城市垃圾焚燒鍋爐高溫腐蝕機理及防護技術(shù)概述

朱邦同

（安徽省特種設(shè)備檢測院，安徽 合肥 230051）

城市生活垃圾熱值變化、相對較高的氯及各種輕金屬形成高度腐蝕性的氣氛，從而縮短高溫段受熱面管的使用壽命。受熱面管高溫腐蝕是垃圾焚燒鍋爐最嚴(yán)重的損傷形式，會導(dǎo)致鍋爐的非計劃停機。

1 垃圾焚燒鍋爐的腐蝕機理

金屬在沒有液體電解質(zhì)情況下的高溫腐蝕，主要表面為在金屬表面形成的大量腐蝕沉積物。高溫腐蝕有兩種主要機制：

1.1 氣相腐蝕機理——活化氧化

垃圾中的塑料、橡膠中含有大量的氯元素，這些有機物在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的HCl氣體。高溫HCl氣體腐蝕主要包括以下幾個步驟：

首先，在受熱面管表面HCl氣體與氧氣發(fā)生反應(yīng)或者氯化物 （如氯化鈉）、金屬氧化物與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氯氣（Cl2）：

其次，氯通過金屬氧化物垢滲透到氧化物/金屬界面，并與受熱面管中的鐵或其他金屬成分反應(yīng)形成金屬氯化物：

最后，金屬氯化物蒸氣通過覆蓋在管外壁上的鱗片狀物質(zhì)向外擴散，在管道周圍的蒸汽氛圍中發(fā)生氧化反應(yīng)，形成金屬氧化物和氯氣：

反應(yīng)中部分釋放的氯氣會擴散到氧化物/金屬界面，與金屬發(fā)生反應(yīng)，并再次生成揮發(fā)性金屬氯化物。因此，以氯化物的形式提供金屬從表面向較高氧分壓的連續(xù)輸送過程，從而形成一種循環(huán)[1]。

1.2 硫酸鹽和熔鹽沉積引起的腐蝕

當(dāng)燃燒氣氛中揮發(fā)氯化物鹽與受熱面管表面接觸時會凝結(jié)，形成可能含有硫酸鹽和堿氯化物的液體或固體沉積物。沉積的金屬氯化物與氣體SO2或SO3反應(yīng)生成縮合堿硫酸鹽[2]：

沉積引起高溫腐蝕原因：（1） 沉積物中的氯化物種引起類似于上述氣相活活化氧化反應(yīng)；（2） 沉積物中存在的氯化物可能導(dǎo)致低熔點共晶 （即以最低熔點為特征的鹽溶液） 溶解保護金屬表面的氧化物。

影響腐蝕速率的因素有很多，如垃圾中的氯和硫濃度、爐膛的工作溫度、某一特定位置的溫度波動可能破壞氧化層以及特定的鍋爐設(shè)計結(jié)構(gòu)。

金屬表面溫度。因輻射通量高和 （或） 對管內(nèi)蒸汽流動的傳熱速率不足引發(fā)的金屬表面溫度過高，導(dǎo)致熔鹽沉積和腐蝕速率的加快。一般來說，水冷壁和過熱器管的金屬溫度分別應(yīng)分別維持在300 ℃ 和450 ℃ 以下。但是，在較高的過熱器溫度下運行可以提高汽輪機的熱效率。

煙氣溫度。燃燒煙氣溫度會影響沉積速率和沉積物成分，從而影響腐蝕速率。煙氣溫度和金屬表面溫度之間的溫度梯度是蒸發(fā)物種 （如金屬氯化物） 在表面上凝結(jié)的驅(qū)動力。當(dāng)溫度梯度較大時，沉積成中氯離子濃度較高，熔點降低；沉積層和金屬壁之間溫度梯度引起熱應(yīng)力也會影響氧化膜在金屬表面的黏著，從而導(dǎo)致保護層斷裂、氧化物內(nèi)部點缺陷擴散增加和剝落。

溫度波動。生活垃圾燃料的物理化學(xué)成分不均勻以及相應(yīng)的熱值隨時間的波動導(dǎo)致燃燒室內(nèi)氣體溫度的顯著波動。實驗研究證實，由于溫度波動很大引發(fā)的腐蝕速率可以增加數(shù)倍。

熔鹽沉積特性。氯在沉積物的裂縫和孔隙中的擴散提高了腐蝕速率。沉積物中存在的氯化物、硫化物、堿金屬和重金屬成分影響沉積的化學(xué)和物理性質(zhì)，例如沉積物的氣體滲透性。

2 高溫腐蝕防護方法

借鑒多年運行經(jīng)驗，垃圾焚燒鍋爐行業(yè)已開發(fā)了一些減少高溫腐蝕方法，分為一級措施和二級措施。一級措施是通過改變影響鍋爐工藝條件來降低腐蝕。包括：①改進過程控制，特別是盡量減少氣體溫度波動；②設(shè)計優(yōu)化，利用工藝氣體再循環(huán)改變流體動力學(xué)，從而加強氣體混合；或改變鍋爐過熱器設(shè)計結(jié)構(gòu)。二級措施主要目的延長受熱面管使用壽命。在過去十幾年中，開發(fā)了各種耐腐蝕材料并應(yīng)用于實際鍋爐運行中。如高鉻鎳基合金和高鉻高硅鎳鐵合金管材用于垃圾焚燒發(fā)電廠中；還開發(fā)了超音速火焰噴涂和焊接堆焊等涂層系統(tǒng)。

（1） Inconel合金625熔覆。不受耐火襯里保護的水冷壁區(qū)域和過熱器管是最容易腐蝕的區(qū)域。在受熱面管表面熔覆一層Inconel合金625 （21Cr-9Mo-3.5Nb-Ni基） 覆蓋在管子上，以保護其免受HCl/Cl2的高溫腐蝕。該方法已成功應(yīng)用于水冷壁管和部分過熱器管束中。雖然Inconel合金625的價格高于防護耐火材料襯里的價格，但Inconel合金625的成本可通過減少耐火材料的維護成本得到部分補償。Inconel 625比耐火材料具有更高導(dǎo)熱系數(shù)，可降低第一通道氣體溫度。

（2） 熱噴涂技術(shù)。采用先進焊接堆焊技術(shù)和熱噴涂技術(shù)（如超音速火焰噴涂和熱等離子噴涂） 在爐管上制備熔覆金屬同樣可延長鍋爐受熱面管使用壽命。堆焊層主要應(yīng)用于腐蝕性較強環(huán)境中，但有關(guān)堆焊層的主要問題是，在同一區(qū)域重復(fù)使用會導(dǎo)致舊堆焊層脆化，并導(dǎo)致裂紋擴展到基體金屬中。熱噴涂工藝可提供堅硬、致密、足夠厚和致密涂層，孔隙率可降低至1%以下，遠低于火焰噴涂或電弧噴涂涂層的孔隙率 （3%～5%）。由于能產(chǎn)生均勻和低顯微結(jié)構(gòu)涂層組織，超音速火焰噴涂層和熱等離子體噴涂層都具有良好抗沖蝕性能，其與Inconel合金625結(jié)合是耐蝕性最佳組合。

（3） 鍋爐煙道設(shè)計。鍋爐有兩種主要流道設(shè)計：垂直和水平。針對沖蝕—腐蝕問題，設(shè)計目標(biāo)是獲得均勻氣體流態(tài)，將沖擊速度降到最小，使鍋爐從第一煙道 （燃燒室） 到第二煙道過渡平穩(wěn)。在相同運行條件下，過熱器管束在垂直設(shè)計鍋爐中，具有較少氣體流道，比水平設(shè)計鍋爐中管有更多臨界腐蝕問題，因為前者受到較高金屬溫度和煙氣流動速度影響。水平設(shè)計缺點是它比垂直設(shè)計需要更多占地空間。

（4） 化學(xué)品注入。向燃燒室中注入諸如Ca(OH)2或Mg(OH)2化學(xué)品的目的是：①降低煙氣中的HCl的濃度；②有助于清除沉積物并降低它們的潛力腐蝕。該方法仍在研究中，但初步結(jié)果表明該方法有效。缺點是需要持續(xù)注入化學(xué)品，增加運行成本和飛灰量[3]。

（5） 改進清洗方法。開發(fā)了高壓水清洗和爆炸清洗等受熱面管的在線清洗方法，以限制沉積物的積累，縮短設(shè)備停機時間。這些清洗方法在清除灰渣方面是有效的，但是也可能在過熱器管的某些位置引起更大的腐蝕。此外，有些清潔方法要求工廠離線進行徹底清洗。因此，有必要在不降低清洗效率的情況下，研究開發(fā)對管道壽命危害較小的清洗方法。

3 結(jié)語

文章介紹了垃圾焚燒鍋爐高溫腐蝕機理以及目前常見的防止高溫腐蝕的方法。一級措施是盡量減少腐蝕因素的不利影響，而二級措施則是設(shè)法延長受熱面管的使用壽命。這些方法大多已應(yīng)用于實際的垃圾焚燒鍋爐中，并顯示出不同程度的有效性。