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图1 水冷壁高温氯化腐蚀化学反应流程下载原图
目前研究统一的观点是:含Cl物质是引起垃圾焚烧锅炉关键受热面腐蚀的主要诱因,Cl2和HCl均可以“活性氧化”的方式造成腐蚀,HCl还可以直接腐蚀受热面金属。此外,固态盐类氯化物同样具有腐蚀性,特别是碱金属氯化物和重金属氯化物,它们本身熔点较低,混合后形成熔点更低的共晶盐,高温环境下,在金属材料表面形成液相区,与金属氧化膜发生剧烈反应,损毁氧化膜,进而造成受热面的腐蚀失效。
1.4 SNCR系统引发腐蚀
垃圾焚烧锅炉中为了减少烟气中氮氧化物的浓度,大部分都会布置有选择性非催化还原(SNCR)系统来对烟气进行处理。SNCR系统以尿素为还原剂,在炉膛内形成的还原性气氛,会加剧H2S对锅炉水冷壁的腐蚀。当尿素进入温度较高的焚烧炉炉膛内被立即分解,产生NH3、HNCO等,而HNCO在低于1 000℃时,处于惰性状态,不参与反应,而当温度高达1 177℃时,HNCO在高温炉膛内与烟气中的NO产生反应,当反应不完全时,一部分没有充分停留时间的HNCO随烟气一起冲达顶棚,此处烟气温度降至约955℃,此时HNCO呈惰性,不参与反应。由于炉膛内复杂的流动情况,烟气在流动过程中容易产生回旋区域,导致烟气出现一定的滞留。此时,烟气中的HNCO容易在此处形成酸雾,并直接腐蚀水冷壁受热面。此外,尿素本身对金属也有腐蚀作用。国内目前锅炉的烟气脱硝系统上普遍采用较为传统的气力雾化喷枪,这种喷枪结构简单,但存在一个最明显的问题就是这里面的还原剂液滴容易滴漏到水冷壁管或耐火材料上,如果喷枪运行操作不当又容易喷射到对面炉壁上的水冷壁或耐火材料,这就会使水冷壁受热面或敷设的耐火材料受到还原性液体的腐蚀,进而造成受热面腐蚀乃至穿管泄漏。
1.5 积灰诱发腐蚀
垃圾焚烧锅炉受热面积灰中含有氯、硫的碱金属化合物,其中含有的KCl、Pb Cl2、Zn Cl2和Sn Cl2等都是低熔点的物质,在高温烟气作用下容易处于熔融状态。碱金属的硫、氯化合物低熔点灰分沉积盐与金属表层的氧化膜发生氧化还原反应腐蚀基体,他们还其他无机盐共同沉积在金属表面,形成低熔点共晶体,大大降低积灰的熔点,在高温的管壁上产生熔融性的腐蚀性盐,在积灰-金属交界面就会形成局部液相,形成电化学腐蚀氛围,基体金属发生阳极溶解。因此熔融的积灰中Na Cl、K2SO4、Na2SO4等发生化学反应使受热面管氧化性保护层的受损更为严重,这种腐蚀也称熔融盐腐蚀,有时也单独归结为硫腐蚀,焦硫酸盐和碱金属对管壁的熔盐腐蚀有时也归入高温腐蚀范畴。积灰由于其自身有较高的强度,在温度波动的影响下,会对水冷壁产生应力冲击,从而使管壁出现应力破裂,进一步加剧受热面腐蚀破坏。这种腐蚀主要在过热器管、省煤器管发生。
许明磊等对垃圾焚烧锅炉上的过热器、对流管束、省煤器等易受腐蚀的典型区域的积灰进行相关表征分析后认为受热面烧结积灰过程的腐蚀行为属于积灰诱发应力开裂腐蚀,是致密烧结积灰的应力破坏作用和积灰中氯离子扩散腐蚀反应共同作用的结果。
1.6 低温腐蚀
垃圾燃烧后产生的SOx和HCl等气体与水蒸汽形成的酸性化合物,当环境温度低于它们的饱和温度(露点)时就可能凝结引起腐蚀,也称露点腐蚀。烟气露点和管壁温度对低温腐蚀都有影响。锅炉启停或低工况运行时,低温腐蚀更严重。受热面积灰中存在V2O5和Fe2O3时会对腐蚀反应有催化作用。低温腐蚀主要是硫酸和盐酸的腐蚀,主要发生在锅炉尾部烟气温度较低的烟气空气预热器和省煤器。
2 提高锅炉受热面防腐蚀措施
2.1 选择耐蚀材料受热面材料
垃圾焚烧锅炉炉膛内腐蚀性气氛是客观存在的。因此,提高锅炉受热面耐腐蚀性能首先可以从受热面管壁的选材入手。目前,国内垃圾焚烧炉的水冷壁管材大多选用20G材质,过热器管主要是铬镍不锈钢。20G材质水冷壁在常温、中高温的范围内有很高的强度,焊接性能良好,可以满足工作温度范围在723 K以下工况的需求。但若水冷壁工作温度大于723 K,则其腐蚀则十分严重。因此,可选择镍、铬、钼等合金材料制作受热面管壁。还可采用耐腐蚀SANDVIK复合管、哈氏合金等性能更好的管材。在防腐蚀性能方面,镍铁合金要明显优于奥氏体钢。虽然这种措施一次性投入较大,但从减少腐蚀爆管次数角度考虑,经济性还是很高的。
2.2 优化锅炉运行工况
定期分析入炉垃圾热值。热值长期超过设计值时,要充分均匀混合入炉垃圾,改善炉膛内的燃烧情况,减小炉膛结焦情况。要根据垃圾性质的不同,选择合适料位,尽量稳定炉温,避免受热面管壁超温。另外,还可以通过调节一次风、二次风风量、比例、风温等,控制炉膛烟气的出口温度和流速,保证烟气在流通过程中得到充分的扰动,避免出现回流死区,防止局部区域形成酸雾造成严重腐蚀的情况发生。定期对受热面进行清灰工作,防止受热面的管壁外部积灰过多。控制进入过热器入口的烟气温度在700℃以下(最好在600~650℃范围),同时,宜在过热器前布置蒸发器,避免高温过热蒸汽出口直接接触高温烟气,形成高温腐蚀。欧阳小平等研究结果表明向炉膛中加入Ca(OH)2能有效降低烟气中含Cl、S等酸性气体浓度,有效缓解焚烧炉高温腐蚀。
2.3 受热面外敷设耐腐蚀涂层
采用先进焊接堆焊技术和热喷涂技术(如超音速火焰喷涂和热等离子喷涂)在受热面管烟气侧易腐蚀区域喷涂防腐、防磨性能较好的金属粉末,如镍-钨合金粉末、镍-铬复合材料粉末,以及铬、钼、铝、钨、镍合金粉末等。铬-镍涂层和美国45CT涂层的耐高温耐性能较强,而铬-镍的价格远低于45CT的材料。从经济性角度考虑,选用高速火焰的喷涂方式对该焚烧炉受热面外层敷设高镍铬合金,喷涂完后加刷高镉涂剂进行封孔处理,可以延长敷设涂层的使用寿命。
目前还有一种逐步推广应用的CMT(Cold Metal Transfer)堆焊技术,是在水冷壁上堆焊Inconel625,采用数字化技术精准控制钼、镍、铬、铁等元素含量,厚度、稀释率参考值分别为2.5 mm、5%,防腐层抗腐蚀性能好,存在的主要问题是成本较高,把超音速火焰喷涂或热等离子体喷涂与Inconel 625结合是比较经济的组合方式。
2.4 安装受热面腐蚀监测系统
安装受热面腐蚀监测系统是应对受热面管烟气侧腐蚀的一种有效预警预报手段。它主要是通过在受热面腐蚀敏感区域布置监测点,实时监测受热面上的腐蚀情况,例如观察积灰情况、监测烟气温度、管壁温度等,跟踪预报受热面腐蚀状况,通过严格监测控制过热器的温度避免超温等,同时,还可预测受热面使用寿命,进而为锅炉制定有针对性的检修计划,确保受热面管壁的使用安全。
3 结语
锅炉受热面管的可靠性,直接关系到垃圾焚烧锅炉的安全有效运行。预防圾焚烧锅炉受热面腐蚀问题从受热面自身来说,可以通过选择耐腐蚀性能好的原料作为管材,或者在管壁面外敷设耐火耐腐蚀材料来提高抗腐蚀性能。从外部环境而言,则可以通过改善炉膛燃烧状况来避免烟气超温,以及建立监测系统来实时监控炉膛各处温度,来有效控制受热面的腐蚀状况在合理范围内,应结合锅炉实际从经济性和安全性相一致角度来选择以上一种或几种腐蚀措施来保证锅炉安全经济运行。
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