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(jì)劃停機(jī)。

1 垃圾焚燒鍋爐的腐蝕機(jī)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(jī)制：

1.1 氣相腐蝕機(jī)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(jī)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(kuò)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(kuò)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(diǎn)共晶 （即以最低熔點(diǎn)為特征的鹽溶液） 溶解保護(hù)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(jì)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(yùn)行可以提高汽輪機(jī)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(diǎn)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(hù)層斷裂、氧化物內(nèi)部點(diǎn)缺陷擴(kuò)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(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，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(kuò)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(hù)方法

借鑒多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)過程控制，特別是盡量減少氣體溫度波動；②設(shè)計(jì)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(qiáng)氣體混合；或改變鍋爐過熱器設(shè)計(jì)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(shí)際鍋爐運(yùn)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(hù)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(hù)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(hù)耐火材料襯里的價格，但I(xiàn)nconel合金625的成本可通過減少耐火材料的維護(hù)成本得到部分補(bǔ)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(jìn)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(qiáng)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(kuò)展到基體金屬中。熱噴涂工藝可提供堅(jiān)硬、致密、足夠厚和致密涂層，孔隙率可降低至1%以下，遠(yuǎn)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(jì)。鍋爐有兩種主要流道設(shè)計(jì)：垂直和水平。針對沖蝕—腐蝕問題，設(shè)計(jì)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(yùn)行條件下，過熱器管束在垂直設(shè)計(jì)鍋爐中，具有較少氣體流道，比水平設(shè)計(jì)鍋爐中管有更多臨界腐蝕問題，因?yàn)榍罢呤艿捷^高金屬溫度和煙氣流動速度影響。水平設(shè)計(jì)缺點(diǎn)是它比垂直設(shè)計(jì)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(diǎn)是需要持續(xù)注入化學(xué)品，增加運(yùn)行成本和飛灰量[3]。

（5） 改進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)際的垃圾焚燒鍋爐中，并顯示出不同程度的有效性。