主要受熱面煙氣側(cè)腐蝕十分嚴(yán)重，腐蝕程度和因腐蝕引發(fā)的爆管事故遠(yuǎn)高于同級(jí)別的燃煤鍋爐。受熱面腐蝕問(wèn)題是嚴(yán)重影響垃圾焚燒鍋爐系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與壽命的主要問(wèn)題。
本文主要對(duì)目前城市生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐受熱面管煙氣側(cè)腐蝕狀況研究進(jìn)行系統(tǒng)分析，并提出具體的受熱面腐蝕預(yù)防措施。
1 鍋爐受熱面腐蝕研究現(xiàn)狀
1.1 受熱面腐蝕基本情況
垃圾焚燒鍋爐垃圾焚燒過(guò)程產(chǎn)生具有強(qiáng)烈腐蝕性的復(fù)雜氣體、氯化物與硫酸鹽等。它們?cè)跔t膛高溫下對(duì)受熱面管產(chǎn)生腐蝕作用是受熱面煙氣側(cè)腐蝕的主要原因。垃圾焚燒發(fā)電鍋爐的受熱面腐蝕現(xiàn)象主要集中在水冷壁、過(guò)熱器、省煤器以及預(yù)熱器上。垃圾焚燒鍋爐受熱面煙氣側(cè)常見(jiàn)的腐蝕包括高溫腐蝕、氯腐蝕、SNCR系統(tǒng)造成腐蝕、積灰造成腐蝕以及低溫腐蝕等。此外，垃圾組分的不定性，會(huì)導(dǎo)致垃圾焚燒鍋爐燃燒溫度和工質(zhì)參數(shù)在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，加速了受熱面金屬的疲勞，產(chǎn)生疲勞裂紋，外部腐蝕性氣體侵蝕裂紋間隙，加速管壁腐蝕。煙氣中攜帶的固態(tài)顆粒和頻繁吹灰也會(huì)引起受熱面金屬管壁沖刷磨損和腐蝕磨損。這些腐蝕形式不是孤立的，而是相互影響，相互交叉的。
影響垃圾焚燒鍋爐受熱面腐蝕的因素包括受熱面金屬材料的成分、鍋爐煙氣溫度、爐膛中腐蝕介質(zhì)成分與含量、管壁附著飛灰的組成、管壁溫度和局部應(yīng)力等。國(guó)內(nèi)外對(duì)垃圾焚燒鍋爐不同受熱面區(qū)域的腐蝕情況進(jìn)行了研究與模擬分析，研究區(qū)域包括水冷壁、過(guò)熱器、省煤器、尾部煙道等。垃圾焚燒鍋爐受熱面上的腐蝕涉及氣、液、固多相耦合過(guò)程，并且與煙氣中的氯化物、硫化物及堿金屬化合物有極其密切的因果關(guān)系。同時(shí)，爐內(nèi)氣氛、重金屬含量等也與腐蝕發(fā)生有關(guān)。爐內(nèi)過(guò)高的煙氣溫度及受熱面積灰、結(jié)焦都會(huì)造成受熱面的管壁超溫，進(jìn)而加劇腐蝕。目前的受熱面腐蝕研究多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，爐膛內(nèi)發(fā)生的實(shí)際腐蝕狀況是多種腐蝕誘因協(xié)同作用的結(jié)果，比實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果更嚴(yán)重、更復(fù)雜。
1.2 高溫腐蝕
高溫腐蝕既發(fā)生在水冷壁，也發(fā)生在過(guò)熱器。過(guò)熱器高溫腐蝕主要是氯化物氣體（HCl）和SO3、Cl2氣體對(duì)管壁間接和直接腐蝕。爐膛水冷壁高溫腐蝕的條件是水冷壁附近出現(xiàn)局部或間斷性的還原性氣氛；煙氣成份中存在硫化物和氯化物；水冷壁壁溫滿(mǎn)足腐蝕反應(yīng)條件。水冷壁的高溫腐蝕通常發(fā)生在與焚燒爐燃燒室交界的地方。高溫腐蝕過(guò)程十分復(fù)雜，氣、液、固多項(xiàng)反應(yīng)混合發(fā)展、多孔介質(zhì)中的傳遞、同項(xiàng)和異項(xiàng)傳遞交互發(fā)生，并且受晶界過(guò)程、電化學(xué)過(guò)程和應(yīng)力演變過(guò)程等多重因素的影響。
目前，隨著居民生活水平的提高，城市生活垃圾的實(shí)際熱值已經(jīng)遠(yuǎn)超垃圾焚燒鍋爐的設(shè)計(jì)熱值。此外，為了保證垃圾處理量，一些焚燒鍋爐時(shí)常處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，這導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)熱負(fù)荷過(guò)高，煙氣溫度過(guò)高，受熱面上結(jié)焦嚴(yán)重，高溫腐蝕傾向加大。當(dāng)管壁溫度高于300℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫腐蝕。在高溫腐蝕區(qū)段又可以根據(jù)溫度的高低分為弱腐蝕區(qū)與強(qiáng)腐蝕區(qū)，在300～480℃時(shí)為弱腐蝕區(qū)，在550～700℃為強(qiáng)腐蝕區(qū)。垃圾焚燒鍋爐一通道內(nèi)水冷壁受熱面，當(dāng)管子溫度在300oC以下時(shí)，腐蝕速度很低，而當(dāng)溫度在350℃以上時(shí)，受熱面管鐵基體的氧化反應(yīng)會(huì)加劇，溫度越高，這種反應(yīng)進(jìn)行的越快，受熱面管的腐蝕也越嚴(yán)重。
隨著壁面溫度的升高，管壁外積灰中的熔融物質(zhì)數(shù)量會(huì)上升，導(dǎo)致積灰的粘性有所增大，更難被吹掃。而積灰的附著會(huì)導(dǎo)致管壁導(dǎo)熱性能變差，管壁溫度會(huì)進(jìn)一步升高。過(guò)高的管壁溫度，會(huì)導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物數(shù)量進(jìn)一步上升。垃圾焚燒鍋爐的水冷壁溫度與蒸汽溫度相差較小，根據(jù)相關(guān)研究顯示，蒸汽溫度升高50℃就會(huì)導(dǎo)致管壁面的腐蝕速率明顯上升。對(duì)于過(guò)熱器不同區(qū)域的流場(chǎng)分布結(jié)果表明前排管束高溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)最高。當(dāng)金屬溫度超過(guò)允許極限溫度，內(nèi)部組織發(fā)生變化，許用應(yīng)力降低，在管內(nèi)壓力下產(chǎn)生塑性變形，最后導(dǎo)致超溫爆管。
1.3 氯腐蝕
氯腐蝕一般指Cl2或HCl以及氯鹽作用下引起的受熱面管腐蝕和失效。損壞的爐管表面通常覆蓋著厚厚的沉積層，在金屬/氧化膜界面上觀察到一層濃縮氯化物Fe Cl2，檢測(cè)到了Cl富集的現(xiàn)象，而且在氯化物析出物的上方，氧化膜變得疏松多孔，已經(jīng)失去保護(hù)租用。垃圾中的含氯物質(zhì)焚燒產(chǎn)生了含有氯化物（氯化氫和氯氣）的煙氣，當(dāng)煙氣中HCl濃度超過(guò)600 mg/L時(shí)，在260～480℃范圍金屬管壁溫下會(huì)造成鍋爐受熱面管材料氯化現(xiàn)象，氯化物附著在受熱面的表面，導(dǎo)致受熱面管壁外的氧化膜和管材金屬界面上出現(xiàn)許多裂痕。Cl離子或Cl2直接與受熱面管壁的氧化膜Fe2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)上形成低熔點(diǎn)高蒸汽壓的Fe Cl3等金屬氯化物，煙氣中的Fe Cl3進(jìn)一步揮發(fā)向外擴(kuò)散并被氧化成Fe2O3或Fe3O4，產(chǎn)生的Cl離子又進(jìn)一步對(duì)氧化層形成腐蝕，使金屬表面保護(hù)膜破壞而導(dǎo)致金屬腐蝕，直至管壁穿孔。研究表明，當(dāng)燃料成分中氯含量≥0.35%時(shí)，腐蝕傾向增加。高溫氯腐蝕的特征是管壁氧化膜疏松多孔，附著性差，氯元素在氧化膜/金屬界面上富集，在腐蝕初期，腐蝕速度很快，但到后期腐蝕速度突然減緩。氯化腐蝕帶來(lái)的危害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硫化腐蝕。氯元素的存在還會(huì)加劇鉀鹽和鈉鹽對(duì)管壁的腐蝕。如圖1是目前比較認(rèn)同一致的氯化物對(duì)受熱面管壁造成腐蝕反應(yīng)流程。
圖1 水冷壁高溫氯化腐蝕化學(xué)反應(yīng)流程下載原圖
目前研究統(tǒng)一的觀點(diǎn)是：含Cl物質(zhì)是引起垃圾焚燒鍋爐關(guān)鍵受熱面腐蝕的主要誘因，Cl2和HCl均可以“活性氧化”的方式造成腐蝕，HCl還可以直接腐蝕受熱面金屬。此外，固態(tài)鹽類(lèi)氯化物同樣具有腐蝕性，特別是堿金屬氯化物和重金屬氯化物，它們本身熔點(diǎn)較低，混合后形成熔點(diǎn)更低的共晶鹽，高溫環(huán)境下，在金屬材料表面形成液相區(qū)，與金屬氧化膜發(fā)生劇烈反應(yīng)，損毀氧化膜，進(jìn)而造成受熱面的腐蝕失效。
1.4 SNCR系統(tǒng)引發(fā)腐蝕
垃圾焚燒鍋爐中為了減少煙氣中氮氧化物的濃度，大部分都會(huì)布置有選擇性非催化還原（SNCR）系統(tǒng)來(lái)對(duì)煙氣進(jìn)行處理。SNCR系統(tǒng)以尿素為還原劑，在爐膛內(nèi)形成的還原性氣氛，會(huì)加劇H2S對(duì)鍋爐水冷壁的腐蝕。當(dāng)尿素進(jìn)入溫度較高的焚燒爐爐膛內(nèi)被立即分解，產(chǎn)生NH3、HNCO等，而HNCO在低于1 000℃時(shí)，處于惰性狀態(tài)，不參與反應(yīng)，而當(dāng)溫度高達(dá)1 177℃時(shí)，HNCO在高溫爐膛內(nèi)與煙氣中的NO產(chǎn)生反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)不完全時(shí)，一部分沒(méi)有充分停留時(shí)間的HNCO隨煙氣一起沖達(dá)頂棚，此處煙氣溫度降至約955℃，此時(shí)HNCO呈惰性，不參與反應(yīng)。由于爐膛內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)情況，煙氣在流動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生回旋區(qū)域，導(dǎo)致煙氣出現(xiàn)一定的滯留。此時(shí)，煙氣中的HNCO容易在此處形成酸霧，并直接腐蝕水冷壁受熱面。此外，尿素本身對(duì)金屬也有腐蝕作用。國(guó)內(nèi)目前鍋爐的煙氣脫硝系統(tǒng)上普遍采用較為傳統(tǒng)的氣力霧化噴槍?zhuān)@種噴槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在一個(gè)最明顯的問(wèn)題就是這里面的還原劑液滴容易滴漏到水冷壁管或耐火材料上，如果噴槍運(yùn)行操作不當(dāng)又容易噴射到對(duì)面爐壁上的水冷壁或耐火材料，這就會(huì)使水冷壁受熱面或敷設(shè)的耐火材料受到還原性液體的腐蝕，進(jìn)而造成受熱面腐蝕乃至穿管泄漏。
1.5 積灰誘發(fā)腐蝕
垃圾焚燒鍋爐受熱面積灰中含有氯、硫的堿金屬化合物，其中含有的KCl、Pb Cl2、Zn Cl2和Sn Cl2等都是低熔點(diǎn)的物質(zhì)，在高溫?zé)煔庾饔孟氯菀滋幱谌廴跔顟B(tài)。堿金屬的硫、氯化合物低熔點(diǎn)灰分沉積鹽與金屬表層的氧化膜發(fā)生氧化還原反應(yīng)腐蝕基體，他們還其他無(wú)機(jī)鹽共同沉積在金屬表面，形成低熔點(diǎn)共晶體，大大降低積灰的熔點(diǎn)，在高溫的管壁上產(chǎn)生熔融性的腐蝕性鹽，在積灰-金屬交界面就會(huì)形成局部液相，形成電化學(xué)腐蝕氛圍，基體金屬發(fā)生陽(yáng)極溶解。因此熔融的積灰中Na Cl、K2SO4、Na2SO4等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使受熱面管氧化性保護(hù)層的受損更為嚴(yán)重，這種腐蝕也稱(chēng)熔融鹽腐蝕，有時(shí)也單獨(dú)歸結(jié)為硫腐蝕，焦硫酸鹽和堿金屬對(duì)管壁的熔鹽腐蝕有時(shí)也歸入高溫腐蝕范疇。積灰由于其自身有較高的強(qiáng)度，在溫度波動(dòng)的影響下，會(huì)對(duì)水冷壁產(chǎn)生應(yīng)力沖擊，從而使管壁出現(xiàn)應(yīng)力破裂，進(jìn)一步加劇受熱面腐蝕破壞。這種腐蝕主要在過(guò)熱器管、省煤器管發(fā)生。
許明磊等對(duì)垃圾焚燒鍋爐上的過(guò)熱器、對(duì)流管束、省煤器等易受腐蝕的典型區(qū)域的積灰進(jìn)行相關(guān)表征分析后認(rèn)為受熱面燒結(jié)積灰過(guò)程的腐蝕行為屬于積灰誘發(fā)應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕，是致密燒結(jié)積灰的應(yīng)力破壞作用和積灰中氯離子擴(kuò)散腐蝕反應(yīng)共同作用的結(jié)果。
1.6 低溫腐蝕
垃圾燃燒后產(chǎn)生的SOx和HCl等氣體與水蒸汽形成的酸性化合物，當(dāng)環(huán)境溫度低于它們的飽和溫度（露點(diǎn)）時(shí)就可能凝結(jié)引起腐蝕，也稱(chēng)露點(diǎn)腐蝕。煙氣露點(diǎn)和管壁溫度對(duì)低溫腐蝕都有影響。鍋爐啟?；虻凸r運(yùn)行時(shí)，低溫腐蝕更嚴(yán)重。受熱面積灰中存在V2O5和Fe2O3時(shí)會(huì)對(duì)腐蝕反應(yīng)有催化作用。低溫腐蝕主要是硫酸和鹽酸的腐蝕，主要發(fā)生在鍋爐尾部煙氣溫度較低的煙氣空氣預(yù)熱器和省煤器。
2 提高鍋爐受熱面防腐蝕措施
2.1 選擇耐蝕材料受熱面材料
垃圾焚燒鍋爐爐膛內(nèi)腐蝕性氣氛是客觀存在的。因此，提高鍋爐受熱面耐腐蝕性能首先可以從受熱面管壁的選材入手。目前，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒爐的水冷壁管材大多選用20G材質(zhì)，過(guò)熱器管主要是鉻鎳不銹鋼。20G材質(zhì)水冷壁在常溫、中高溫的范圍內(nèi)有很高的強(qiáng)度，焊接性能良好，可以滿(mǎn)足工作溫度范圍在723 K以下工況的需求。但若水冷壁工作溫度大于723 K，則其腐蝕則十分嚴(yán)重。因此，可選擇鎳、鉻、鉬等合金材料制作受熱面管壁。還可采用耐腐蝕SANDVIK復(fù)合管、哈氏合金等性能更好的管材。在防腐蝕性能方面，鎳鐵合金要明顯優(yōu)于奧氏體鋼。雖然這種措施一次性投入較大，但從減少腐蝕爆管次數(shù)角度考慮，經(jīng)濟(jì)性還是很高的。
2.2 優(yōu)化鍋爐運(yùn)行工況
定期分析入爐垃圾熱值。熱值長(zhǎng)期超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，要充分均勻混合入爐垃圾，改善爐膛內(nèi)的燃燒情況，減小爐膛結(jié)焦情況。要根據(jù)垃圾性質(zhì)的不同，選擇合適料位，盡量穩(wěn)定爐溫，避免受熱面管壁超溫。另外，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)量、比例、風(fēng)溫等，控制爐膛煙氣的出口溫度和流速，保證煙氣在流通過(guò)程中得到充分的擾動(dòng)，避免出現(xiàn)回流死區(qū)，防止局部區(qū)域形成酸霧造成嚴(yán)重腐蝕的情況發(fā)生。定期對(duì)受熱面進(jìn)行清灰工作，防止受熱面的管壁外部積灰過(guò)多。控制進(jìn)入過(guò)熱器入口的煙氣溫度在700℃以下（最好在600～650℃范圍），同時(shí)，宜在過(guò)熱器前布置蒸發(fā)器，避免高溫過(guò)熱蒸汽出口直接接觸高溫?zé)煔?，形成高溫腐蝕。歐陽(yáng)小平等研究結(jié)果表明向爐膛中加入Ca(OH)2能有效降低煙氣中含Cl、S等酸性氣體濃度，有效緩解焚燒爐高溫腐蝕。
2.3 受熱面外敷設(shè)耐腐蝕涂層
采用先進(jìn)焊接堆焊技術(shù)和熱噴涂技術(shù)（如超音速火焰噴涂和熱等離子噴涂）在受熱面管煙氣側(cè)易腐蝕區(qū)域噴涂防腐、防磨性能較好的金屬粉末，如鎳-鎢合金粉末、鎳-鉻復(fù)合材料粉末，以及鉻、鉬、鋁、鎢、鎳合金粉末等。鉻-鎳涂層和美國(guó)45CT涂層的耐高溫耐性能較強(qiáng)，而鉻-鎳的價(jià)格遠(yuǎn)低于45CT的材料。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，選用高速火焰的噴涂方式對(duì)該焚燒爐受熱面外層敷設(shè)高鎳鉻合金，噴涂完后加刷高鎘涂劑進(jìn)行封孔處理，可以延長(zhǎng)敷設(shè)涂層的使用壽命。
目前還有一種逐步推廣應(yīng)用的CMT(Cold Metal Transfer）堆焊技術(shù)，是在水冷壁上堆焊Inconel625，采用數(shù)字化技術(shù)精準(zhǔn)控制鉬、鎳、鉻、鐵等元素含量，厚度、稀釋率參考值分別為2.5 mm、5%，防腐層抗腐蝕性能好，存在的主要問(wèn)題是成本較高，把超音速火焰噴涂或熱等離子體噴涂與Inconel 625結(jié)合是比較經(jīng)濟(jì)的組合方式。
2.4 安裝受熱面腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
安裝受熱面腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)受熱面管煙氣側(cè)腐蝕的一種有效預(yù)警預(yù)報(bào)手段。它主要是通過(guò)在受熱面腐蝕敏感區(qū)域布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受熱面上的腐蝕情況，例如觀察積灰情況、監(jiān)測(cè)煙氣溫度、管壁溫度等，跟蹤預(yù)報(bào)受熱面腐蝕狀況，通過(guò)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)控制過(guò)熱器的溫度避免超溫等，同時(shí)，還可預(yù)測(cè)受熱面使用壽命，進(jìn)而為鍋爐制定有針對(duì)性的檢修計(jì)劃，確保受熱面管壁的使用安全。
3 結(jié)語(yǔ)
鍋爐受熱面管的可靠性，直接關(guān)系到垃圾焚燒鍋爐的安全有效運(yùn)行。預(yù)防圾焚燒鍋爐受熱面腐蝕問(wèn)題從受熱面自身來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)選擇耐腐蝕性能好的原料作為管材，或者在管壁面外敷設(shè)耐火耐腐蝕材料來(lái)提高抗腐蝕性能。從外部環(huán)境而言，則可以通過(guò)改善爐膛燃燒狀況來(lái)避免煙氣超溫，以及建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控爐膛各處溫度，來(lái)有效控制受熱面的腐蝕狀況在合理范圍內(nèi)，應(yīng)結(jié)合鍋爐實(shí)際從經(jīng)濟(jì)性和安全性相一致角度來(lái)選擇以上一種或幾種腐蝕措施來(lái)保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
評(píng)論