(中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006)

醫(yī)療廢物焚燒裝置煙氣換熱器腐蝕分析

楊麗莉 李曉海 鄭博文

(中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006)

某醫(yī)療廢物焚燒裝置長期運(yùn)行過程中，換熱器出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，通過換熱管取樣樣品的宏觀與微觀觀察分析，得出：換熱管的主要腐蝕形式為應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕和磨損腐蝕及高溫熔鹽腐蝕。針對設(shè)備的上述腐蝕形態(tài)，給出了防腐蝕建議，并根據(jù)防腐蝕建議，采取了相應(yīng)的設(shè)備改進(jìn)措施。

醫(yī)療廢物 換熱器 腐蝕

0 前言

醫(yī)療廢物是醫(yī)院、診所、衛(wèi)生防疫、保健、檢驗(yàn)等與其他醫(yī)療衛(wèi)生單位及有關(guān)單位產(chǎn)生的廢棄物的總稱。由于醫(yī)療廢物中含有大量的傳染性病原微生物、病菌、病毒、具有空間傳染、急性傳染和潛伏性傳染等特征，其病毒菌的危害是普通城市生活垃圾的幾十倍甚至數(shù)百倍，對人類的身體健康和社會公共衛(wèi)生安全造成嚴(yán)重威脅，因此，醫(yī)療廢物的無害化處理顯得十分重要。

焚燒作為一種有效地醫(yī)療廢物處理方法，受到人們的廣泛關(guān)注。由于醫(yī)療廢物成分復(fù)雜且含有塑料、橡膠等物質(zhì)，其燃燒后會產(chǎn)生大量有害氣體。如HCl、SOX、NOX等。為了控制排入大氣中的氣態(tài)污染物濃度在(GB18484-2001)《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的范圍內(nèi)，須對煙氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行凈化。其中，換熱器作為煙氣凈化系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)備，其作用是將煙氣進(jìn)行冷卻。由于該過程處于高溫、酸性介質(zhì)環(huán)境，設(shè)備須承受不同的物理、化學(xué)、機(jī)械等熱負(fù)荷。設(shè)備與管道的腐蝕一方面存在放射性物質(zhì)泄漏安全與環(huán)境污染問題，另一方面會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，換熱器的防腐蝕是一個(gè)不容忽視的問題。

1 換熱器的工作介質(zhì)與條件

某廠焚燒裝置采用熱解焚燒工藝處理醫(yī)療廢物，處理能力為5t/a，長期運(yùn)行過程中，換熱器出現(xiàn)腐蝕、泄漏現(xiàn)象。該換熱器選用水冷與空冷相結(jié)合的不銹鋼管殼式換熱器，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，上段為水冷，下段為空冷，兩段通過法蘭進(jìn)行對接。煙氣走管程，冷卻水和空氣走殼程。煙氣的主要成分有HCl、SOX、NOX、灰塵等。進(jìn)口溫度約800℃，出口溫度約400℃，設(shè)備運(yùn)行一年后，腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。圖1為換熱器的簡單示意圖。

圖1 換熱器示意圖

圖2 樣品SEM形貌圖

圖3 樣品金相分析圖

2 換熱管的宏觀與微觀分析

2.1 宏觀檢查

管板表面和換熱管內(nèi)表面呈鐵銹紅色，腐蝕最嚴(yán)重的地方為水冷和空冷對接處，即水冷換熱管的底端和空冷換熱管的頂端。水冷管的頂端并未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕?？绽涔茼敹溯^為嚴(yán)重，出現(xiàn)晶粒突出，流線型裂紋及縱向槽、溝。且距管口3～4mm的角焊縫處，腐蝕嚴(yán)重的換熱管管端已斷裂，少數(shù)換熱管內(nèi)壁存在裂紋。此外，換熱管中間段內(nèi)壁有附著物沉積。

2.2 微觀分析

腐蝕較嚴(yán)重的換熱管內(nèi)表面，從表觀上可以看到不同形式的裂紋。從管上取腐蝕最嚴(yán)重的部位制樣，進(jìn)行SEM掃描。圖2為樣品的SEM形貌。由圖可知：腐蝕產(chǎn)物疏松多孔，已不存在致密的鈍化保護(hù)層，因此，氧容易進(jìn)入表層產(chǎn)生腐蝕。

取腐蝕較為嚴(yán)重的列管截面，制成金相試樣在電子顯微鏡下觀察，由圖3可知：該腐蝕形式為應(yīng)力腐蝕，腐蝕類型為穿晶型。

3 原因分析

通過宏觀、微觀觀察，可判斷，換熱管腐蝕情況主要有如下幾種形式：縫隙腐蝕、磨損腐蝕、應(yīng)力腐蝕和高溫熔融腐蝕。

3.1 應(yīng)力腐蝕

換熱器在運(yùn)行過程中，應(yīng)力、溫度較高，其應(yīng)力主要源于拉應(yīng)力和熱應(yīng)力，拉應(yīng)力來自焊接、冷加工等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。熱應(yīng)力則來自于管子與殼體間的溫差，管板、殼體的軸向、徑向溫差及由于流場分布不均或由于結(jié)垢引起的局部溫差變化。該設(shè)備中管殼程壓力差只有0.05MPa，故工作壓力很小，且換熱器焊后也經(jīng)過了整體熱處理，所以，加工應(yīng)力也不大。但由于管程溫度很高且溫差很大，因而，熱應(yīng)力是主要來源[1]。

應(yīng)力腐蝕開裂與環(huán)境相關(guān)，開裂是應(yīng)力與環(huán)境共同作用的結(jié)果。而且往往是由特定離子引起的。對奧氏體不銹鋼來講，若介質(zhì)中存在氯離子，很容易發(fā)生腐蝕開裂。由于煙氣中含有HCl、SO2等酸性氣體，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，每次開停車都不可避免產(chǎn)生一些酸性氣體的冷凝液，并流入管端周圍的環(huán)隙處，滯留不動并得以濃縮，再加上介質(zhì)溫度很高，故具備了應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境條件。這也是兩管段間嚴(yán)重腐蝕而頂端水冷管不發(fā)生腐蝕的原因。

3.2 縫隙腐蝕

由于該換熱器水冷段和空冷段以法蘭形式對接，因此，上段的水冷管和下段的空冷管的法蘭對接處存在間隙，長期運(yùn)行過程中，煙氣中夾雜的顆粒物會沉積于間隙處并在金屬表面形成狹小縫隙，當(dāng)系統(tǒng)停車時(shí)，煙氣中的酸性氣體(HCl, SO2等)會結(jié)露并滯留在管段間縫隙處，由于縫內(nèi)溶液處于滯留狀態(tài)，溶解氧耗盡后得不到補(bǔ)充，而縫外溶解氧可得到補(bǔ)充，從而使縫內(nèi)外形成濃差電池，縫內(nèi)金屬離子大量溶解，縫外氯離子不斷遷入以保持中性，隨著縫內(nèi)金屬氯化物的水解，pH值下降，進(jìn)一步促進(jìn)兩段對接處金屬的溶解、腐蝕。此外，管子與管板間的焊縫處也易發(fā)生縫隙腐蝕。

3.3 磨損腐蝕

管程采用水冷管和空冷管相對接的方式，對接處存在一定間隙，在煙氣的高速沖擊下，兩段相接處會產(chǎn)生湍流，湍流使介質(zhì)與金屬的表面接觸更加頻繁，并在金屬表面附加一個(gè)切應(yīng)力，從而造成磨損腐蝕。由于煙氣中含有煙塵，會增強(qiáng)切應(yīng)力的力矩，使腐蝕加劇。

3.4 高溫熔融鹽腐蝕

煙氣中的HCl在露點(diǎn)以下對不銹鋼腐蝕嚴(yán)重，超過露點(diǎn)，腐蝕反而下降，直到260℃以上，HCl氣體與鋼鐵的高溫反應(yīng)又激烈增加，不銹鋼在260℃以下鹽酸露點(diǎn)以上的溫度區(qū)間耐干氯化氫腐蝕。在400～600℃范圍內(nèi)，氯化氫與金屬反應(yīng)最為活躍。該裝置中，換熱器內(nèi)煙氣中的氯容易與Fe生成的FeCl3和FeCl2等低熔點(diǎn)化合物，并以液相存在于附面溶池中，與管壁進(jìn)行高溫熔融鹽腐蝕[2]。此外，煙氣中含有一些類似ZnCl2、PbCl2等易揮發(fā)的低熔點(diǎn)化合物，在設(shè)備運(yùn)行過程中，會以液態(tài)形式粘附在換熱管內(nèi)表面上，從而造成高溫熔融腐蝕并堵塞換熱管。

4 建議

(1) 由于醫(yī)療廢物焚燒裝置換熱器的介質(zhì)環(huán)境為高溫?zé)煔?，設(shè)備遭受的腐蝕形態(tài)主要有高溫腐蝕及酸性氣體冷凝誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕，縫隙腐蝕等。因此，設(shè)備選材時(shí)既要考慮到材料的抗高溫腐蝕性，又要考慮材料的抗應(yīng)力腐蝕、孔蝕性、耐磨性及機(jī)械性等。

(2) 焊接時(shí)，盡量選用塑性好、純度高、抗裂紋性能好的焊絲及焊接材料。換熱管與管板間采用焊接法，焊接處的殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力集中，可能引起應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，從而使設(shè)備發(fā)生泄漏，一方面，焊接時(shí)需打磨管端，清理焊接區(qū)域的污物，另一方面，從焊縫質(zhì)量要求出發(fā)，內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)[3]是一種較好的選擇，該技術(shù)解決了管子與管板接頭處應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕的問題。

(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免死角、縫隙，以消除氯離子的滯留、局部濃縮。

(4) 采用犧牲陽極保護(hù)法[4]，管板采用碳鋼襯不銹鋼板。在氯離子存在的介質(zhì)環(huán)境中，碳鋼為陽極，不銹鋼為陰極，利用碳鋼對不銹鋼起到了陰極保護(hù)作用。從而減緩換熱管與管板連接處的腐蝕。

(5) 向爐內(nèi)添加防腐劑，選擇一些能與灰中成分形成高熔點(diǎn)化合物的添加劑，使其不生成低熔點(diǎn)復(fù)合氯化鹽、硫酸鹽，減輕換熱管內(nèi)壁的熔融鹽腐蝕。通常選用CaO, MgO等化合物，一方面可中和酸性氣體，減輕酸性氣體對設(shè)備的腐蝕，另一方面可減輕設(shè)備材料的熔鹽腐蝕。

5 改進(jìn)措施及效果

綜合考慮上述建議，該焚燒設(shè)施對設(shè)備進(jìn)行了整改，在水冷段和空冷段間增加了不銹鋼空腔，避免了冷凝液的滯留，減輕設(shè)備腐蝕。此外，在換熱器頂部裝一吹掃系統(tǒng)，設(shè)備停車后，對換熱器進(jìn)行吹掃，可避免煙氣的冷凝和溶液的滯留。設(shè)備改進(jìn)后，運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)腐蝕泄漏現(xiàn)象。

6 結(jié)語

換熱器是焚燒爐腐蝕最為嚴(yán)重的設(shè)備之一，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從材料、結(jié)構(gòu)、焊接、工藝等各方面進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行過程中，應(yīng)盡量減少設(shè)備停車次數(shù)，從而減少因煙氣冷凝對設(shè)備造成的腐蝕。

[1] 王軍. 中溫?fù)Q熱器失效分析[J]. 河南化工. 2002.7: 44.

[2] 左軍, 陳恩鑒等. 垃圾焚燒爐過熱器的高溫腐蝕與研究概況[J].鍋爐技術(shù), 2002, 33(3): 26.

[3] 張作為. 犧牲陽極法在換熱器防腐中的應(yīng)用[J]. 化工裝備技術(shù). 2000, 21(4): 53.

[4] 宋曉磊. 管殼式換熱器管-管板的連接及失效形式[J]. 科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì). 2007, 17(24): 286.

The Corrosion Analysis of Heat Exchanger for Medical Waste Incinerator

YANG Li-li, LI Xiao-hai, ZHENG Bo-wen
(China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China )

By means of macro-inspection ,metallographic analysis，scanning electron microscope, the corrosion reasons of the incinerator’s heat exchanger are analyzed, it was shown that the major reasons are stress corrosion，crevice corrosion, wear corrosion, high temperature molten salt corrosion. Aiming at these corrosion behavior, give some advices of corrosion protection, and improve the equipment.

medical waste; heat exchanger; corrosion

TG174

A

楊麗莉 (1982－) ，女，山西朔州人，學(xué)士，助理研究員，主要研究方向?yàn)楣腆w廢物焚燒技術(shù)。