垃圾焚燒煙氣空預(yù)器失效分析和改進(jìn)措施

周 勇（南京凱盛開(kāi)能環(huán)保能源有限公司，江蘇 南京 210000）

0 前言

水泥廠采用爐排爐協(xié)同處理生活垃圾，原生垃圾不需要預(yù)處理，垃圾在密閉的貯坑內(nèi)經(jīng)過(guò)3～7天自然脫水、發(fā)酵后進(jìn)入爐排爐焚燒，產(chǎn)生的熱煙氣通過(guò)管道輸送到水泥窯分解爐繼續(xù)高溫分解，對(duì)廠區(qū)環(huán)境沒(méi)有影響。同時(shí)，垃圾焚燒在爐排爐內(nèi)進(jìn)行和熟料煅燒系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，減少了協(xié)同項(xiàng)目對(duì)水泥生產(chǎn)線的影響因素。爐渣經(jīng)無(wú)害化處理后進(jìn)入水泥生產(chǎn)線作為原料使用，垃圾滲濾液可回噴入爐，做到廢水、廢氣、廢渣全部處理，實(shí)現(xiàn)零排放。

采用爐排爐焚燒生活垃圾，助燃空氣需要加熱到一定溫度。水泥窯協(xié)同項(xiàng)目不同于垃圾發(fā)電項(xiàng)目，無(wú)鍋爐蒸汽可用為加熱熱源，助燃空氣的加熱需要采用高溫焚燒煙氣。煙氣空氣預(yù)熱器換熱管在高溫?zé)煔鉀_刷下容易受到磨損、腐蝕和氧化，影響焚燒爐穩(wěn)定性和可靠性。本文針對(duì)一臺(tái)煙氣空預(yù)器在使用2年后出現(xiàn)的失效原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)性的提出了改進(jìn)措施，從而有效延長(zhǎng)換熱管的使用壽命。

1 空預(yù)器換熱管失效原因分析

1.1 空預(yù)器換熱管表面宏觀腐蝕形態(tài)分析

煙氣空預(yù)器設(shè)計(jì)工作參數(shù)見(jiàn)表1，空預(yù)器換熱管試樣宏觀照片見(jiàn)圖1。換熱管迎風(fēng)面宏觀照片見(jiàn)圖1左圖，可以看出：迎風(fēng)面表面主要為黃色的鐵銹且迎風(fēng)面管壁明顯減薄，表明迎風(fēng)面的失效跟受到氣流的沖刷有關(guān)。

表1 煙氣空預(yù)器設(shè)計(jì)工作參數(shù)

換熱管背風(fēng)面宏觀照片見(jiàn)圖1右圖，可以看出：背風(fēng)面有黑色的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物下面是紅色的氧化物，黑色的腐蝕產(chǎn)物可能為四氧化三鐵，說(shuō)明換熱管工作溫度大于400℃。

圖1 換熱管宏觀照片

1.2 原材料化學(xué)成分分析

換熱管的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出換熱管的各化學(xué)元素中除C元素含量略微偏低外其余元素均符合“GB/T 5310—2017高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管”標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的12Cr1MoV鋼的化學(xué)成分要求，C元素含量偏低可能管材受到高溫發(fā)生脫碳，可以確認(rèn)換熱管材料為12Cr1MoV鋼無(wú)誤。

表2 換熱管化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 材料金相微觀組織分析

分別對(duì)換熱管迎火面的橫截面、縱截面進(jìn)行了金相顯微組織分析。迎火面未腐蝕金相照片見(jiàn)圖3，從圖3中可以看出，換熱管外表面有一層黑色疏松附著物，內(nèi)表面有一層均勻的灰色附著物。

圖3 迎火面橫截面未腐蝕金相顯微組織照片

換熱管迎火面腐蝕后金相顯微組織照片見(jiàn)圖4，可以看出，黑色物質(zhì)沿晶界分布，金相顯微組織為鐵素體組織，未發(fā)現(xiàn)珠光體存在。根據(jù)“DL/T 773-2016火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”，見(jiàn)表3，珠光體迎火面珠光體球化等級(jí)5級(jí)。

圖4 迎火面橫截面腐蝕后金相顯微組織照片

1.4 顯微硬度測(cè)試

迎風(fēng)面和背風(fēng)面顯微硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，從表4中可以看出，迎風(fēng)面比背風(fēng)面平均顯微硬度低7 HV，這也說(shuō)明迎風(fēng)面比背風(fēng)面材質(zhì)劣化嚴(yán)重。

表3 珠光體球化組織特征

表4 顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果（HV0.2）

1.5 管束外表面微觀腐蝕形態(tài)分析

管束外表面的掃描電鏡（SEM）微觀形貌見(jiàn)圖5，可以看出，管束外表面有大量的腐蝕產(chǎn)物覆蓋。

圖5 管束外表面SEM微觀形貌照片

管束外表面清洗腐蝕產(chǎn)物后的SEM微觀形貌見(jiàn)圖6，可以看出，管束外表面清洗腐蝕產(chǎn)物后，為典型的沿晶開(kāi)裂形貌，這也跟金相的結(jié)果相符。

圖6 管束外表面（清洗后）SEM微觀形貌照片

1.6 管束外表面腐蝕產(chǎn)物EDS微區(qū)成分分析

管束外表面的EDS微區(qū)成分分析結(jié)果見(jiàn)表5，從EDS分析結(jié)果可以看出，管束外表面主要腐蝕產(chǎn)物為鐵的氧化物即鐵銹，有少量的硫、硅、鈉、鉀等元素，但主要原因是晶界氧化所致。

表5 管束外表面EDS微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2 分析與應(yīng)對(duì)措施

（1）換熱管的腐蝕減薄原因是換熱管在高溫?zé)煔庀掳l(fā)生晶間氧化，然后在煙氣沖刷下整體剝落；

（2）該換熱管材料符合設(shè)計(jì)要求；

（3）換熱管在高溫下發(fā)生嚴(yán)重的珠光體球化，說(shuō)明換熱管受到的溫度過(guò)高；

（4）換熱管外表面受到嚴(yán)重的沿晶氧化，同樣說(shuō)明換熱管受到的溫度過(guò)高。

設(shè)計(jì)改進(jìn)如下：

（1）改進(jìn)預(yù)熱器煙氣入口形式，在管束入口前端增加煙氣轉(zhuǎn)向室，使煙道中高速煙氣在進(jìn)入管束前得到降速、均流和塵降，避免煙氣走廊的形成。

（2）雖然設(shè)計(jì)入口煙溫為550℃，實(shí)際運(yùn)行中，一些非正常工況下，煙氣入口短期溫度可能達(dá)到或超過(guò)600℃，需要對(duì)高溫區(qū)管束材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，比如使用耐高溫的高合金鋼管。

（3）適當(dāng)增加高溫區(qū)管束壁厚，滿足合理的腐蝕裕度，迎風(fēng)面加裝防磨護(hù)瓦。

3 結(jié)語(yǔ)

煙氣空氣預(yù)熱器在水泥窯協(xié)同處理生活垃圾項(xiàng)目上具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。由于垃圾焚燒煙氣的特殊性，需要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，針對(duì)性的采取措施，降低高溫區(qū)換熱管的磨損、氧化和高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，確保換熱管有一個(gè)合理的使用壽命。