垃圾焚烧电厂的飞灰腐蚀及防护涂层应用

摘要

垃圾焚烧飞灰因含有可溶性盐通常会对烟气净化设备带来严重的腐蚀问题。本文选取某垃圾焚烧电厂的布袋灰和反应塔灰进行研究，分析了两种飞灰的物相组成、微观形貌和潮解特性，测试了飞灰腐蚀防护专用涂料涂装后的Q235B钢板和裸板在不同飞灰溶液下的Tafel曲线，通过在某垃圾焚烧电厂飞灰螯合间打包机料斗上试用专用防护涂料评估实际防腐效果。研究表明：两种飞灰均由KCl、NaCl、SiO₂、CaSO₄、CaO等晶相组成，颗粒易吸湿形成疏松多孔的团聚体，吸水率随温湿度的升高而升高；布袋灰Cl含量、吸水率和腐蚀速率显著高于反应塔灰；飞灰腐蚀防护专用涂料提高了Q235B钢板的腐蚀电位，显著降低了腐蚀电流，对飞灰腐蚀具有良好的防护效果。

关键词：垃圾焚烧电厂；飞灰；腐蚀；防护涂层

0前言

随着我国经济增长和城市化进程加快，生活垃圾数量逐年增多，垃圾焚烧发电作为垃圾减量化、无害化、资源化处理的首选技术，近年来发展十分迅速。垃圾焚烧利用热能转化为电能的同时，也会产生废气、飞灰、炉渣以及渗沥液等不同形态的废弃物，其中飞灰含有二噁英、呋喃及Hg、Pb、Cd、Cu、Cr及Zn等重金属有害物质^{[1, 2]}，依据《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）规定：“生活垃圾焚烧飞灰应按危险废物进行管理”^[3]。垃圾焚烧飞灰一般为灰白色或深灰色细小颗粒，具有密度低、比表面积大、孔隙率高、含盐量高、弱酸性、吸水性强等特性^{[4, 5]}，其粘附在金属设备表面（如飞灰间设备、布袋除尘器和尾部烟道等）极易引发电化学腐蚀，腐蚀后不但影响设备寿命和外观，还会增高系统氧含量，导致排放指标波动，引风机电耗增加，二噁英记忆效应增强^[6]，严重时造成设备被迫停炉检修，影响电厂运营效能。因此，预防垃圾焚烧电厂飞灰腐蚀对延长烟道和设备的使用寿命，提高垃圾焚烧电厂的运行效率具有重要意义。

1 试验

1.1 材料

飞灰取自某垃圾焚烧发电厂的布袋除尘器和反应塔，分别命名为布袋灰和反应塔灰，编号分别为BD和FYT；防护涂料为江苏科辉环境科技有限公司提供的双组分飞灰腐蚀防护专用涂料。

1.2 试验方法

将飞灰放入真空干燥箱中110℃干燥直至两次称量的质量基本不变视为干燥完成，计算含水率。通过X射线衍射仪（XRD）分析晶相组成，利用扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，通过X-射线能量色谱仪（EDS）测试微区元素组成。采用CHI660E型电化学工作站测试Q235裸板和涂装双组分耐飞灰腐蚀专用防护涂料样板的防腐性能。Tafel测试电位扫描速率为0.001V/s，电解液为1wt.%、2.5wt.%、5wt.%的布袋灰和反应塔灰溶液。

2 结果与讨论

2.1 飞灰理化性能分析

图1是布袋飞灰和反应塔飞灰的XRD图。由图1可知，布袋和反应塔飞灰的主要物相组成相近，主要为NaCl、KCl、CaSO4、SiO2、CaO。经测布袋灰的含水率为10.07%，反应塔灰的含水率为8.98%，布袋灰的含水率高意味着其比反应塔灰更易导致设备腐蚀。图2是布袋灰和反应塔灰的SEM和EDS图。如图所示，飞灰颗粒极易团聚，形成表面粗糙且具有孔隙结构的疏松团聚体，这吻合其吸湿性强，含水率大的结果。两种飞灰的主要元素为C、K、Na、Cl、O、Ca、S、Si、Mg等。值得关注的是，布袋灰中Cl的重量百分比高达32.35%，而反应塔灰中Cl含量仅为14.95%，高Cl含量意味着布袋灰的腐蚀性比反应塔灰更强^[7,8]。反应塔灰中Ca含量比布袋灰高，这可能与喷入脱酸剂Ca(OH)₂有关。

图1布袋飞灰和反应塔灰的XRD图

图2 布袋灰(a)和反应塔灰(b)的SEM和EDS图

2.2 飞灰的潮解与腐蚀

图3和图4给出了温度、湿度对飞灰吸水率的影响。如图3，当湿度为50%时，随着温度的升高，飞灰的吸水率总体呈增加趋势，其中，反应塔灰的吸水率受温度的影响更加明显。如图4，当温度为20.5℃时，飞灰的吸水率随着环境湿度的升高而升高；当湿度高于40%，其吸水率趋于饱和，湿度的增加对其影响减弱。比较而言，环境湿度对飞灰吸水率和潮解特性的影响更显著。

图3 湿度为50%飞灰吸水率随温度的变化

图4 温度为20.5℃飞灰吸水率随湿度的变化

2.3 电化学表征

图5是裸板和涂层样板在不同浓度飞灰溶液中的Tafel曲线，其分析结果见表1。对裸板而言，当飞灰浓度为1 wt.%时腐蚀电流较大，说明腐蚀速率较快；当飞灰浓度增加至2.5wt.%时，腐蚀电位向正向移动且腐蚀电流略有上升，这与钢板表面生成钝化膜有关。当飞灰浓度增至5wt.%时，腐蚀电位下降，腐蚀电流显著提高，说明钝化膜活化，腐蚀速率增加。总体而言，裸板在布袋灰中的腐蚀电流高于反应塔灰中的腐蚀电流，即布袋灰更易引发腐蚀且腐蚀速率更快。

对涂有专用防护涂料的涂层样板而言，随着飞灰溶液浓度的增加，涂层样板的腐蚀电流缓慢增加。通过比较涂层样板和裸板的腐蚀电位和腐蚀电流发现，所有涂层样板的腐蚀电位均高于裸板，腐蚀电流均比裸板小一个数量级，这说明涂装飞灰腐蚀防护专用涂料显著提高了Q235钢板在飞灰溶液中的防腐性能。

图5 裸板(a)和涂装防护涂层的样板(b)在不同飞灰溶液中的Tafel曲线

表1 Tafel测试结果

2.4 防护涂料的工程应用案例

垃圾焚烧电厂飞灰间通常是飞灰腐蚀的“重灾区”，为了保持飞灰间设备和钢构的美观，一般每隔3个月就需要进行重新涂装。本文采用江苏科辉环境科技有限公司的双组分飞灰腐蚀防护专用防护涂料对某垃圾焚烧电厂飞灰螯合间的打包机料斗进行试验，如图6。2021年10月完成对灰斗的涂装，2022年9月和2023年8月分别进行回访，发现料斗外部涂料总体保持完好，说明该涂料对抑制飞灰的腐蚀具有良好效果。

图6 双组分耐飞灰腐蚀防护专用涂料在飞灰间打包机料斗上的使用效果

3 结论

本文选取某垃圾焚烧电厂的布袋灰和反应塔灰进行了研究，比较并分析了两种飞灰的物相组成、微观形貌、潮解特性以及对Q235B钢的腐蚀作用以及飞灰腐蚀防护专用涂料的防腐效果。两种飞灰均由KCl、NaCl、SiO₂、CaSO₄、CaO等晶相组成，颗粒易吸湿形成疏松多孔的团聚体，吸水率随温湿度的升高而升高。布袋灰Cl含量、吸水率和腐蚀速率显著高于反应塔灰。涂装双组分飞灰腐蚀防护专用涂料提高了Q235B钢的腐蚀电位，显著降低了腐蚀电流，在Tafel测试和实际工程应用中均表现出良好的防腐性能。

参考文献

[1]侯霞丽. 生活垃圾焚烧飞灰特性对二噁英生成影响的研究 [D]. 杭州: 浙江大学, 2015.

[2]Lou Y, Jiang S, Du B, et al. Leaching morphology characteristics and environmental risk assessment of 13 hazardous trace elements from municipal solid waste incineration fly ash [J]. Fuel, 2023, 346: 128374.

[3]GB 18485-2014. 生活垃圾焚烧污染控制标准[S].

[4]缪建冬, 郑浩, 陈萍, 等. 杭州地区生活垃圾焚烧飞灰基本特性分析 [J]. 浙江理工大学学报（自然科学版）, 2018, 39(05): 642-650.

[5]许鹏. 碱活化垃圾焚烧飞灰制备绿色砖材工艺及环境风险评估 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2021.

[6]傅立珩, 杜海亮, 陆浩, 等. 记忆效应对垃圾焚烧炉湿式洗涤塔中二噁英浓度的影响及调控方法[J]. 环境卫生工程, 2020, 28(06):71-75.

[7]Yao N, Zhou X, Liu Y, et al. Synergistic effect of red mud and fly ash on passivation and corrosion resistance of 304 stainless steel in alkaline concrete pore solutions [J]. Cement and Concrete Composites, 2022, 132: 104637.

[8]杜钢, 李光茂, 朱晨, 等. 不同环境条件下可溶性沉积盐对金属大气腐蚀的影响[J]. 环境技术, 2021,39(05):94-100.

作者介绍

陈维旺²，罗小栋³，周建富³，阳洪良⁴，彭宏⁵，陆洪彬¹

（1，南通大学化学化工学院，江苏 南通 226019；

2，江苏科辉环境科技有限公司，江苏 南通 226019；

3，光大环保能源（苏州）有限公司，江苏 苏州 215101；

4，光大环保能源（惠东）有限公司，广东 惠东 516300；

5，重庆市涪陵区三峰环保发电有限公司，重庆 408115）