生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐受熱面腐蝕研究現(xiàn)狀與進展

垃圾發(fā)電網(wǎng)訊:城市生活垃圾焚燒發(fā)電目前已被公認為是城市生活垃圾資源化、減量化和無害化處理的的最有效方式。國內(nèi)外大中城市都通過建設垃圾高效無害處理的焚燒發(fā)電廠來處理日益增長的城市垃圾。目前國內(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。我國城市入爐生活垃圾成分十分復雜，而且季節(jié)性波動很大。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)生復雜的化學、電化學反應，導致焚燒鍋爐主要受熱面煙氣側(cè)腐蝕十分嚴重，腐蝕程度和因腐蝕引發(fā)的爆管事故遠高于同級別的燃煤鍋爐。受熱面腐蝕問題是嚴重影響垃圾焚燒鍋爐系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行與壽命的主要問題。

本文主要對目前城市生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐受熱面管煙氣側(cè)腐蝕狀況研究進行系統(tǒng)分析，并提出具體的受熱面腐蝕預防措施。

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程產(chǎn)生具有強烈腐蝕性的復雜氣體、氯化物與硫酸鹽等。它們在爐膛高溫下對受熱面管產(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、過熱器、省煤器以及預熱器上。垃圾焚燒鍋爐受熱面煙氣側(cè)常見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，會導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，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、管壁溫度和局部應力等。國內(nèi)外對垃圾焚燒鍋爐不同受熱面區(qū)域的腐蝕情況進行了研究與模擬分析，研究區(qū)域包括水冷壁、過熱器、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系。同時，爐內(nèi)氣氛、重金屬含量等也與腐蝕發(fā)生有關。爐內(nèi)過高的煙氣溫度及受熱面積灰、結焦都會造成受熱面的管壁超溫，進而加劇腐蝕。目前的受熱面腐蝕研究多數(shù)還停留在實驗室階段，爐膛內(nèi)發(fā)生的實際腐蝕狀況是多種腐蝕誘因協(xié)同作用的結果，比實驗室的結果更嚴重、更復雜。

1.2 高溫腐蝕

高溫腐蝕既發(fā)生在水冷壁，也發(fā)生在過熱器。過熱器高溫腐蝕主要是氯化物氣體（HCl）和SO3、Cl2氣體對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；水冷壁壁溫滿足腐蝕反應條件。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。高溫腐蝕過程十分復雜，氣、液、固多項反應混合發(fā)展、多孔介質(zhì)中的傳遞、同項和異項傳遞交互發(fā)生，并且受晶界過程、電化學過程和應力演變過程等多重因素的影響。

目前，隨著居民生活水平的提高，城市生活垃圾的實際熱值已經(jīng)遠超垃圾焚燒鍋爐的設計熱值。此外，為了保證垃圾處理量，一些焚燒鍋爐時常處于超負荷運行狀態(tài)，這導致爐膛內(nèi)熱負荷過高，煙氣溫度過高，受熱面上結焦嚴重，高溫腐蝕傾向加大。當管壁溫度高于300℃時，會產(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)與強腐蝕區(qū)，在300～480℃時為弱腐蝕區(qū)，在550～700℃為強腐蝕區(qū)。垃圾焚燒鍋爐一通道內(nèi)水冷壁受熱面，當管子溫度在300oC以下時，腐蝕速度很低，而當溫度在350℃以上時，受熱面管鐵基體的氧化反應會加劇，溫度越高，這種反應進行的越快，受熱面管的腐蝕也越嚴重。

隨著壁面溫度的升高，管壁外積灰中的熔融物質(zhì)數(shù)量會上升，導致積灰的粘性有所增大，更難被吹掃。而積灰的附著會導致管壁導熱性能變差，管壁溫度會進一步升高。過高的管壁溫度，會導致腐蝕產(chǎn)物數(shù)量進一步上升。垃圾焚燒鍋爐的水冷壁溫度與蒸汽溫度相差較小，根據(jù)相關研究顯示，蒸汽溫度升高50℃就會導致管壁面的腐蝕速率明顯上升。對于過熱器不同區(qū)域的流場分布結果表明前排管束高溫腐蝕的風險最高。當金屬溫度超過允許極限溫度，內(nèi)部組織發(fā)生變化，許用應力降低，在管內(nèi)壓力下產(chǎn)生塑性變形，最后導致超溫爆管。

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，當煙氣中HCl濃度超過600 mg/L時，在260～480℃范圍金屬管壁溫下會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)生化學反應上形成低熔點高蒸汽壓的Fe Cl3等金屬氯化物，煙氣中的Fe Cl3進一步揮發(fā)向外擴散并被氧化成Fe2O3或Fe3O4，產(chǎn)生的Cl離子又進一步對氧化層形成腐蝕，使金屬表面保護膜破壞而導致金屬腐蝕，直至管壁穿孔。研究表明，當燃料成分中氯含量≥0.35%時，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。氯化腐蝕帶來的危害性遠遠大于硫化腐蝕。氯元素的存在還會加劇鉀鹽和鈉鹽對管壁的腐蝕。如圖1是目前比較認同一致的氯化物對受熱面管壁造成腐蝕反應流程。

圖1 水冷壁高溫氯化腐蝕化學反應流程下載原圖

目前研究統(tǒng)一的觀點是：含Cl物質(zhì)是引起垃圾焚燒鍋爐關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，它們本身熔點較低，混合后形成熔點更低的共晶鹽，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，損毀氧化膜，進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，大部分都會布置有選擇性非催化還原（SNCR）系統(tǒng)來對煙氣進行處理。SNCR系統(tǒng)以尿素為還原劑，在爐膛內(nèi)形成的還原性氣氛，會加劇H2S對鍋爐水冷壁的腐蝕。當尿素進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，處于惰性狀態(tài)，不參與反應，而當溫度高達1 177℃時，HNCO在高溫爐膛內(nèi)與煙氣中的NO產(chǎn)生反應，當反應不完全時，一部分沒有充分停留時間的HNCO隨煙氣一起沖達頂棚，此處煙氣溫度降至約955℃，此時HNCO呈惰性，不參與反應。由于爐膛內(nèi)復雜的流動情況，煙氣在流動過程中容易產(chǎn)生回旋區(qū)域，導致煙氣出現(xiàn)一定的滯留。此時，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，尿素本身對金屬也有腐蝕作用。國內(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，這種噴槍結構簡單，但存在一個最明顯的問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，如果噴槍運行操作不當又容易噴射到對面爐壁上的水冷壁或耐火材料，這就會使水冷壁受熱面或敷設的耐火材料受到還原性液體的腐蝕，進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等都是低熔點的物質(zhì)，在高溫煙氣作用下容易處于熔融狀態(tài)。堿金屬的硫、氯化合物低熔點灰分沉積鹽與金屬表層的氧化膜發(fā)生氧化還原反應腐蝕基體，他們還其他無機鹽共同沉積在金屬表面，形成低熔點共晶體，大大降低積灰的熔點，在高溫的管壁上產(chǎn)生熔融性的腐蝕性鹽，在積灰-金屬交界面就會形成局部液相，形成電化學腐蝕氛圍，基體金屬發(fā)生陽極溶解。因此熔融的積灰中Na Cl、K2SO4、Na2SO4等發(fā)生化學反應使受熱面管氧化性保護層的受損更為嚴重，這種腐蝕也稱熔融鹽腐蝕，有時也單獨歸結為硫腐蝕，焦硫酸鹽和堿金屬對管壁的熔鹽腐蝕有時也歸入高溫腐蝕范疇。積灰由于其自身有較高的強度，在溫度波動的影響下，會對水冷壁產(chǎn)生應力沖擊，從而使管壁出現(xiàn)應力破裂，進一步加劇受熱面腐蝕破壞。這種腐蝕主要在過熱器管、省煤器管發(fā)生。

許明磊等對垃圾焚燒鍋爐上的過熱器、對流管束、省煤器等易受腐蝕的典型區(qū)域的積灰進行相關表征分析后認為受熱面燒結積灰過程的腐蝕行為屬于積灰誘發(fā)應力開裂腐蝕，是致密燒結積灰的應力破壞作用和積灰中氯離子擴散腐蝕反應共同作用的結果。

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，當環(huán)境溫度低于它們的飽和溫度（露點）時就可能凝結引起腐蝕，也稱露點腐蝕。煙氣露點和管壁溫度對低溫腐蝕都有影響。鍋爐啟?；虻凸r運行時，低溫腐蝕更嚴重。受熱面積灰中存在V2O5和Fe2O3時會對腐蝕反應有催化作用。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，國內(nèi)垃圾焚燒爐的水冷壁管材大多選用20G材質(zhì)，過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)有很高的強度，焊接性能良好，可以滿足工作溫度范圍在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)濟性還是很高的。

2.2 優(yōu)化鍋爐運行工況

定期分析入爐垃圾熱值。熱值長期超過設計值時，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，還可以通過調(diào)節(jié)一次風、二次風風量、比例、風溫等，控制爐膛煙氣的出口溫度和流速，保證煙氣在流通過程中得到充分的擾動，避免出現(xiàn)回流死區(qū)，防止局部區(qū)域形成酸霧造成嚴重腐蝕的情況發(fā)生。定期對受熱面進行清灰工作，防止受熱面的管壁外部積灰過多?？刂七M入過熱器入口的煙氣溫度在700℃以下（最好在600～650℃范圍），同時，宜在過熱器前布置蒸發(fā)器，避免高溫過熱蒸汽出口直接接觸高溫煙氣，形成高溫腐蝕。歐陽小平等研究結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 受熱面外敷設耐腐蝕涂層

采用先進焊接堆焊技術和熱噴涂技術（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-鉻復合材料粉末，以及鉻、鉬、鋁、鎢、鎳合金粉末等。鉻-鎳涂層和美國45CT涂層的耐高溫耐性能較強，而鉻-鎳的價格遠低于45CT的材料。從經(jīng)濟性角度考慮，選用高速火焰的噴涂方式對該焚燒爐受熱面外層敷設高鎳鉻合金，噴涂完后加刷高鎘涂劑進行封孔處理，可以延長敷設涂層的使用壽命。

目前還有一種逐步推廣應用的CMT(Cold metal Transfer）堆焊技術，是在水冷壁上堆焊Inconel625，采用數(shù)字化技術精準控制鉬、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結合是比較經(jīng)濟的組合方式。

2.4 安裝受熱面腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

安裝受熱面腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)是應對受熱面管煙氣側(cè)腐蝕的一種有效預警預報手段。它主要是通過在受熱面腐蝕敏感區(qū)域布置監(jiān)測點，實時監(jiān)測受熱面上的腐蝕情況，例如觀察積灰情況、監(jiān)測煙氣溫度、管壁溫度等，跟蹤預報受熱面腐蝕狀況，通過嚴格監(jiān)測控制過熱器的溫度避免超溫等，同時，還可預測受熱面使用壽命，進而為鍋爐制定有針對性的檢修計劃，確保受熱面管壁的使用安全。

3 結語

鍋爐受熱面管的可靠性，直接關系到垃圾焚燒鍋爐的安全有效運行。預防圾焚燒鍋爐受熱面腐蝕問題從受熱面自身來說，可以通過選擇耐腐蝕性能好的原料作為管材，或者在管壁面外敷設耐火耐腐蝕材料來提高抗腐蝕性能。從外部環(huán)境而言，則可以通過改善爐膛燃燒狀況來避免煙氣超溫，以及建立監(jiān)測系統(tǒng)來實時監(jiān)控爐膛各處溫度，來有效控制受熱面的腐蝕狀況在合理范圍內(nèi)，應結合鍋爐實際從經(jīng)濟性和安全性相一致角度來選擇以上一種或幾種腐蝕措施來保證鍋爐安全經(jīng)濟運行。