垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器高溫腐蝕原因分析及改造優(yōu)化＊

龍吉生，嚴(yán)浩文，劉 建

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)因其具有良好的減量化、資源化和無害化的特點(diǎn)，成為我國廣泛應(yīng)用的一種城市生活垃圾無害化處理技術(shù)。根據(jù)《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒2020》，全國城市生活垃圾無害化處理能力為963 460 t/d，其中焚燒處理能力為567 804 t/d，城市生活垃圾焚燒處理能力占比達(dá)到58.9%，該占比相對(duì)于2019 年有進(jìn)一步擴(kuò)大，焚燒處理已發(fā)展成為我國最重要的城市生活垃圾處理技術(shù)［1］。

高溫腐蝕是制約垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目長周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一［2］。隨著垃圾分類推廣實(shí)施，垃圾熱值不斷提升，以及為追求更高的發(fā)電效率，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)不斷提高，高溫腐蝕問題將越來越突出［3］。黃聲和［4］以12Cr1MoVG 材料為例，分別研究了不同氧氣分壓力和不同煙氣溫度下，F(xiàn)e2O3和Fe3O4氧化層增長速率；張煒等［5］研究了12Cr1MoVG 材料在不同堿金屬混合熔鹽中的熱腐蝕行為。前人更多集中在高溫腐蝕機(jī)理的研究，較少結(jié)合垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)過熱器腐蝕爆管問題進(jìn)行分析。

本研究以某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目余熱鍋爐為研究對(duì)象，綜合實(shí)際運(yùn)行爆管情況與理論計(jì)算結(jié)果，分析垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目過熱器腐蝕爆管原因，并針對(duì)性提出改造優(yōu)化方案，為垃圾焚燒余熱鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供有益借鑒。

2 余熱鍋爐過熱器爆管位置及管壁測厚

2.1 原始設(shè)計(jì)方案及過熱器爆管位置

本垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)垃圾處理規(guī)模為2 250 t/d，原始設(shè)計(jì)入爐垃圾熱值7 116 kJ/kg，配置3 臺(tái)750 t/d 焚燒爐和3 臺(tái)中溫中壓余熱鍋爐。余熱鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)鍋爐，采用懸吊結(jié)構(gòu)，臥式布置，由3 個(gè)垂直膜式水冷壁煙道和1個(gè)水平煙道組成。余熱鍋爐基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 余熱鍋爐基本技術(shù)參數(shù)Table 1 Basic technical parameters of the waste heat boiler

本項(xiàng)目原始設(shè)計(jì)方案中，水平煙道內(nèi)依次布置前置蒸發(fā)器、高溫過熱器、中溫過熱器、兩級(jí)低溫過熱器、后置蒸發(fā)器和三級(jí)省煤器。高溫過熱器出口4 排采用TP347H 材質(zhì)，中間其余部分采用12Cr1MoVG 材質(zhì)，順流布置；中溫過熱器采用12Cr1MoVG 材質(zhì)，逆流布置。

本項(xiàng)目中溫過熱器沿?zé)煔饬飨蚬灿?jì)布置16排，每排52 列管束。3 臺(tái)爐曾多次在中溫過熱器位置發(fā)生腐蝕爆管。爆管前，鍋爐蒸發(fā)量達(dá)到設(shè)計(jì)額定負(fù)荷，由于垃圾熱值超出設(shè)計(jì)熱值，過熱器前入口煙溫超過650 ℃，兩級(jí)噴水減溫量超過6.5 t/h。

根據(jù)項(xiàng)目檢修記錄，多次爆管位置分布在中溫過熱器第一排第22 列至第33 列，多集中在排管上半部分距離頂棚約1.5～1.8 m 的位置，余熱鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1 所示，爆管位置如圖2 所示。

圖1 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意Figure 1 Structure schematic of the waste heat boiler

圖2 爆管位置示意Figure 2 Schematic of the burst tube position

圖3 為現(xiàn)場過熱器爆管及腐蝕現(xiàn)場照片，可以看出，爆管區(qū)域管壁減薄嚴(yán)重，開口較大，斷口呈腐蝕狀，管內(nèi)壁光潔，未見明顯結(jié)垢現(xiàn)象，為典型高溫腐蝕減薄爆管。

圖3 腐蝕爆管照片F(xiàn)igure 3 Tube burst caused by corrosion

2.2 過熱器管壁測厚

本項(xiàng)目余熱鍋爐原始設(shè)計(jì)方案中高溫過熱器沿?zé)煔饬飨蚬灿?jì)布置12 排，每排38 列管束，中溫過熱器沿?zé)煔饬飨蚬灿?jì)布置16 排，每排52 列管束。高溫過熱器和中溫過熱器原始管壁厚度均為5 mm。圖4 和圖5 分別為某臺(tái)余熱鍋爐運(yùn)行約6 個(gè)月高溫過熱器最后一排管壁和中溫過熱器第一排管壁距離頂棚高度1.75 m 位置的減?。ǜg）厚度，每根管子分別測試前、后、左、右4 組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為爆管前6 個(gè)月以及爆管時(shí)兩次的測厚數(shù)據(jù)的平均值之差。

圖4 高溫過熱器最后一排管壁6 個(gè)月減?。ǜg）厚度Figure 4 Reduced(corrosion)thickness of tube walls in the last row of high temperature superheater during six months

圖5 中溫過熱器第一排管壁6 個(gè)月減?。ǜg）厚度Figure 5 Reduced(corrosion) thickness of tube walls in the first row of medium temperature superheater during six months

根據(jù)圖4 和圖5 高溫過熱器和中溫過熱器減薄（腐蝕）厚度對(duì)比分析，本項(xiàng)目6 個(gè)月高溫過熱器管壁減薄平均厚度為0.14 mm，最大減薄厚度為0.28 mm，而中溫過熱器管壁減薄平均厚度為0.67 mm，最大減薄厚度為1.10 mm。高溫過熱器管壁腐蝕速度明顯低于中溫過熱器，這與本項(xiàng)目爆管情況統(tǒng)計(jì)十分吻合。根據(jù)爆管情況統(tǒng)計(jì)，本項(xiàng)目高溫過熱器未曾發(fā)生爆管事故，而中溫過熱器前兩排多次發(fā)生爆管事故。

3 余熱鍋爐過熱器腐蝕原因分析及改造優(yōu)化

3.1 過熱器壁溫計(jì)算分析及改造對(duì)策

通過分析本項(xiàng)目改造前一年的運(yùn)行報(bào)表數(shù)據(jù)可知，本項(xiàng)目平均入爐垃圾熱值已經(jīng)達(dá)到7 953 kJ/kg，實(shí)際平均入爐垃圾熱值超過設(shè)計(jì)入爐垃圾熱值的11.8%。

圖6 所示為本項(xiàng)目改造前和改造后高溫過熱器、中溫過熱器區(qū)域煙溫、蒸汽溫度及壁溫計(jì)算結(jié)果。改造前計(jì)算邊界條件為本項(xiàng)目余熱鍋爐原始設(shè)計(jì)方案以及實(shí)際平均入爐熱值（7 953 kJ/kg）。從圖6（a）可以看出，煙氣側(cè)，高溫過熱器前入口平均煙溫為666 ℃，中溫過熱器前入口平均煙溫為590 ℃，中溫過熱器出口平均煙溫為489 ℃；工質(zhì)側(cè)，中溫過熱器入口蒸汽溫度為307 ℃，中溫過熱器出口蒸汽溫度為410 ℃，經(jīng)噴水減溫，高溫過熱器入口蒸汽溫度為374 ℃，高溫過熱器出口蒸汽溫度為450 ℃。

圖6 過熱器區(qū)域煙溫、蒸汽溫度及管壁溫度計(jì)算結(jié)果Figure 6 Temperatures calculation results of flue gas,steam and tube in the superheater area

爆管位置多位于中溫過熱器第一排煙道中間位置，這是由于煙道兩側(cè)煙氣流速低、煙溫低，中間流速高、煙溫高［6］，兩側(cè)管壁溫度熱偏差見圖7。本研究以蘇聯(lián)《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算——標(biāo)準(zhǔn)方法》（1973 年版）為基礎(chǔ)，在考慮過熱器管件吸熱不均勻系數(shù)、結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù)、水力偏差系數(shù)等影響的情況下，經(jīng)壁溫計(jì)算（所述壁溫均指管外壁溫度，此壁溫=管內(nèi)蒸汽溫度+管內(nèi)壁溫升+管壁金屬熱阻引起溫升），高溫過熱器第一排壁溫為428 ℃，最后一排壁溫為493 ℃（管材質(zhì)為TP347H），其中倒數(shù)第五排管壁溫度為466 ℃（管材質(zhì)為12Cr1MoVG）；中溫過熱器第一排壁溫為472 ℃（管材質(zhì)為12Cr1MoVG），最后一排壁溫為341 ℃。根據(jù)彭耀鑫等［7］、張政等［8］的研究結(jié)果表明，當(dāng)過熱器壁溫小于450 ℃時(shí)，腐蝕比較輕微；當(dāng)過熱器管壁溫大于480 ℃時(shí)，腐蝕速度急劇加快。根據(jù)壁溫計(jì)算分析，過熱器壁溫超溫是本項(xiàng)目高溫腐蝕爆管的主要原因之一。

圖7 兩側(cè)管壁熱偏差狀態(tài)示意Figure 7 State schematic of the thermal deviation of the tube wall on both sides

為應(yīng)對(duì)垃圾熱值升高，嚴(yán)格控制過熱器管壁溫度，降低過熱器高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目鍋爐改造優(yōu)化方案在第三煙道增設(shè)26 片W 型水冷屏，總面積達(dá)450 m2。通過熱力計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)過熱器前入口煙溫降低約73 ℃，高溫過熱器入口煙溫可降至593 ℃。同時(shí)，為進(jìn)一步降低中溫過熱器管壁溫度，將中溫過熱器優(yōu)化為順流布置。改造后高溫過熱器和中溫過熱器區(qū)域煙溫、蒸汽溫度及壁溫計(jì)算結(jié)果如圖6（b）所示。

改造前和改造后的熱力計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 改造前和改造后的熱力計(jì)算結(jié)果Table 2 Thermal calculation results before and after alteration

從圖6 和表2 可以看出，經(jīng)改造優(yōu)化后，煙氣側(cè)，高溫過熱器前入口平均煙溫為593 ℃，中溫過熱器前入口平均煙溫為543 ℃，中溫過熱器出口平均煙溫為355 ℃；工質(zhì)側(cè)，中溫過熱器入口蒸汽溫度為345 ℃，中溫過熱器出口蒸汽溫度為410 ℃，經(jīng)噴水減溫，高溫過熱器入口蒸汽溫度為404 ℃，高溫過熱器出口蒸汽溫度為450 ℃。經(jīng)壁溫計(jì)算，高溫過熱器第一排壁溫為437 ℃，最后一排壁溫為479 ℃（管材質(zhì)為TP347H），其中倒數(shù)第五排管壁溫度為462 ℃（管材質(zhì)為12Cr1MoVG）；中溫過熱器第一排壁溫為384 ℃（管材質(zhì)為12Cr1MoVG），最后一排壁溫為441 ℃。從壁溫計(jì)算可以看出，經(jīng)改造后，材質(zhì)12Cr1MoVG 承受的最高壁溫為462 ℃，相對(duì)于改造前下降約10 ℃，材質(zhì)TP347H 承受的最高壁溫為479 ℃，相對(duì)于改造前下降約14 ℃，壁溫下降效果顯著。

通過壁溫計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，高溫過熱器最后一排壁溫（493 ℃，TP347H 材質(zhì)）高于中溫過熱器第一排壁溫（472 ℃，12Cr1MoVG 材質(zhì)），且高于高溫過熱器倒數(shù)第五排管壁溫度（466 ℃，12Cr1MoVG 材質(zhì)）。同時(shí)，結(jié)合項(xiàng)目爆管情況統(tǒng)計(jì)以及過熱器區(qū)域管壁測厚情況分析判斷：①TP347H 材質(zhì)的高溫耐腐蝕性能明顯優(yōu)于12Cr1MoVG 材質(zhì)；②12Cr1MoVG 材質(zhì)在壁溫高于472 ℃時(shí)，耐腐蝕性能明顯下降，腐蝕速度急劇加快；③TP347H 材質(zhì)在壁溫約為493 ℃及以下溫度區(qū)域仍能具有良好的耐腐蝕性能。

3.2 速度場模擬分析及改造對(duì)策

本研究以本項(xiàng)目余熱鍋爐原始設(shè)計(jì)方案為原型進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬邊界條件為入爐垃圾熱值7 953 kJ/kg，處理規(guī)模750 t/d，余熱鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸為：爐排長度為14.8 m，爐排寬度為8.8 m，爐排傾角15°，前拱傾角25°，前拱水冷壁下集箱標(biāo)高18.530 m，后拱傾角38°，后拱水冷壁下集箱標(biāo)高12.450 m，爐頂集箱標(biāo)高36.015 m。數(shù)值模擬采用ICEM 來建立模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本項(xiàng)目垃圾焚燒爐及余熱鍋爐網(wǎng)格示意如圖8所示。

圖8 焚燒爐及余熱鍋爐網(wǎng)格示意Figure 8 Grid schematic of the incinerator and waste heat boiler

本項(xiàng)目改造前和改造后余熱鍋爐爐膛中心線處截面的速度云圖見圖9。從圖9（a）可以看出，垃圾焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)3 個(gè)垂直水冷壁煙道后進(jìn)入水平煙道，高溫?zé)煔鉀_刷受熱面上部區(qū)域趨勢(shì)明顯。這是因?yàn)橐环矫鏌煔饨?jīng)3 個(gè)垂直水冷壁煙道后，在慣性作用下，上半部分流速高于下半部分流速；另一方面，煙氣溫度越高煙氣密度越低，高溫?zé)煔獬尸F(xiàn)向上集中的趨勢(shì)。高溫?zé)煔饪焖贈(zèng)_刷受熱面的位置與本項(xiàng)目過熱器爆管位置均為受熱面上部分區(qū)域，依據(jù)速度場模擬情況判斷，煙道內(nèi)流場沖刷不均勻?qū)е戮植繘_刷加劇是引起本項(xiàng)目過熱器腐蝕爆管的另一主要原因。

為改善水平煙道內(nèi)流場沖刷不均勻現(xiàn)象，改造優(yōu)化方案中，在第一、二煙道隔墻和第二、三煙道隔墻末端設(shè)計(jì)折焰角結(jié)構(gòu)。圖9（b）為設(shè)置折焰角結(jié)構(gòu)后余熱鍋爐爐膛中心線處截面的速度云圖。對(duì)比圖9（a）和圖9（b）可知，增設(shè)折焰角后二煙道和三煙道內(nèi)流場得到明顯改善，煙氣分布更加均勻，有助于減小三煙道后墻附近的煙氣上沖速度，從而改善水平煙道上下偏流現(xiàn)象，減弱高溫?zé)煔鈱?duì)水平通道前部區(qū)域（前置蒸發(fā)器、高溫過熱器和中溫過熱器）上半部分受熱面的沖刷。

圖9 余熱鍋爐爐膛中心截面速度分布云圖Figure 9 Velocity distribution contour of the furnace center section of the waste heat boiler

3.3 其他腐蝕影響因素分析

垃圾焚燒余熱鍋爐高溫腐蝕包括氣相腐蝕和熔鹽腐蝕。一方面，生活垃圾成分復(fù)雜，燃燒的煙氣中含有大量的氯化物，根據(jù)張?jiān)迄i等［9］的研究，氯化物、Cl2與Fe、Fe2O3發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)生成FeCl3，而FeCl3熔點(diǎn)為303 ℃，易揮發(fā)。隨著燃燒不斷生成HCl、Cl2，氣相腐蝕反應(yīng)將一直持續(xù)進(jìn)行，而且反應(yīng)速率隨著反應(yīng)溫度的升高而加快；另一方面，垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量的飛灰，飛灰沉積物附著、堵塞受熱面，不僅影響傳熱性能，而且管壁外黏結(jié)的堿金屬硫酸鹽與管壁氧化層反應(yīng)生成復(fù)合硫酸鹽，復(fù)合硫酸鹽呈熔化或半熔化狀態(tài)時(shí)，對(duì)過熱器管壁具有強(qiáng)烈的腐蝕作用。

根據(jù)腐蝕機(jī)理分析，燃燒煙氣成分中氯化物濃度、受熱面積灰程度、積灰中堿金屬硫酸鹽的濃度和過熱器區(qū)域的煙氣溫度均是影響過熱器高溫腐蝕的重要因素。此部分并非本次研究重點(diǎn)，不做過多的介紹。

3.4 改造效果

對(duì)比改造前和改造后運(yùn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，額定負(fù)荷運(yùn)行下，高溫過熱器前入口煙溫實(shí)際降低約70～80 ℃，與理論計(jì)算結(jié)果一致。改造后運(yùn)行6個(gè)月，對(duì)中溫過熱器第一排管壁測厚發(fā)現(xiàn)，管壁整體減薄速度相對(duì)于改造前明顯降低，達(dá)到改造預(yù)期效果。改造前、后中溫過熱器第一排管壁距離頂棚高度1.75 m 位置的減?。ǜg）厚度對(duì)比如圖10 所示。

圖10 改造前、后中溫過熱器第一排管壁6 個(gè)月減?。ǜg）厚度對(duì)比Figure 10 Comparison of the thickness （corrosion）reduction before and after renovation of the tube walls in the first row of the medium temperature superheater during six months

4 結(jié)論

1）過熱器區(qū)域管壁超溫和煙道內(nèi)流場沖刷不均勻，是過熱器高溫腐蝕的重要影響因素。為降低高溫腐蝕，應(yīng)通過增加蒸發(fā)受熱面面積、高溫及中溫過熱器采用順流布置等手段嚴(yán)格控制高溫過熱器和中溫過熱器管壁溫度。同時(shí)，應(yīng)在煙道內(nèi)設(shè)計(jì)折焰角結(jié)構(gòu)改善流場，降低局部沖刷不均勻性的影響。

2）TP347H 材質(zhì)的高溫耐腐蝕性能明顯優(yōu)于12Cr1MoVG 材質(zhì)。12Cr1MoVG 材質(zhì)在壁溫高于472 ℃時(shí)，耐腐蝕性能明顯下降；TP347H 材質(zhì)在壁溫約為493 ℃及以下溫度區(qū)域仍能具有良好的耐腐蝕性能。

3）對(duì)于垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器區(qū)域，當(dāng)壁溫高于465 ℃建議管壁采用耐腐蝕性能不低于TP347H 的不銹鋼材質(zhì)或其他防腐工藝，例如堆焊等。

4）垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目余熱鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過合理布置蒸發(fā)受熱面，嚴(yán)格控制過熱器入口煙溫在600 ℃以下；應(yīng)合理配置高、中、低三級(jí)過熱器面積，嚴(yán)格控制過熱器的壁溫，并根據(jù)壁溫計(jì)算情況，合理選擇各級(jí)過熱器材質(zhì)。其中，對(duì)于主蒸汽溫度450 ℃及以上的垃圾焚燒余熱鍋爐，為控制高溫過熱器和中溫過熱器管壁溫度，建議高溫過熱器和中溫過熱器均采用順流布置。