張政，袁旗斌

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

引言

余熱鍋爐作為垃圾焚燒系統(tǒng)中的核心設(shè)備，具有舉足輕重的地位。生活垃圾焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，與余熱鍋爐進(jìn)行換熱，余熱鍋爐內(nèi)的水在吸收高溫?zé)煔獾臒崃亢螅罱K變?yōu)檫^熱蒸汽去推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電[1]。而余熱鍋爐內(nèi)水與高溫?zé)煔鈸Q熱是要通過布置在爐內(nèi)各個(gè)受熱面來實(shí)現(xiàn)的。因此，如何防止各個(gè)受熱面的腐蝕至關(guān)重要[2-4]。

我國生活垃圾成分復(fù)雜，具有高水分、低熱值的特點(diǎn)，生活垃圾在焚燒爐燃燒時(shí)，會生成大量的HCl、SOx、NOx等有害腐蝕性氣體，尤其是煙氣中的HCl及其他含氯化合物[5,6]，對余熱鍋爐受熱面具有很強(qiáng)的腐蝕性，嚴(yán)重威脅余熱鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，當(dāng)提高主蒸汽參數(shù)時(shí)，雖然垃圾焚燒廠整體效率提高[7]，但也會加大余熱鍋爐受熱面腐蝕的機(jī)率[8]。因此，有效的防腐措施可保證余熱鍋爐安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

1 生活垃圾余熱鍋爐腐蝕機(jī)理分析及腐蝕防治措施

生活垃圾余熱鍋爐腐蝕環(huán)境復(fù)雜，主要表現(xiàn)為高溫腐蝕[9,10]，如受熱面處于O2-HCl-Cl2-SO2-H2O等混合煙氣中引起的高溫氧化、氯化和硫化等腐蝕，還有飛灰熔融沉積在受熱管壁形成重金屬及堿金屬硫酸鹽和氯鹽引起的鹽腐蝕。此外，余熱鍋爐受熱面積灰和煙氣溫度對余熱鍋爐高溫腐蝕均會產(chǎn)生較大的影響。

1.1 生活垃圾余熱鍋爐腐蝕機(jī)理分析

1）氯化腐蝕

生活垃圾中的橡膠、皮革、塑料、合成樹脂和餐廚垃圾中的氯化鹽等物質(zhì)中含有大量的氯元素，這些有機(jī)和無機(jī)氯化物在垃圾焚燒爐內(nèi)高溫燃燒后的主要產(chǎn)物為Cl2和HCl，其對余熱鍋爐的受熱面金屬管材具有很強(qiáng)的腐蝕作用。腐蝕機(jī)理如下：

Cl2和HCl與生活垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面金屬管壁的鐵（Fe）和氧化膜（Fe2O3）發(fā)生反應(yīng)，生成較低熔點(diǎn)且較易揮發(fā)的FeCl3，而FeCl3揮發(fā)后迅速與爐膛內(nèi)的氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，又重新生成Cl2和HCl，使得高溫氯化腐蝕反應(yīng)持續(xù)反復(fù)進(jìn)行，對管材表面的腐蝕亦持續(xù)存在，從而對余熱鍋爐受熱面造成嚴(yán)重的腐蝕。

此外，生活垃圾在燃燒不充分時(shí)，很容易形成還原性氛圍，煙氣中的CO和H2S會破壞已形成在金屬管壁表面的氧化鐵層，之后與管壁金屬化合成FeS，出現(xiàn)硫化腐蝕。且FeS遇到氯化物會反應(yīng)生成氣態(tài)的FeCl2和H2S，使得腐蝕更加嚴(yán)重。

2）積灰對鍋爐受熱面腐蝕的影響

①積灰產(chǎn)生的鹽腐蝕

生活垃圾中含有大量的灰分，在焚燒爐內(nèi)燃燒后飛灰會夾帶在煙氣中，熔融和燒結(jié)而黏附在余熱鍋爐受熱面管壁上。管壁黏附物中含有金屬氧化物、低熔點(diǎn)高濃度的堿土（K、Na、Ca等）、重金屬的氯化物和硫酸鹽等，它們與管壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生堿金屬復(fù)合硫酸鹽（Na2SO4、FeS、Na3(FeSO4)3等），導(dǎo)致腐蝕出現(xiàn)。

這些金屬氯化物（NaCl、KCl、FeCl3、PbCl2、ZnCl2和SnCl2等）除了直接侵蝕金屬合金外，在高溫環(huán)境下還可以產(chǎn)生Cl2和HCl，出現(xiàn)氯化氫腐蝕。另外，堿金屬氧化物與SO3化合成堿金屬硫酸鹽而沉積在金屬表面，其在周圍還原性氣氛中又迅速分解出SO3，并向金屬深層擴(kuò)散，造成新一輪的腐蝕。

因此，金屬氯化物和堿金屬硫酸鹽腐蝕是生活垃圾焚燒余熱鍋爐金屬管壁腐蝕的主要原因。且這些物質(zhì)在生活垃圾中的含量越高，余熱鍋爐受熱面腐蝕就越嚴(yán)重。

②積灰使鍋爐受熱面?zhèn)鳠釔夯g加劇

隨著煙氣中的飛灰不斷地牢固貼附在受熱金屬管壁表面，余熱鍋爐受熱面管束的導(dǎo)熱系數(shù)降低，熱阻增大，使得受熱面管束的傳熱能力迅速降低，受熱面內(nèi)外壁溫差由清潔時(shí)的5～10 ℃增大至30～50 ℃，壁面溫度升高，從而加速受熱面管束的高溫腐蝕。

余熱鍋爐受熱面腐蝕速率與管壁溫度之間的關(guān)系如圖1所示，管壁溫度從320 ℃開始，就會發(fā)生高溫腐蝕；在320～480 ℃區(qū)域內(nèi)，腐蝕速率逐步增大，主要表現(xiàn)為氯化亞鐵和堿性硫酸鐵腐蝕，為弱腐蝕區(qū)；在管壁溫度超過450 ℃后，腐蝕速率迅速增大，在600～700 ℃時(shí)腐蝕速率最大，主要表現(xiàn)為氯化亞鐵和堿性硫酸鐵液相腐蝕，為強(qiáng)腐蝕區(qū)。

圖1 余熱鍋爐受熱面管壁溫度與腐蝕速率的關(guān)系

受熱管壁溫度越高，腐蝕就越嚴(yán)重；而受熱面管壁溫度不僅與煙氣溫度有關(guān)，還與受熱管內(nèi)水或蒸汽的溫度有關(guān)。

圖2 生活垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面管壁腐蝕特征區(qū)域圖

表1 生活垃圾焚燒余熱鍋爐煙風(fēng)參數(shù)

鍋爐受熱面高溫腐蝕與煙氣溫度和受熱面內(nèi)水或蒸汽溫度關(guān)系如圖2所示，根據(jù)煙氣溫度和對應(yīng)的受熱面內(nèi)水或蒸汽溫度，受熱面的腐蝕分弱腐蝕區(qū)、腐蝕過渡區(qū)和強(qiáng)腐蝕區(qū)。如圖2所示，當(dāng)煙氣溫度較高時(shí)，同時(shí)鍋爐受熱面內(nèi)水或蒸汽的溫度逐漸升高，受熱面的腐蝕很容易就從弱腐蝕區(qū)域過渡到強(qiáng)腐蝕區(qū)域。

由圖2可知，煙氣溫度高的區(qū)域，鍋爐受熱面內(nèi)的水/蒸汽溫度不能過高，這對鍋爐的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義；同時(shí)，對鍋爐的運(yùn)行也具有一定的參考價(jià)值，如：在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)控制進(jìn)入高溫過熱器前的煙氣溫度不超過600 ℃。

1.2 生活垃圾焚燒余熱鍋爐腐蝕防治措施

垃圾焚燒余熱鍋爐腐蝕的防治，貫穿整個(gè)余熱鍋爐生命周期；從開始的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到后期的運(yùn)行，都需采取各種措施保證鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。以下以垃圾處理規(guī)模為600 t/d，垃圾設(shè)計(jì)熱值為1 700 kcal/kg，主蒸汽參數(shù)為6.4 MPa，485 ℃余熱鍋爐為例加以分析。

1.2.1 設(shè)計(jì)方面防腐

1）余熱鍋爐煙風(fēng)參數(shù)

根據(jù)生活垃圾額定處理量600 t/d和垃圾設(shè)計(jì)低位熱值1 700 kcal/kg，通過設(shè)計(jì)計(jì)算可得鍋爐煙風(fēng)參數(shù)見表1。

根據(jù)表1的煙風(fēng)參數(shù)對余熱鍋爐進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，得余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總表2和結(jié)構(gòu)尺寸圖3。

表2 余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總表

2）余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總表見表2

3）余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

本垃圾焚燒余熱鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)鍋爐，受熱面采用懸吊結(jié)構(gòu)，詳見圖3。鍋爐為臥式布置，由三個(gè)垂直膜式水冷壁通道（即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ煙道）和一個(gè)水平煙道組成，水平煙道從前至后依次布置了蒸發(fā)器、高溫過熱器、中溫過熱器、兩組低溫過熱器以及三組省煤器。在過熱器之間布置了兩級噴水減溫器，用來調(diào)節(jié)過熱器出口汽溫。

4）分析

將余熱鍋爐熱力計(jì)算匯總表2中各受熱面進(jìn)出口的煙氣和工質(zhì)（水或汽）的溫度標(biāo)識在圖2中可得余熱鍋爐各受熱面管壁腐蝕特征圖4。由圖4可知，爐膛輻射受熱面和Ⅰ煙道輻射受熱面的高溫腐蝕最嚴(yán)重；高溫過熱器和Ⅱ煙道輻射受熱面Ⅱ的高溫腐蝕次之，處于弱腐蝕區(qū)和過渡區(qū)之間。

對此，在設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施防止余熱鍋爐的高溫腐蝕：

①合理設(shè)計(jì)燃燒室結(jié)構(gòu)和調(diào)配一、二次風(fēng)量（見表1），以控制焚燒爐出口溫度維持在950～1 050 ℃區(qū)域（本項(xiàng)目設(shè)計(jì)值為994.5 ℃），防止下游煙道受熱面因溫度過高和結(jié)焦等原因引發(fā)的腐蝕。

②高溫過熱器采用順流布置，降低管外壁溫度，使其遠(yuǎn)離高溫腐蝕區(qū)域，同時(shí)增加一級蒸發(fā)器受熱面積，使高溫過熱器入口設(shè)計(jì)煙氣溫度不高于600 ℃（本項(xiàng)目設(shè)計(jì)值為578.5 ℃）。

③爐膛輻射受熱面和Ⅰ煙道輻射受熱面內(nèi)部區(qū)域全部采用SiC澆筑料澆筑，用于隔離高溫段的飛灰粒子直接與煙道受熱面接觸。

④Ⅱ煙道輻射受熱面內(nèi)部中上區(qū)域采用堆焊，在水冷壁上采取Ni、Cr合金堆焊，使得水冷壁管的耐腐蝕能力大大提高，延長水冷壁的使用時(shí)間。

⑤選擇合理的清灰方式：前置蒸發(fā)器、高溫過熱器和中溫過熱器前煙氣入口處設(shè)置兩層蒸汽吹灰，低溫過熱器和省煤器前煙氣入口處設(shè)置三層激波吹灰。既可減少鍋爐受熱面管束的積灰，又可降低因積灰而造成的金屬壁溫的超標(biāo)現(xiàn)象。也是防止高溫腐蝕的有效手段。

圖3 垃圾焚燒余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 余熱鍋爐在設(shè)計(jì)時(shí)各受熱面管壁腐蝕特征圖

⑥過熱器的高溫腐蝕可在過熱器的管材中增加Cr、Mo、Ni等合金元素或采用高性能的合金鋼，增強(qiáng)管子抗腐蝕能力。高溫過熱器采用TP347H材質(zhì)或采用堆焊防護(hù)措施，防止超溫及腐蝕。

1.2.2 生產(chǎn)制造方面防腐

目前余熱鍋爐受熱面主要采用澆注和堆焊防護(hù)來抑制或延緩腐蝕[11,12]，但堆焊的區(qū)域和堆焊的面積需根據(jù)余熱鍋爐設(shè)計(jì)工況來加以確定。

根據(jù)本項(xiàng)目的熱力計(jì)算匯總表2和各受熱面管壁腐蝕特征圖4，確定本項(xiàng)目的防腐方案如下：

1）處于強(qiáng)輻射區(qū)Ⅰ煙道輻射受熱面均采用SiC耐火澆注料，使高溫?zé)煔馀c水冷壁管隔絕，減少高溫腐蝕的發(fā)生；同時(shí)，采用SiC耐火澆注料防腐有利于煙氣在Ⅰ煙道內(nèi)保持850 ℃、2 S，滿足環(huán)保要求；

2）Ⅰ、Ⅱ煙道的頂棚和Ⅱ煙道的后隔墻從頂棚至標(biāo)高33.21 m區(qū)域，不斷受到轉(zhuǎn)向煙氣的沖刷，采用比堆焊防磨性能更優(yōu)的SiC耐火澆注料；

3）除敷設(shè)澆注料區(qū)域以外，Ⅱ煙道內(nèi)的煙氣溫度高于800 ℃的區(qū)域，即鍋爐標(biāo)高29 600 mm以上的前墻、后墻和兩側(cè)墻，輻射受熱面均采用2 mm厚Inconel 625合金堆焊防腐；

4）Ⅱ煙道內(nèi)的煙氣溫度在750～800 ℃的區(qū)域，即鍋爐標(biāo)高25 600～29 600 mm間的前墻、后墻和兩側(cè)墻，輻射受熱面均采用1.6 mm厚Inconel 625合金堆焊防腐。

具體堆焊區(qū)域詳見圖5。

為保證堆焊質(zhì)量，堆焊工藝以低熱量輸入、高焊接速度、高熔敷率、極低的稀釋率為原則，同時(shí)具有對母材損傷小、變形量小等特點(diǎn)，生產(chǎn)制造時(shí)需采取以下措施：

1）堆焊材料采用在垃圾焚燒余熱鍋爐上防腐性能優(yōu)異的鎳基合金或鈦基金屬陶瓷等（如Inconel625合金），堆焊稀釋率要求見表3。

2）堆焊厚度均勻：通過改裝焊接電源及修改內(nèi)部程序，從而有效控制電弧，使得電弧過渡穩(wěn)定、鐵水顆粒細(xì)??；通過特殊焊接氣體配比，使得焊接潤濕性增加，鐵水鋪展性良好；雙層道布置，消除焊道間溝槽；特殊的焊槍擺動(dòng)系統(tǒng)，使得鐵水更均勻。

3）堆焊稀釋率低：通過以上定制的耐腐蝕合金和優(yōu)異焊接電弧控制，使得焊縫稀釋率極低，例如水冷壁堆焊Inconel625，F(xiàn)e一般在3 %左右，最高不超過5 %。

4）堆焊變形?。和ㄟ^焊前分析預(yù)留變形量、焊接過程中多階段跟蹤調(diào)整、焊后精整形，可以做到堆焊水冷壁管排完全符合圖紙公差。

5）無焊接裂紋：通過特殊定制耐腐蝕合金和特殊電弧化過程，完全消除焊接裂紋發(fā)生。

6）嚴(yán)格過程控制：堆焊制造過程中，嚴(yán)格的適當(dāng)適時(shí)的檢驗(yàn)檢查程序及手段，保證整個(gè)堆焊過程實(shí)施到位。

此外，行業(yè)內(nèi)還有采用熱噴涂、低溫微融焊來防止鍋爐受熱面的腐蝕，但效果并不是十分理想。

圖5 余熱鍋爐Ⅱ煙道輻射受熱面堆焊區(qū)域

表3 堆焊稀釋率要求

1.2.3運(yùn)營方面防腐

1）提高垃圾質(zhì)量，從源頭降低腐蝕的可能性

提高入爐生活垃圾的質(zhì)量，從源頭上減少垃圾中氯和硫化物的含量，降低氯化腐蝕的可能性，達(dá)到減緩鍋爐腐蝕的目的。如可采用垃圾分類焚燒、垃圾倉有序堆料、混料與投料、加入脫氯劑脫氯等方法減小余熱鍋爐中HCl的含量。合理的垃圾發(fā)酵時(shí)間，避免垃圾熱值過高或過低，導(dǎo)致垃圾在燃燒時(shí)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值，造成對鍋爐受熱面的腐蝕。

2）嚴(yán)格控制爐膛和高溫過熱器溫度

在運(yùn)行中，爐膛溫度最高不應(yīng)超過1 050 ℃，控制進(jìn)入對流受熱面時(shí)的煙氣溫度不高于600 ℃，甚至不高于580 ℃。當(dāng)超過該要求的溫度時(shí)，余熱鍋爐受熱面很容易越過圖2中的弱腐蝕區(qū)，使得腐蝕速率加快。同時(shí)，會造成余熱鍋爐二三通道和高溫過熱器的積灰和結(jié)焦加重。

3）控制鍋爐熱負(fù)荷在額定工況運(yùn)行

當(dāng)余熱鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，易使鍋爐內(nèi)煙氣中的飛灰達(dá)到熔融狀態(tài)，附著到鍋爐受熱面，使得積灰結(jié)焦嚴(yán)重，鍋爐受熱面腐蝕加快；當(dāng)余熱鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過熱器管內(nèi)工質(zhì)流量小，流速過低，影響了管子內(nèi)外熱交換，造成了管壁溫度過高，高溫腐蝕加劇。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡量保證余熱鍋爐在額定工況下運(yùn)行。

4）合理的配比一、二次風(fēng)量和風(fēng)溫，保證生活垃圾穩(wěn)定燃燒，降低積灰結(jié)焦的影響因素。

5）根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況綜合確定并調(diào)整每班吹灰器的吹灰頻次，停爐檢修時(shí)將鍋爐受熱面上的積灰徹底清除，避免通流面積減小，從而減小積灰對余熱鍋爐受熱面的腐蝕。

2 基于以上防腐措施對余熱鍋爐蒸汽參數(shù)的選擇進(jìn)行討論分析

余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)的選擇直接影響到整個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)（壓力、溫度）的提高，對設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)、投資、運(yùn)營維護(hù)等方面都會產(chǎn)生一定的影響[13]。主要體現(xiàn)在：①主蒸汽壓力和溫度提高，鍋爐受熱面面積、承壓面壁厚等均會相應(yīng)的增加；②主蒸汽壓力和溫度提高，給水泵的揚(yáng)程、汽水管道及附件等均需相應(yīng)的增加；③主蒸汽壓力和溫度提高，鍋爐的水冷壁防腐等級、過熱器材質(zhì)及防腐等級均需提升，以防止其腐蝕；④主蒸汽壓力和溫度提高，汽輪機(jī)的功率、調(diào)節(jié)級數(shù)、發(fā)電效率均會相應(yīng)的增加；⑤主蒸汽壓力和溫度提高，設(shè)備的投資會相應(yīng)的增加。

以建設(shè)規(guī)模為1×600 t/d，垃圾設(shè)計(jì)低位熱值為1 700 kcal/kg垃圾焚燒發(fā)電廠為例，分別對中溫中壓4.0 MPa /450 ℃、次高溫次高壓6.4 MPa/485 ℃這兩種余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較分析：

2.1 設(shè)備投資分析

余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)提高，設(shè)備投資成本的增加主要體現(xiàn)在余熱鍋爐、汽輪機(jī)、設(shè)備管道、閥門等方面。表4是主蒸汽參數(shù)分別為中溫中壓和次高溫次高壓設(shè)備投資之間的差異對比。

由表4可以看出，次高溫次高壓主蒸汽參數(shù)在主設(shè)備投資方面比中溫中壓主蒸汽參數(shù)要高出約810萬。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)提高，汽輪機(jī)汽耗和熱耗降低，發(fā)電量增加。表5是中溫中壓與次高溫次高壓主蒸汽參數(shù)發(fā)電功率及發(fā)電收益的對比。

由表5可以看出，次高溫次高壓主蒸汽參數(shù)較中溫中壓參數(shù)的年發(fā)電收益增加約345萬，按靜態(tài)投資回收期計(jì)算，約兩年就可收回設(shè)備所增加的投資。

表4 中溫中壓和次高溫次高壓主蒸汽參數(shù)在主要設(shè)備投資方面的對比

表5 中溫中壓和次高溫次高壓主蒸汽參數(shù)經(jīng)濟(jì)效益對比

綜上，在實(shí)際的焚燒廠設(shè)計(jì)中，垃圾焚燒主蒸汽參數(shù)的選擇應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目的投資、維護(hù)、運(yùn)營和管理等因素從而保障焚燒廠連續(xù)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。近年來，隨著防腐技術(shù)的提高，大大延長了鍋爐受熱面的使用壽命，采用次高溫次高壓參數(shù)余熱鍋爐，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢較中溫中壓參數(shù)余熱鍋爐日趨明顯。

3 結(jié)論

垃圾焚燒余熱鍋爐腐蝕機(jī)理十分復(fù)雜，與煙氣的組分、煙氣的溫度等多方因素有關(guān)；余熱鍋爐的防腐應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營維護(hù)及管理方面采取不同的措施去應(yīng)對，延長鍋爐受熱面的使用壽命，降低運(yùn)維成本；同時(shí)，隨著鍋爐防腐技術(shù)及焚燒廠運(yùn)營管理水平的日益提高，在保證焚燒廠連續(xù)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營的前提下，采用高參數(shù)余熱鍋爐，可大大提高全廠經(jīng)濟(jì)效益。