垃圾发电焚烧炉受热面腐蚀及改进措施.pdf

2023年第6 期特种设备安全技术垃圾发电焚烧炉受热面腐蚀及改进措施汪树民石坤熊丨王豪江毅摘要垃圾发电是解决我国城市生活垃圾的主要方式，但是随着垃圾热值和处理能力的提升，楚烧炉受热面经常会出现高温腐蚀和结焦问题。因此从高温腐蚀、氯腐蚀、SNCR引起的腐蚀和积灰诱发腐蚀四个方面分析了发生高温腐蚀的主要原因，并提出了针对性的改进措施，即喷涂防腐涂层和燃烧调整。并通过实际改造证实了喷涂涂层和适当增大二次风风量可以有效改善受热面腐蚀和结焦问题。其中增大二次风量可以降低炉膛烟气温度，使其低于飞灰灰熔点，不容易发生结焦和烧结问题。关键词高温腐蚀结焦、防腐涂层燃烧调整垃圾发电的积灰颗粒很难被冷却，变为熔融颗粒，导致积灰层黏1 引 言性增大，更容易捕捉烟气中的灰颗粒，从而形成更厚的垃圾焚烧发电是处理生活垃圾的一种最有效方式，实现了废弃资源再利用，在我国得到了快速发展-2。但在实际应用中，垃圾焚烧炉很容易发生高温腐蚀问题，是制约垃圾发电发展的主要因素之一。特别随着装机容量不断增大,炉内温度不断升高，高温腐蚀问题就变得更加严重4。相比其他国家，我国生活垃圾成分比较复杂，而且跟季节也有关。生活垃圾中一般含有碱金属、氯和硫等腐蚀性物质，这些物质在燃烧时会释放出来，并且发生复杂的反应，导致垃圾焚烧炉烟气侧受热面腐蚀情况非常严重，腐蚀程度远高于燃煤锅炉。因此国内外很多学者对垃圾焚烧炉受热面的腐蚀情况进行了研究，认为腐蚀区域主要发生在水冷壁、过热器、省煤器和尾部烟道等部位，与烟气中的氯化物、硫化物和碱金属化合物有密切的关系 4。此外，炉内烟气组分、温度和受热面积灰等也会加剧腐蚀程度 5。目前，虽然垃圾焚烧炉高温腐蚀的研究取得了一定的成果，然而腐蚀问题仍然没有得到有效解决，还需要进一步探讨和分析。本文主要从高温腐蚀机理和预防措施角度出发，对垃圾焚烧炉高温腐蚀进行详细的研究。2受热面腐蚀机理2.1高温腐蚀高温腐蚀一般发生在水冷壁和过热器。水冷壁发生高温腐蚀与局部还原性气氛有直接关系，而且还原性气氛越强，腐蚀程度越严重，通常发生在燃烧室交界的位置。过热器发生高温腐蚀主要是HCl、Cl 和SO,等气体引起的。高温腐蚀的另一个原因是炉内温度过高导致的。目前，我国城市实行了生活垃圾分类，生活垃圾的实际热值远高于焚烧炉的设计热值，而且为了提高垃圾日处理量，焚烧炉经常超负荷运行，导致炉内烟气温度过高，管壁温度也很高。已有研究表明，当管壁温度大于350时，管壁的腐蚀速度会明显增大，而且腐蚀速度与温度呈正相关。此外，当管壁温度升高时，沉积表面收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 2积灰层。积灰层变厚会使管壁导热性能变差，还会与管壁发生反应，从而破坏管壁，加剧腐蚀速度 0。2.2氯腐蚀氯腐蚀就是指HCl、Cl 和氯盐诱发的腐蚀，在受热面表面通常有厚厚的积灰层，积灰层与管壁表面之间有一层氯化物FeCl，即管壁表面出现了Cl富集。FeCl,会导致管壁氧化膜变得疏松多孔，最后脱落，管壁更容易被破坏和腐蚀。FeCl,是由 HCl 和 Cl,气体与管壁氧化膜发生腐蚀反应产生的，HCI和Cl,气体是垃圾在焚烧时产生的。当烟气中的HCl浓度大于6 0 0 mg/L时并且管壁温度大于30 0 时，氯腐蚀就会发生，主要表现为管壁氧化膜和管壁出现许多裂痕。Cl离子或Cl,可直接与氧化膜发生反应，形成低熔点的FeCl3，从而破坏氧化膜；然后FeCl还可以向外扩散被氧化，将Cl离子或Cl,重新释放出来，不断破坏氧化膜和管壁，如图1所示。FeFeCl,FeO300-400温度段Fe.0.500-640C温度段HCICl一般当垃圾成分中氯含量大于0.35%时，管壁腐蚀速度就会增加，而且腐蚀程度要比硫腐蚀严重。在腐蚀初期，氯腐蚀速度不断增大，在后期氯腐氯蚀速度趋于稳定。氯腐蚀还会促进K和Na对管壁的腐蚀，特别是碱金属氯化物，它本身熔点很低，在CI的作用下会形成熔点更低的共融体，更容易与管壁发生反应，加速受管壁腐蚀和破损。在垃圾焚烧炉中，CI是引起高温腐蚀的主要诱因。2.3脱硝引发腐蚀垃圾焚烧炉都配有SNCR装置，可以有效减少烟气中NOx的生成，从而达到环保要求。但SNCR会使炉内形成还原性气氛，在还原性气氛中H,S可以稳定存在，并与管壁发生反应生成FeS，腐蚀和破坏管壁，诱发管Fe500益度段Fe:0,FeCl.Fe.O.500温度段水蒸气空气垃圾煲烧炉图1受热面高温氯腐蚀过程HCICl.10特种设备安全技术2023年第6 期壁高温腐蚀问题 8 。炉内还原性气氛越强，H,S浓度就会越高，腐蚀就会更严重。SNCR以尿素为还原剂，尿素在高温下被立即分解为NH，和HNCO等，这些气体可以将烟气中的NOx还原为N2。但是一般情况下HNCO会有剩余，会随烟气一起流动，并在回旋区域形成酸雾，不断腐蚀此区域管壁，加速腐蚀发生，而且尿素本身对金属也有腐蚀的作用。2.4积灰诱发腐蚀垃圾焚烧后会产生灰颗粒，部分灰颗粒会沉积在受热面上形成积灰层。当积灰层中含有碱金属化合物时，例如低熔点的KCl和PbCl,等，此时积灰层很容易转变为熔融状态的灰渣层。这些化合物还会与管壁的氧化膜发生腐蚀反应，形成熔点更低的共晶体，并且沉积在管壁表面，不断地捕集烟气中的灰颗粒，加速受热面的腐蚀和破坏，如图2 所示 9 。燃烧可燃基%有机态C垃圾燃料破碎、挥发有机态无机态无机态CI矿物质中保留的离蚀元素图2 受热面积灰腐蚀示意图此外，当积灰中含有K,SO4和Na2SO4等硫酸盐时，还会发生熔融盐腐蚀，进一步加速管壁腐蚀。过热器发生腐蚀还有温度波动的影响，温度波动会对管壁产生热应力冲击，从而使得管壁出现裂痕，更容易发生腐蚀。通过对过热器和尾部受热面被腐蚀的典型区域进行相关表征分析，可以发现是是温度波动引起的热应力冲击破坏和积灰中氯和硫不断腐蚀管壁共同作用的结果。3改进措施焚烧炉受热面最常见的防腐蚀方式主要有敷设耐火材料、涂层以及采用耐腐蚀管材，还有就是改进燃烧方式。其中，相比耐火材料，涂层不会引起管壁换热效率降低，是受热面防腐蚀的重要方式，也是最直接的方式。而改进燃烧方式是间接阻止高温腐蚀的有效措施。3.1防腐涂层根据喷涂材料种类的不同，可将涂层分为合金涂层、陶瓷涂层和纳米涂层。（1）合金涂层主要是镍系合金涂层和镍铬合金涂层。刘栋等 12 使用Ni60合金粉通过等离子堆焊方式制取了耐高温腐蚀的镍系合金涂层。陈威等 13 通过添加不同量的Mo粉制取了镍铬钻合金涂层，发现Mo粉质量分数在2 0%左右时，镍铬钻合金涂层可以耐高温8 0 0 并且无裂纹产生。（2）陶瓷涂层与合金涂层相比，陶瓷具有更强的耐高温性能，但陶瓷本身比合金要脆，容易损坏。可通过采用独立的陶瓷衬板代替陶瓷涂层来防止陶瓷发生开裂，但陶瓷衬板一般比较厚，会降低受热面的导热性能，这对焚烧炉是不利的。池作和在过热器上涂覆复合陶瓷并研究在S环境下复合陶瓷的抗高温腐蚀性能，结果表明复合陶瓷抗高温腐蚀能力要优于合金涂层。并且采用热化学反应法在2 0 G上喷涂复合陶瓷涂层，发现复合陶瓷还具有抗SO2、H,S气体高温腐蚀的特点，抗熔盐腐蚀能力提高将近2 倍141。（3）纳米涂层纳米颗粒具有体积小、分布均匀和表面活性高的特点，所以在喷涂过程和升温过程中可以被均匀加热，形成的涂层致密性高，可以有效阻止腐蚀介质穿过涂层进入管壁内部。同时纳米氧化物可以有效抑制表面颗粒物长大，具有良好的抗高温性能和抗氧化性能。但目前纳米陶瓷涂层由于工艺和配方限制，涂层并没有进人商业化应用，还需要进一步试验和研究 10 。3.2喷涂方式气体HCI热分解、氧化、0单质气体C：未燃旋燃料底灰细东(Q2um)可挥发性的质蚀成分冷证化学作用同冷藏细颗粒（0.0 2-0.5)底灰主要的涂层喷涂方式包括：堆焊、电弧喷涂、火焰喷涂、激光熔覆和等离子喷涂等，但最常使用的喷涂技术为堆焊、电弧喷涂、火焰喷涂。(1)堆焊堆焊技术能够使得堆焊层与管壁完全的结合，涂层HCI/CI:80受热面管束更加牢固和结实。但堆焊技术对施工要求比较苛刻，很容易引起管道变形，而且重复堆焊会导致堆焊层脆化，甚至产生裂纹或断裂导致堆焊层失效。常用的堆焊材料有Inconel625和C276等镍基合金焊丝，主要成分是Ni、Cr、M o 和其他微量元素，具有良好的耐高温腐蚀性能7。（2）电弧喷涂电弧喷涂技术相对操作简单，喷涂效率高，所以被广泛应用于实际工程中。电弧喷涂是最适合进行现场大面积喷涂的技术。目前国内焚烧炉普遍采用电弧喷涂技术+PS45涂层作为主要的抗高温腐蚀防护措施8 。PS45涂层主要成分是Ni和Cr，其中Cr含量在45%左右。PS45涂层表面一般有Cr.0,和Cr,NiO4的连续薄膜，因此具有更强的耐高温腐蚀性能。（3）火焰喷涂火焰喷涂技术可以选择不同的喷涂材料进行喷涂，可以是金属、陶瓷和大多数的复合材料，喷涂材料的形状也不受限制。火焰喷涂技术也很成熟，并且适应性强，是热喷涂技术中应用最为广泛的一种喷涂工艺。刘晓明等 2 0 采用高速火焰喷涂技术在2 0 钢上涂覆了Fe-Al/Cr.C,涂层，发现涂层内层存在有致密的Al,O,和Cr,O,连续薄膜，抗高温腐蚀性能明显要优于Fe-Al涂层。3.3改进燃烧方式（1）适当调整一次风量当料层厚度在6 0 0 8 0 0 mm时，适当减小一次风量，避免风量太大，垃圾燃烧速度太快而引起炉内超温，从而导致受热面发生高温腐蚀问题，所以，一定要调小一次风量，严格的将控制炉温在8 50 10 2 0，避免超温发生。如果燃烧高热值垃圾（例如橡胶），应该调节二次风来控制炉温，防止超温，必要时可以掺烧低热值的垃圾（例如未发酵过的垃圾）来降低炉温。如果垃圾发酵时间不够，可以将一次风量调大，但不能太大，也就是说料层的厚度和风量要控制好，主要2023年第6 期是根据炉温来调节。这样做的目的是保证受热面不超温，炉内CO浓度不太高，从而抑制受热面高温腐蚀的发生。（2）增设贴壁风贴壁风被广泛应用于煤粉炉中，是有效解决受热面高温腐蚀的方法之一。一般发生高温腐蚀的受热面主要原因是此区域烟气温度太高，CO浓度太高导致的。那么在此区域通入一定量的空气，可以降低此区域的烟气温度，同时还能稀释CO浓度。贴壁风来源于二次风，占总二次风量的5%-10%。通过在发生高温腐蚀的区域增设贴壁风风口，然后贴壁风以直流射流的形式进入炉内，从而阻止炉内烟气向此区域靠近，此时此区域形成低温的弱还原性气氛，缓解高温腐蚀问题。（3）增大二次风量如果受热面多处发生高温腐蚀，可能是因为炉温过高导致的，此时可以适当增大二次风量，降低炉温。同时可以将二次风喷口一分为二，一部分二次风用于提供炉膛燃烧所需空气量，另一小部分二次风用于形成空气幕，使得烟气与受热面保持安全距离，这样炉内就会形成炉膛中心为弱还原性气氛，受热面附近为氧化性气氛的格局，从而有效防止受热面发生高温腐蚀。3.4典型案例（1）锅炉概况及存在问题某垃圾发电厂的垃圾焚烧处理规模为2 2 50 t/d，共有3条焚烧处理线，采用三段式机械炉排炉卧式锅炉，主蒸汽参数为4.0 MPa、450。锅炉结构为：3个垂直辐射烟道和水平烟道、膜式水冷壁、2 组蒸发器、3组过热器、2 组省煤器。运行存在的问题：由于垃圾热值提高，水冷壁和高温过热器的入口烟温超温，出口蒸汽温度波动较大，部分受热面经常发生高温腐蚀，甚至爆管。（2）技术方案对受热面发生腐蚀的位置喷涂防腐涂层。选用80Ni20Cr和Inconel625合金粉材作为涂层材料，涂层材料配比方式为四种，如表1所示。选用Ni-Al合金粉材作为打底层材料，喷涂方式选择超音速火焰喷涂。表18 0 Ni20Cr和Inconel625合金粉材质量配比编号880Ni20Cr质量百分比（%）Inconel625质量百分比（%）#110#220#330#440为了分析研究NaCl+Na,SO/烟气组分对涂层的腐蚀特性，在涂层样品表面涂覆了NaCl+Na,SO4混合盐后，将试样放入高温模拟烟气中进行腐蚀测试。混合盐按NaCl：Na a SO 4质量比为1：3配制，而模拟烟气成分如表2 所示，样品表面混合盐涂覆量约2 mg/cm，2 5%NaCl+75%Na,S04的共晶熔点为6 30。测试温度为6 0 0 和7 0 0，故混合盐在7 0 0 腐蚀条件下处于熔融状态。表2 模拟烟气的成分成分CO2含量17.35%特种设备安全技术(3）结果分析涂层在6 0 0 烟气中的腐蚀特性图3为以Ni-Al打底的不同涂层表面涂覆2 5%NaCl+75%Na,S04混合盐在6 0 0 含0.15%S0,烟气中腐蚀2 0 0 h的增重曲线。由图可知，#1#4涂层总体上表现为增重，但在增重过程中有失重现象。这表明涂层在腐蚀过程中有腐蚀产物生成，同时还伴随腐蚀产物剥落。从增重和失重的幅度看，#2 号涂层（2 0%8 0 Ni20Cr+80%lncone1625）的增重和失重起伏幅度都是最小的，即在腐蚀过程中表现出良好的抗腐蚀性能。+#1#2一#3#42040图3不同涂层样品在6 0 0 烟气中的腐蚀特性涂层在7 0 0 烟气中的腐蚀特性图4为以Ni-AI打底的不同涂层表面涂覆2 5%NaCl+75%NazSO4混合盐在7 0 0 含0.15%SO,烟气中腐蚀2 0 0 h的增重曲线。从图中可以看到，#1#3涂层的腐蚀曲线接近，腐蚀过程中都呈现增重的现象，其中#2 涂层增重最平缓，性能稳定。而#4涂层在第16 0 h出现突然失重，说明腐蚀产物从表面大量脱落，涂层被腐蚀，遭到破坏。+#1+#2+#3+#41020406080反应时间（h）图4不同涂层在7 0 0 烟气中的腐蚀特性结合图3和图4的分析结果可知，#2 涂层的抗腐90蚀性能表现最优。因此，推荐受热面防腐涂层选择#280涂层（2 0%8 0 Ni20Cr+80%Incone1625），并应用于实际70锅炉改造中，受热面腐蚀情况得到了显著改善。604结论本文对垃圾焚烧发电存在的高温腐蚀问题进行了分析，并提出了改进措施，主要结论如下：（1）由于炉内烟气温度较高，受热面会发生Cl和S引起的腐蚀，它们会与金属管壁发生化学反应，从而破坏管壁，其中Cl是引起垃圾焚烧炉受热面腐蚀的主要诱因。（2）受热面防腐措施主要是喷涂耐高温耐腐蚀的02SO,3.5%0.15%.11:6080100120:140160180200220反应时间(h)100120N2涂层和改进燃烧方式。其中堆焊和火焰喷涂是目前最常79%见的喷涂方式。改进燃烧方式主要是增大二次风量来降160180200220.12特种设备安全技术2023年第6 期参考文献低炉内烟气温度。（3）通过对实际焚烧炉进行防腐涂层处理，当涂层采用2 0%8 0 Ni20Cr+80%Incone1625的配比时，涂层在6 0 0 和7 0 0 烟气中的抗腐蚀性能最优。（4)根据炉膛烟气温度变化，适当增大二次风风量，让炉内烟气温度既能保证稳定燃烧，又不高于飞灰的熔融点，从而减少高温腐蚀和结焦问题。1龚维婷.垃圾发电技术现状与发展前景研究 黑龙江科学,2 0 19,10(18):154-155.2 吕玉坤，彭鑫.垃圾楚烧发电技术主要问题及其对策 发电设备,2 0 10,2 4(0 2):138-141.3 王小聪，陈洪君，倪进飞，等。生活垃圾楚烧发电锅炉水冷壁高温腐蚀速率研究 .全面腐蚀控制,2 0 12,2 6(0 9):6 1-6 4.4张楠.垃圾楚烧炉换热器高温腐蚀实验研究 D.天津大学,2 0 16.5Qing-Hai L I,Zhang Y G,Meng A H,et al.On-the-spot Test of theSlagging in a Grate-circulating Bed Garbage Incinerator SuperheaterJJ.Journal of Engineering for Thermal Energy&Power,2012,27(1):55-60.6白贤祥，张玉刚.生活垃圾楚烧厂余热锅炉水冷壁高温腐蚀治理研究 环境卫生工程,2 0 18,2 6(0 3):6 8-7 0.7王平，王昊佳，垃圾楚烧炉的高温腐蚀影响因素与现场防腐对策研究现状 .山东化工,2 0 2 1,50(19):2 7 0-2 7 1.8李茂东，杨波，倪进飞，等.SNCR在城市垃圾楚烧发电锅炉中的应用研究进展 .节能技术,2 0 16,34(0 1):6 3-6 7.9马云峰，白力，李晓东，等.典型生活垃圾炉排楚烧锅炉沿程受热面飞灰理化特性分析 .环境卫生工程,2 0 2 0,2 8(0 3):1-7.（上接第8 页）现异常现象。在2 0 2 1年的内部检验和2 0 2 2 年的内部检验中，其过热器使用状况良好，2 0 2 2 年其中一台锅炉的过热器对流管束情况如图4。由于基本消除了影响锅炉运行的安全隐患，按照TSG11锅炉安全技术规程中相关规定，今后将其内部检验周期恢复为两年。6结束语锅炉安全运行隐患危及到人民的生命财产安全，锅炉事故的产生有可能是由多种因素引发的，多年来国家各相关部门不断完善更新锅炉设计制造使用等法规标准和规章制度，以确保锅炉运行的安全高效经济环保，各地锅炉制造企业的制造工艺水不断提升，锅炉的各项安全控制连锁自动化水平越来越高，锅炉安全运行越来越有保障。这些都让锅炉设备在日常运行中的安全系数大大提高，各地锅炉设备的事故发生率降低了很多，但各种影响锅炉安全运行的事故仍然不断出现，给使用单位造成财产损失甚至生命危害。有些锅炉设10米铁，陈汉平，吴正舜，刘德昌，张世红，生物质灰化学特性的研究,太阳能学报,2 0 0 4(0 2):2 36-2 41.11王利，周正，王国红，等.垃圾焚烧炉热腐蚀问题的表面防护技术 .热喷涂技术,2 0 17,9(0 1):1-6.12刘栋，张磊，刘哲，等.不同工艺制备镍基合金涂层的耐高温磨损性能 .机械工程材料,2 0 19,43(0 1):58-6 3.13陈威.镍铬钻合金高温耐磨涂层制备工艺及其性能研究 D.安徽工程大学,2 0 19.14薛飞，王进卿，池作和.锅炉受热面复合陶瓷涂层的抗高温腐蚀性能 .材料保护,2 0 17,50(0 8):8 0-8 3.参考文献15华隽石，王进卿，池作和，等.锅炉受热面复合陶瓷涂层抗高温腐蚀性能试验研究 .电站系统工程,2 0 16,32(0 1):9-11.16董艳艳，何姗姗，李薇：热喷涂防腐涂层在生物质锅炉中的研究进展 .电力科技与环保,2 0 15,31(0 4):6 0-6 2.17刘亚成.垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀分析及防腐涂层的应用,工业锅炉,2 0 2 0(0 6):41-44.18林茂峻.锅炉受热面NiCr涂层抗高温热腐蚀机制与性能的研究 J.沈阳工程学院学报（自然科学版),2 0 11,7(0 3):2 17-2 2 0.19 Szyma n ski K,Hernas A,Moskal G,et al.Thermally sprayed coatingsresistant to erosion and corrosion for power plant boilers-A review J.Surface and Coatings Technology,2015,268:153-164.20刘晓明，董俊慧，徐润生.不同温度下Fe-Al/Cr_3C_2复合涂层的摩擦学特性研究 .材料工程,2 0 11(0 4):8 0-8 3.作者汪树民石坤熊王豪？江毅？1景德镇市特种设备监督检验中心江西景德镇邮编3330 0 02武汉万曦智能科技有限公司湖北武汉邮编430000备事故的产生原因相同或相近，这些类似性的事故完全可以避免，而且有的使用单位的运行管理措施可以针对性地有效避免出现某类运行安全隐患，这样的经验都很值得借鉴，前车之鉴后事之师，为进一步减少和避免发生锅炉设备安全事故，应该提倡和鼓励一定范围内在同行之间进行经验或教训交流，同时相关部门加强宣传力度，及时对有关的设备事故处理经验或教训进行总结并宣传，安全监管部门和制造维修保养单位应尽职尽责，不仅发现并维修好影响设备安全运行的缺陷，而且要查找其引发的原因并消除这些安全隐患，避免同类事故再次发生。同时使用单位应加强并不断完善锅炉运行安全管理制度，操作人员除按规定程序作业外，也要定期参加学习，及时发现并改正某些习惯性错误，进而降低和图4避免产生锅炉安全运行隐患。浅谈锅炉过热器热偏差的原因及防范措施宁国睿北京国华电力技术研究中心有限公司：2 一种带过热器的SZS型锅炉结构设计张晨吕连周刘武琴文章编号10 0 4-8 7 7 4-（2 0 12）0 6-31-0 3.3 GBT16507.4水管锅炉受压元件强度计算，4 TSG11锅炉安全技术规程。5 JB/T3375锅炉用材料入厂验收规则：6GB/T5310高压锅炉用无缝钢管。作者张学刚上海市浦东新区特种设备监督检验所上海浦东邮编2 0 12 10