放射性固體廢物焚燒設(shè)備及工藝管路腐蝕與防護(hù)

皮煜鑫

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000 ）

放射性固體廢物焚燒設(shè)備及工藝管路腐蝕與防護(hù)

皮煜鑫

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000 ）

隨著放射性可燃固體廢物焚燒站的生產(chǎn)運(yùn)行，焚燒系統(tǒng)的設(shè)備及工藝管路不可避免地出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，如果該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備及管路出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)正常運(yùn)行。文章闡述了系統(tǒng)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行后各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備及管路的腐蝕現(xiàn)狀，從工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行角度分析了設(shè)備的腐蝕原因，針對(duì)由電偶腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕等不同腐蝕機(jī)理造成的腐蝕進(jìn)行了探討；同時(shí)，文章還從放射性廢物管理及工藝控制角度，提出了減緩系統(tǒng)設(shè)備腐蝕的建議。

焚燒系統(tǒng)；酸根離子；腐蝕；防護(hù)

核電是對(duì)環(huán)境影響極小的清潔能源之一，核能是減排效應(yīng)最大的能源之一［1］。核電工程中放射性可燃固體廢物焚燒系統(tǒng)處理的焚燒廢物包含有塑料、橡膠等有機(jī)固體廢物，焚燒后產(chǎn)生的煙氣中含有大量的酸性氣體，這些煙氣經(jīng)過(guò)凈化處理達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后，通過(guò)煙囪排出。在處理的過(guò)程中，水冷換熱器、急冷塔、袋濾器及填料吸收塔等設(shè)備以及不銹鋼管路是煙氣冷卻凈化的關(guān)鍵處理裝置，這些設(shè)備及管路負(fù)責(zé)將煙氣溫度由1 000 ℃左右的高溫降至100～200 ℃，同時(shí)吸收煙氣中的酸性物質(zhì)及飛灰等雜質(zhì)。在這一過(guò)程中，設(shè)備及管路會(huì)產(chǎn)生腐蝕與磨損，一旦設(shè)備或管道因腐蝕穿透，則會(huì)存在放射性物質(zhì)泄漏的可能性［2］，影響該焚燒系統(tǒng)的安全性。因此，放射性可燃固體廢物焚燒系統(tǒng)的設(shè)備及其管路腐蝕是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。在核電工程中，技術(shù)成熟度可以為制定型號(hào)技術(shù)發(fā)展路線圖、技術(shù)規(guī)劃和安排經(jīng)費(fèi)投資等提供重要的支撐［3］，通過(guò)研究現(xiàn)有的放射性可燃固體廢物焚燒系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以為今后核電工程中建設(shè)同類型的處理系統(tǒng)提供工程借鑒。

1　工藝設(shè)備腐蝕現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)燃燒爐排出的煙氣，先后經(jīng)過(guò)的水冷換熱器、急冷塔、旋風(fēng)除塵器、袋濾器及后續(xù)設(shè)備，均不同程度受到了酸性氣體的影響，由于這些設(shè)備的材質(zhì)均為C-22哈氏合金鋼與0Cr18Ni9不銹鋼，在檢修期間發(fā)現(xiàn)，采用哈氏合金鋼C-22的設(shè)備內(nèi)表面肉眼觀察沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，但與其連接的不銹鋼管路以及設(shè)備與煙氣直接接觸的焊縫處的腐蝕速率超過(guò)了預(yù)期，部分焊縫被全部腐蝕了，一定程度破壞了設(shè)備的密閉性，系統(tǒng)的本質(zhì)安全度降低。

系統(tǒng)中發(fā)生腐蝕的具體部位包括水冷換熱器擋板處的焊縫全部被腐蝕、急冷塔下部排污處出現(xiàn)腐蝕（見(jiàn)圖1）、高效過(guò)濾器外殼處出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)（見(jiàn)圖2）。

2　防護(hù)措施

為有效控制設(shè)備的腐蝕，從設(shè)備工藝運(yùn)行參數(shù)的控制、工藝系統(tǒng)及設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等方面探討系統(tǒng)及設(shè)備腐蝕的工程防護(hù)措施。

圖2　高效過(guò)濾器外殼Fig.2　The housing of the highly efficient filter

2.1設(shè)備工藝運(yùn)行參數(shù)的控制

（1）熱解爐加料速度的控制

設(shè)計(jì)熱解爐中加料速度為20～30 kg/h，在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，并非將20～30 kg/h的廢物包一次性全部加入熱解爐中，而是每隔5、10、20 min等不同時(shí)間段，分批次的將廢物包加入熱解爐，通過(guò)不同加料時(shí)間的系統(tǒng)試驗(yàn)，優(yōu)選每10 min加一次廢物包，廢物包的重量控制在3～5 kg，可以滿足維持燃燒爐溫度的同時(shí)使后續(xù)處理凈化設(shè)備的閥門無(wú)須頻繁的調(diào)節(jié)，有利于設(shè)備的使用壽命。

（2）熱解爐送風(fēng)量的控制

廢物包在熱解爐中進(jìn)行熱解反應(yīng)，送風(fēng)量的多少直接影響著廢物包的熱解效果，影響燃燒爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）急冷塔的壓空流量與噴水量的控制

急冷塔的作用是將煙氣的溫度從600～800 ℃左右的高溫降至200 ℃以下，保證后續(xù)煙氣處理凈化設(shè)備的正常運(yùn)行，因此，壓空與噴水配合不佳會(huì)直接影響煙氣的冷卻效果，為后續(xù)設(shè)備帶來(lái)不利的影響。

生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于各種原因，系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載的情況，使得設(shè)備產(chǎn)生過(guò)度的磨損。

此外，系統(tǒng)在超負(fù)荷運(yùn)行情況下，由于每包廢物中含有橡膠及塑料的比例是一定的，因此，過(guò)量的廢物包必然會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的Cl-，對(duì)系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)及設(shè)備保護(hù)是不利的。

生產(chǎn)運(yùn)行階段，系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行情況記錄如表1所示。

表1　某班組系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行記錄Table 1　Records of system overload operation

從表1中可以看出，18：00—22：00系統(tǒng)熱解爐底負(fù)壓由-455.5～-834.8 Pa逐漸在增大，但燃燒爐煙氣溫度卻從939.5 ℃降至639.6 ℃。

燃燒爐溫度的降低說(shuō)明這段時(shí)間可能僅有少量的熱解氣進(jìn)入其中燃燒或者幾乎沒(méi)有熱解氣進(jìn)入燃燒爐中燃燒，致使燃燒爐及后續(xù)煙氣凈化冷卻系統(tǒng)此時(shí)基本處于空載狀態(tài)。查看熱解爐送風(fēng)量，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)量一直未變化，說(shuō)明不是由于風(fēng)量變化導(dǎo)致熱解氣不能正常產(chǎn)生，又觀察熱解爐底負(fù)壓持續(xù)在增大，中央控制操作人員通知巡檢人員查看熱解爐廢物包熱解情況，發(fā)現(xiàn)熱解爐中的加料裝置出現(xiàn)了卡料現(xiàn)象，即廢物包卡在加料裝置中沒(méi)有進(jìn)入熱解爐中發(fā)生熱解反應(yīng)，從表1中可以看出，24：00—01：00之間，急冷塔噴淋液流量已為0，說(shuō)明此刻基本沒(méi)有煙氣產(chǎn)生，考慮到節(jié)約能源，關(guān)閉了閥門。

經(jīng)工藝檢修人員疏通加料裝置后，卡住的大量廢物包一次性進(jìn)入熱解爐中熱解燃燒，產(chǎn)生過(guò)量的熱解氣，這些過(guò)量的熱解氣從熱解爐中進(jìn)入燃燒爐充分燃燒，致使從22：00—03：00燃燒爐煙氣溫度從639.6 ℃上升至1 001.3 ℃。

這一過(guò)程系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的高溫?zé)煔?，從?中可以看出，從04：00—08：00，操作人員已經(jīng)將冷卻水開(kāi)度閥門開(kāi)至原來(lái)狀態(tài)的一倍，同時(shí)急冷塔已經(jīng)無(wú)法通過(guò)微調(diào)急冷噴淋流量控制煙氣溫度，所以將其旁通閥打開(kāi)，將最大噴淋流量噴入系統(tǒng)控制煙氣溫度，此刻，系統(tǒng)處于過(guò)載狀態(tài)，在一定程度上將不可避免地影響設(shè)備及管路使用壽命。

同時(shí)，這些過(guò)量的煙氣中載帶的大量含Cl-的酸性物質(zhì)為后續(xù)設(shè)備的凈化處理帶來(lái)了壓力，大量含Cl-的酸性煙氣在系統(tǒng)中流通，一定程度上加速系統(tǒng)設(shè)備及管路的腐蝕速率，為盡可能減少這些過(guò)量的Cl-帶來(lái)的危害，中控人員需要根據(jù)監(jiān)測(cè)到的pH的變化，及時(shí)向填料吸收塔中添加新配置的堿液，確保Cl-吸收完全。

從表1中可以看出直至9：00以后，系統(tǒng)才恢復(fù)正常運(yùn)行，從22：00發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)情況，到系統(tǒng)再次恢復(fù)平穩(wěn)的運(yùn)行，一共經(jīng)歷了11 h，可見(jiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，這種情況如果頻繁發(fā)生，將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行及設(shè)備的使用壽命。

要做到使系統(tǒng)正常平穩(wěn)運(yùn)行，操作人員的崗位培訓(xùn)是不可缺少的環(huán)節(jié)，尤其中控操作人員必須熟知系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝正常運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)所處狀態(tài)并制定相應(yīng)的操作策略，其中重點(diǎn)關(guān)注的工藝參數(shù)主要包括：系統(tǒng)的加料數(shù)量及速度，系統(tǒng)的工藝送風(fēng)量，熱解爐的風(fēng)量、壓力與溫度，燃燒爐的溫度，急冷塔噴水流量，煙氣經(jīng)過(guò)急冷塔后的溫度，袋濾器壓力，填料吸收塔pH等，這些參數(shù)可以明顯反映出系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，巡檢人員在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中也要提高巡檢的頻次，將系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況及現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的特殊情況及時(shí)向中控人員反饋并配合中控人員解決突發(fā)事件。

2.2工藝系統(tǒng)及設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

（1）工藝系統(tǒng)的改進(jìn)

增加備用工藝管路：增加一套從填料吸收塔出來(lái)至高效過(guò)濾器中間的一段工藝管路。由于該段管路已經(jīng)出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕問(wèn)題，當(dāng)原系統(tǒng)管路出現(xiàn)嚴(yán)重滴漏情況，切換另一套備用管路，確保系統(tǒng)的正常連續(xù)運(yùn)行。

（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

填料吸收塔是系統(tǒng)中吸收酸性物質(zhì)最重要的設(shè)備，煙氣從吸收塔底部進(jìn)入，Na2CO3溶液從吸收塔中上部向下噴淋，在填料層中二者發(fā)生相互作用，達(dá)到中和吸收的作用，凈化后的煙氣從吸收塔頂部流出，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　填料吸收塔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　The structure of the packing absorbing column

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，只設(shè)計(jì)了一個(gè)噴淋頭的填料吸收塔有時(shí)難以將系統(tǒng)中存在的大量酸性氣體全部吸收，此外，該噴淋頭在吸收煙氣的過(guò)程中采用堿液噴淋的方式與煙氣作用，堿液與酸性氣體接觸面積小，設(shè)備吸收煙氣的效率不高，凈化效果一般。

改造方案一：增加壓空管線，使得噴淋頭噴出的堿液呈霧化狀態(tài)，這樣可以增大堿液與酸性氣體的接觸面積，提高設(shè)備吸收酸性氣體總量，保護(hù)后續(xù)管路，如圖4所示。

改造方案二：增加幾組噴淋頭，同樣是為了增大堿液與酸性氣體的接觸面積，使得更多的酸性氣體被吸收，延緩后續(xù)設(shè)備的腐蝕。

增加噴淋頭的方式有多種多樣，參照市面上出售的不同規(guī)格型號(hào)的洗滌塔，列出以下2種增加噴淋頭的方式參考。增加噴淋頭的設(shè)備示意圖如圖5、圖6所示。

圖4　填料吸收塔結(jié)構(gòu)加壓空管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　The structure of the packing absorbing column and pressurized air pressure control

圖5　工業(yè)用304不銹鋼洗滌塔Fig.5　The washing tower of industrial 304 stainless steel

圖6　填料吸收塔改造結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　The schematic of renovated structure of the packing absorbing column

該洗滌塔有3處優(yōu)點(diǎn)：第一，兩級(jí)高效率螺旋噴霧器，大部分的酸性氣體會(huì)被完全吸收；第二，分離過(guò)濾器的添加，確保了將煙氣中未被吸收的粉塵等顆粒物質(zhì)被吸收；第三，多層式除水除霧裝置，最大限度地控制了外排煙氣的含水量；第四，該洗滌塔型號(hào)結(jié)構(gòu)市面有出售，直接購(gòu)買后安裝即可，方便快捷。

該洗滌塔缺點(diǎn)有：第一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在原有填料吸收塔的基礎(chǔ)上改造存在一定困難；第二，由于此類型的結(jié)構(gòu)具有國(guó)家專利，公司的填料吸收塔改造的成本或者直接購(gòu)買的成本均較高，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。

該填料吸收塔改造優(yōu)點(diǎn)有：第一，將原有的一個(gè)噴淋頭改換成體積更小，但數(shù)量更多的噴淋頭，同時(shí)縱向噴淋頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以更多的吸收煙氣中的酸性氣體；第二，改造結(jié)構(gòu)難度低，工程上易于實(shí)現(xiàn)；第三，成本比圖5所示的洗滌塔要低，經(jīng)濟(jì)性較高。

圖5和圖6填料吸收塔的改造可用于同類核設(shè)施建設(shè)的參考，目前階段，最有效最直接的改造辦法，依然考慮直接在現(xiàn)有的填料吸收塔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加壓空管道，將堿液霧化后噴淋吸收酸性煙氣。

2.3設(shè)備材質(zhì)的選用研究方向

目前，系統(tǒng)中存在的0Cr18Ni9不銹鋼管道化學(xué)成分見(jiàn)表2。

國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)研究表明：一般可將0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼改換成高鉻、含鉬、含氮不銹鋼。以不銹鋼中含氮抑制點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕為例，不銹鋼中固溶氮時(shí)比不固溶氮時(shí)電位腐蝕向正方向移動(dòng)，不銹鋼發(fā)生點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的溫度與電位存在一定關(guān)系［4］，如圖7所示。

表2　0Cr18Ni9化學(xué)成分Table 2　The chemical composition of 0Cr18Ni9

圖7　含氮不銹鋼點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕電位與溫度關(guān)系曲線Fig.7　Temperature relation and pitting potential in bearing nitrogen stainless steel

由圖7可以看出，加入氮的不銹鋼提高了其腐蝕電位，降低了腐蝕的敏感性。

有研究表明：不銹鋼中添加鉬及增加鉻含量也有類似氮提高腐蝕電位的效果；同時(shí)，鉻含量的增加，不銹鋼的鈍化膜將變得更加穩(wěn)定；此外，Mo也可以提高不銹鋼抗Cl-腐蝕性能［4］，因此，根據(jù)上述國(guó)內(nèi)研究成果，可將系統(tǒng)中現(xiàn)有的已發(fā)生腐蝕的0Cr18Ni9不銹鋼在不影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的情況下改換成標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，此類鋼的主要合金含量為22%Cr、5%Ni、3%Mo、0.17%N，試驗(yàn)研究其抗腐蝕的能力。

2.4系統(tǒng)緩蝕劑研究方向

有研究發(fā)現(xiàn)，鉬酸鈉在不銹鋼表面形成的鈍化膜主要成分為難溶于水和酸的穩(wěn)定化合物MoCl3［5］。MoCl3這層致密并且難溶于酸的鈍化膜可以有效阻擋Cl-的侵入，從而達(dá)到保護(hù)不銹鋼的目的。

葡萄糖酸鈉與鉬酸鈉不同，它屬于吸附膜型緩蝕劑，有試驗(yàn)表明，葡萄糖酸鈉較Cl-更容易吸附在不銹鋼表面上并形成單分子層吸附膜，可以有效地阻擋水、Cl-和溶解氧等腐蝕性物質(zhì)與不銹鋼基體的接觸，進(jìn)而對(duì)不銹鋼起到良好的保護(hù)作用［5］。

核工業(yè)放射性可燃固體廢物焚燒系統(tǒng)領(lǐng)域尚未開(kāi)展相關(guān)系統(tǒng)緩蝕劑的研究，緩蝕劑的添加種類、添加位置及效果都有待于研究與試驗(yàn)。

3　結(jié)論

1）系統(tǒng)中存在各類腐蝕，腐蝕的存在一定程度影響了設(shè)備的穩(wěn)定性，影響了系統(tǒng)的安全性。

2）為減緩系統(tǒng)設(shè)備、管路的腐蝕，工藝參數(shù)的控制是重要的環(huán)節(jié)，工藝運(yùn)行過(guò)程中必須嚴(yán)格控制廢物包的所含塑料比例，保持系統(tǒng)勻速進(jìn)料，避免出現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)載的情況，同時(shí)確保工藝參數(shù)的運(yùn)行正常。

3）為保持工藝運(yùn)行的連續(xù)性，增加備用設(shè)備及管線是必要的。

4）可以從設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝管路改進(jìn)方面采取對(duì)應(yīng)措施減緩系統(tǒng)的腐蝕速率。

5）可以從設(shè)備及管路材質(zhì)的選用、系統(tǒng)緩蝕劑的選用方面開(kāi)展日后的研究工作，提高系統(tǒng)的抗腐蝕能力。

在中國(guó)核電工程建設(shè)中，如果建立放射性可燃固體焚燒系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)備及管路不可避免的會(huì)產(chǎn)生腐蝕與磨損。為保證該系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，需要加強(qiáng)管理，尤其要控制廢物中的塑料、橡膠的含量，規(guī)范運(yùn)行操作、日常維護(hù)，以有效減緩設(shè)備的腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命，從而保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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Corrosion and Protection of the Equipment and Piping of the Incineration for Radioactive Solid Wastes

PI Yu-xin
（Sichuan Environmental Protection Engineering Co.， Ltd.， CNNC， Guangyuan，Sichuan Prov. 628000，China）

With the operation of the incineration system， its process equipment and piping have inevitably suffered corrosion to some extent. Severe corrosion in key equipment and piping will make the operation unstable. This paper describes the corrosion status of key equipment and piping after operation， and introduces different mechanisms that cause the corrosion in equipment from the perspective of process design and operation. To ensure the stable operation of the incineration system， this paper discusses the engineering protection measures and solutions to the corrosion caused by different mechanisms such as galvanic corrosion， pitting corrosion and crevice corrosion. Suggestions for mitigating the corrosion in equipment are also made from the view of radioactive waste management and process control.

incineration system； acid ions； corrosion； protection

TL24 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0279-07

TL24

A

1674-1617（2016）03-0279-07

2016-04-18

皮煜鑫（1986—），男，河北人，工程師，學(xué)士，從事放射性廢物治理的工作。