垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀探讨.pdf

文章编号:():./.垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀探讨基金项目:上海市市场监督管理局科技项目()安徽省市场监督管理局科技项目()收稿日期:陈 乐 (上海市特种设备监督检验技术研究院上海)摘要:垃圾焚烧发电是城市生活垃圾处理再利用的重要手段在高温、高压、振动、多元腐蚀性介质及气固液多相流环境下焚烧锅炉受热面管受高温腐蚀影响易发生失效引起运行安全事故 分析了垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀失效机理分析应对措施并对垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀预防及安全评价工作提出相关建议关键词:垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀失效分析中图分类号:文献标识码:作者简介:陈乐()男工程师锅炉检验师硕士研究生 研究方向:电站锅炉无损检测及失效分析 ():.:前言在倡导绿色、环保、低碳生活方式的大背景下垃圾焚烧发电以其“无害化、资源化、减量化”等特点逐步成为生活垃圾处理的主流途径 随着我国生活垃圾产量不断提升高参数大容量垃圾焚烧锅炉的大量投运其安全运行时刻关系着人民生命财产安全并影响着城市生活垃圾环保处理进度 同时随着人民生活水平的提高生活垃圾平均热值也不断提升已远超早期设计焚烧锅炉时考虑的热值另外由于垃圾形状不均质量随季节和地区而变化相应的热值变化幅度较大导致焚烧过程中烟气温度和成分波动也很大图 为典型垃圾焚烧锅炉结构示意图 生活垃圾经炉排传送至炉膛底部燃烧高温烟气冲刷炉膛水冷壁及水平烟道过热器等受热面在高温、高压、振动、腐蚀等多元因素作用及气固液多相流环境下这些受热面管容易发生高温腐蚀引起管壁减薄甚至爆管引发非停 所以有必要研究垃圾焚烧锅炉受热面管高温腐蚀机理完善防范措施并对垃圾焚烧锅炉受热面开展科学有效的预防性检验及安全评价工作垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀探讨图 典型垃圾焚烧锅炉结构示意图 垃圾焚烧锅炉高温腐蚀失效机理高温腐蚀指金属材料与环境介质在高温下发生不可逆转的物理或化学反应而退化的过程 从本质上讲金属腐蚀即金属的氧化过程在腐蚀过程中金属失去电子腐蚀介质获得电子 这里所谓的高温一般指工作环境温度达到金属熔点的.倍以上对于锅炉常用钢来说一般 以上时就可认为是高温腐蚀环境生活垃圾具有组分成分复杂的特点燃烧会产生大量腐蚀性气体、盐类物质、飞灰颗粒气固液多项反应混合发展多孔介质中的传递同项和异项传递交互发生并且受晶界过程、电化学过程和应力演变过程等多重因素的影响 垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀按腐蚀介质的不同形式一般可分为高温气态介质腐蚀、高温液态介质腐蚀和高温固态介质腐蚀.高温气态腐蚀高温气态腐蚀又称干腐蚀 生活垃圾中含有较多的塑料、橡胶制品这些物质燃烧后会产生大量、等腐蚀性气体腐蚀性气体接触到受热面管管壁金属层和氧化层与金属发生反应生成金属氯化物这些金属氯化物具有较低的熔点和较高的蒸气压挥发性较高 所以在含氯气体中受热面管易反应产生挥发性氯化物原金属材质以转变为金属氯化物的形式逐渐腐蚀形成高温腐蚀.高温液态腐蚀高温液态腐蚀又称热腐蚀 焚烧过程所产生的高温烟气中的液态熔盐、低熔点金属氧化物和液态金属(如、)等均为液态腐蚀介质导致受热面金属性能因遭受严重的侵蚀而提前退化 长期处于高温炉膛及水平烟道中的受热面管金属表面粘附燃烧产生的粉尘这些粉尘含有金属氧化物、碱金属以及其他重金属的氯化物和硫酸盐其中、和 都是低熔点的氯化物其他的氯化物如、和 熔点虽不太低但可与其他物质结合形成低熔点的共晶混合物这些液相介质能够溶解氧化膜大大增加了高温部件金属材料的腐蚀速率 如图 所示受热面管表面由于高温液态腐蚀形成麻点凹坑随着腐蚀程度逐渐加深最终引起泄漏爆管图 受热面管高温液态腐蚀.高温固态腐蚀高温固态腐蚀又称磨蚀或冲蚀 主要由燃烧产生的飞灰颗粒冲刷受热面引起局部外表面磨损减薄在烟气走廊和飞灰浓度较大的区域尤为明显高温燃烧环境中飞灰颗粒以一定动能撞击受热面管壁可能剔除极为微量的金属屑日积月累产生宏观可见的磨损或冲蚀 图 为某垃圾焚烧锅炉烟气冲蚀引起的受热面管泄漏图 烟气冲蚀引起的受热面管泄漏 高温腐蚀应对措施为有效应对垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀确保焚烧锅炉高效稳定运行需采取有效应对措施针对性地对锅炉进行预防性的检验及安全评价及时垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀探讨发现和消除设备存在的缺陷确保锅炉安全、环保、经济运行.调整运行工艺垃圾焚烧锅炉运行过程中由于运行工艺控制不当烟气温度波动较大会引发腐蚀速率成倍增加 例如水冷壁和过热器金属壁温过高导致熔盐沉积和腐蚀速率加快 烟气与沉积层以及金属表面温度梯度较大时会引起沉积层和金属壁间的热应力并使沉积层氯离子浓度增加熔点降低 对此运行单位应定期分析入炉垃圾热值必要时将其充分混合尽量稳定炉温 通过调节一次风二次风风量、比例、风温等控制炉膛烟气的出口温度和流速 上述运行参数除利用炉内测点数据反馈调整外还可借助相关有限元模拟软件建立仿真模型开展数值模拟(如图 所示)分析工况时炉内各区域温度、烟气流速以及各组分浓度等结果反馈并调节一二次风至最佳配比同时还可验证受热面结构、烟气排放等是否满足使用及标准要求 针对入炉垃圾热值变化大的问题还应进一步推广垃圾分类或入厂粗筛选择合适料位和配风尽量稳定炉温避免受热面过热 另外应定期对受热面进行清灰工作防止积灰过多提高热效率降低受热面金属腐蚀 通过在垃圾焚烧锅炉中添加燃料添加剂可以改善灰的物理化学性能或者生成不易发生高温腐蚀的金属盐来抑制腐蚀的发生图 焚烧锅炉炉膛燃烧过程数值模拟.优化受热面结构早期设计的垃圾焚烧锅炉并未考虑现今生活垃圾热值大幅提高而部分垃圾焚烧电厂为了提高垃圾处理量增加短期经济效益导致很多垃圾焚烧锅炉存在超负荷运行情况受热面管超温现象明显针对该现象可对锅炉受热面结构进行相应改造例如增加前置蒸发器过热器顺逆流变换等避免过热器由于烟温过高形成高温腐蚀 图 为上海某垃圾焚烧电厂中温过热器逆流改顺流示意图通过工况核算出的进出口管壁温度可看出改造后高温烟气侧 点壁温大幅降低低温烟气侧 点壁温有所提升但仍低于改造前 点壁温可有效降低壁温避免高温腐蚀图 过热器逆流改顺流示意图.运行监测受热面高温腐蚀情况可通过停炉检查和运行监测进行评价 目前基本以停炉金属监督检查为主但该手段并不具备预防的作用 国内外高温腐蚀在线监测技术有:利用喷涂技术将薄铜包裹的光学传感纤维集成到涂层中实现锅炉传热面监测采用新型高温电化学传感器结合无线通信和能量收集热电发生器()实现高温腐蚀监测利用三电极电化学腐蚀速率()传感器测量高温腐蚀速率 另外还可通过研究锅炉燃烧区域烟气成分中、和 等气体浓度与高温腐蚀速率的相互关系建立高温腐蚀模型在实际应用中通过在线监测水冷壁处烟气成分浓度获得实时高温腐蚀速率为锅炉运行优化提供监测手段 通过有效的运行监测手段实时掌握受热面高温腐蚀情况及时采取应对措施可很大程度上降低意外爆管引起的非停.表面防护防腐可采取相应表面防护防腐措施来降低高温腐蚀环境介质对受热面管表面的腐蚀 顾名思义表面防腐即在受热面表面增加一层镍基等材质的防腐层根据防腐层加工工艺不同一般可分为:冷喷涂、垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀探讨热喷涂、堆焊、激光熔覆和微熔焊()冷喷涂该技术无需输入热量直接通过高压气枪喷涂在受热面表面形成复合结晶膜、纳米陶瓷等涂层 该技术简单但成品质量不可控在国内垃圾焚烧炉应用较少()热喷涂该技术使用较为普遍其中火焰喷涂应用相对较多 该技术材料适应性强但喷涂层与基层结合力较低()导致其在垃圾焚烧锅炉受热面喷涂中应用效果不太理想()堆焊即利用常规手工焊或其他焊接方法将具有一定使用性能的合金材料焊丝熔覆在受热面基体表面如图 所示 堆焊技术成熟、质量可靠目前应用较多 但堆焊成本高、效率低且焊接热输入量大一定程度上会影响基材相关力学和使用性能()激光熔覆技术原理如图 所示 该技术利用高能密度的激光能量束同时熔化喷出的金属防腐粉末和受热面材料激光束移开后两者快速凝固形成稀释率极低、防腐材料与受热面管呈冶金结合的熔覆层 相比于目前常用堆焊技术的焊丝激光熔覆防腐金属粉末配比可调还可通过添加具有可熔性、促进流动功能的添加剂改善表面成形图 受热面堆焊 图 激光熔覆原理图 ()微熔焊与激光熔覆方法类似一般先在受热面热喷涂抗腐蚀性的合金粉末以高频电加热或火焰加热输入热能使熔覆层融化在基材表面浸润形成一定厚度的固溶体扩散层使合金粉末与基材相结合总体而言堆焊技术目前普及率最高但具有成本高、效率低和稀释率高等缺点一般适用于中温中压余热锅炉激光熔覆技术效率较低国内发展尚未成熟但由于其熔覆产品耐高温腐蚀及抗磨损性能更好是国内外研究推广热点微熔焊技术对基体的热影响很小成本相对较低值得垃圾焚烧锅炉进行大面积配置和使用 垃圾焚烧锅炉高温腐蚀预防及安全评价在对受热面采取有效防护措施降低高温腐蚀影响的同时还应从源头遏制高温腐蚀的产生 这就需要对各区域受热面管高温腐蚀机理进行全面分析挖掘引起高温腐蚀的关键因素以指导运行工艺进行针对性调整 首先采用实际垃圾焚烧锅炉内结渣和腐蚀产物为研究对象现场取样进行微观分析综合利用 射线衍射、扫描电镜、能谱分析仪和 射线荧光光谱分析仪分析不同区域的腐蚀产物区分并研究不同情况下的腐蚀机理 其次以大容量高参数垃圾焚烧锅炉高温受热面的典型耐热钢和镍基合金等作为研究对象在实验室建立试验平台模拟真实烟气气氛分析腐蚀产物的相稳定性和显微结构揭示氯和碱金属共存烟气气氛下多元体系下高温腐蚀反应机理 进一步可通过计算机有限元仿真系统开展受热面气固液流动数值模拟研究建立燃烧环境和材料界面之间的物质传输模型并使用该模型预测腐蚀速率为遏制垃圾焚烧锅炉受热面管高温腐蚀提供依据为推动垃圾焚烧锅炉的长周期安全高效运行开展合理的安全评价意义重大 首先在积累的垃圾焚烧锅炉高温腐蚀分析数据和其他失效机理的基础之上对运检人员技术水平、工作责任心等情况焚烧锅炉运行状态、结构特点燃料组分及燃烧产物运行制度、检修方案以及锅炉周边可能影响设备稳定性的关键环境因素等进行定性定量分析对各受压部件失效的影响权重进行划分衡量建立垃圾焚烧锅炉安全评价模糊评价数学模型 然后结合垃圾焚烧锅炉运行工艺、部件结构、安全附件、环境、人员和管理等方面的状况按照相关标准通过模糊评价垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀探讨数学模型给出垃圾焚烧锅炉安全评价总的分数及评价级别并对发现的问题给出定性的建议 结语随着早期垃圾焚烧锅炉运行时间的不断增加受热面材料组织劣化、性能下降且磨损增加在特殊的多元多相环境下极易产生高温腐蚀引起减薄甚至爆管等失效事故从根本上探究高温腐蚀机理指导并调整运维工艺可有效降低高温腐蚀的影响 在此基础之上开展科学有效的垃圾焚烧锅炉受压部件安全评价工作对于提高垃圾焚烧锅炉安全运行水平具有重要的意义参考文献祝建中.垃圾焚烧过程中腐蚀气体的生成及高温腐蚀机理研究.广东:华南理工大学.任朝明.垃圾焚烧发电厂高温腐蚀机理及防护技术研究.北京:华北电力大学.李茂东杨波翟伟等.生活垃圾焚烧发电锅炉受热面腐蚀研究现状与进展.清洗世界():.魏宏璞.核阀密封面无钴铁基合金及激光涂层性能研究.江苏:苏州大学.徐火力杨家燚.垃圾焚烧锅炉过热器腐蚀原因分析及对策.能源与环境():.():.:.():.梁绍华黄磊张恩先.锅炉高温腐蚀在线监测技术的研究.动力工程学报():.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():.工业锅炉杂志征稿启事工业锅炉杂志创刊于 年由中国机械工业集团有限公司主管上海工业锅炉研究所有限公司主办的双月科技期刊 本刊系中国学术期刊影响因子年报统计源期刊中国核心期刊(遴选)数据库、中国学术期刊网络出版总库、中文科技期刊数据库全文收录期刊并获全国能源刊物优秀期刊奖杂志主题紧密围绕锅炉行业“绿色低碳、数字化、网络化、智能化、系统安全、再生能源、新能源利用、高效环保”等热点设置“综述与前沿”“战略与决策”“研究与开发”“节能环保与改造”“质量工艺与标准”“新技术与新产品”“动力与采暖”“运行与管理”等栏目杂志征稿包括但不限于以下范围:、基于绿色低碳、能源、环保、安全、质量提升与产业变革的与锅炉相关的发展战略、规划及相关政策、法规、标准等研究、国内外锅炉及热力系统节能技术、环保技术、产品发展、锅炉及系统、关键零部件的设计、制造、运行、监测技术和评估方法研究标准体系建设以及产业体系建设研究、锅炉及锅炉替代(互补)清洁燃料、可再生能源利用技术及产品研发、创新、工业加热装置(系统)与换热技术的研发与应用、民用、商用供热技术及产品、锅炉行业绿色低碳数字化、网络化技术应用、国家及省市科研项目、国际交流合作项目及其研究成果等来稿应为原创性论文格式应符合论文要求内容题材新颖、观点明确、论据充足、结构严谨、文字凝练具有一定理论水平和学术价值 对所投稿件本刊有权根据出版要求对其进行适当删改或调整为鼓励学术研究和创新稿件一经刊用均给予作者适当稿费酬劳在线投稿网址:/./联系电话:联系邮箱:.垃圾焚烧锅炉受热面高温腐蚀探讨