吳多利，鄭家銀，劉蘇，曹攀，魏新龍，張超

垃圾焚燒電廠過熱器腐蝕影響因素及防護(hù)涂層研究進(jìn)展

吳多利，鄭家銀，劉蘇，曹攀，魏新龍，張超

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

垃圾焚燒電廠過熱器管道的高溫腐蝕一直是制約電廠焚燒溫度的關(guān)鍵問題，因此研究開發(fā)耐高溫、耐腐蝕、長壽命的關(guān)鍵服役材料是保證垃圾焚燒爐正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)及安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。對近年來垃圾焚燒電廠腐蝕問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，對近期垃圾焚燒電廠過熱器腐蝕與防護(hù)的研究成果進(jìn)行了綜述。首先，從過熱器腐蝕影響因素的角度，歸納了焚燒環(huán)境中存在氯、硫、溫度、水蒸氣等諸多因素影響下的腐蝕特點(diǎn)，對各個(gè)影響因素下的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了概述，氯作為影響腐蝕的關(guān)鍵因素，重點(diǎn)對氯導(dǎo)致腐蝕的活性氧化機(jī)理和電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行了闡述。其次，討論了應(yīng)用在過熱器表面的涂層制備技術(shù)的發(fā)展，包括熱噴涂、熱擴(kuò)散、堆焊、激光熔覆等，探討了制備方法，以及應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。分析了材料成分（Ni、Mo、Cr、Al、Si、Pt等元素）的添加與涂層耐腐蝕性能之間的關(guān)系。再次，從焚燒垃圾預(yù)處理的角度，進(jìn)一步討論前期可通過對垃圾脫水、添加共燃劑等方法，達(dá)到脫硫、脫氯的目的，以此降低煙氣中硫、氯的含量，減小其對腐蝕的影響。最后，對垃圾焚燒電廠過熱器管道材料和涂層的選擇進(jìn)行了總結(jié)和展望。

垃圾焚燒發(fā)電；高溫腐蝕；防護(hù)涂層；過熱器管道

隨著社會(huì)發(fā)展出現(xiàn)的環(huán)境污染和能源供需問題亟待解決，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目成為大型城市的現(xiàn)實(shí)選擇。近年來，垃圾燃燒電廠（Waste to energy，WTE）的運(yùn)行參數(shù)不斷提高[1]，爐內(nèi)金屬在高溫環(huán)境中極易受到腐蝕，造成設(shè)備的過早失效，這是影響電廠的經(jīng)濟(jì)成本和使用壽命的關(guān)鍵問題。在優(yōu)化發(fā)電蒸汽參數(shù)，提高垃圾焚燒發(fā)電效率基礎(chǔ)上，有效控制受熱面上的高溫腐蝕，逐漸成為該領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點(diǎn)[2]。

我國的垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)起步較晚（1990年后才起步），處理能力較弱，技術(shù)尚不夠完善，所使用的焚燒爐主要為機(jī)械爐排焚燒爐和循環(huán)流化焚燒爐。垃圾燃料不同于化石燃料，其燃燒溫度較低。城市垃圾中含有大量的塑料、橡膠、皮革、金屬，在焚燒過程中會(huì)釋放大量的Cl2、HCl、SO2等酸性氣體，以及KCl、NaCl、Na2SO4等鹽類蒸汽，還夾雜著煙氣中的飛灰顆粒[3-6]。這些硫化物和氯化物會(huì)沉積在受熱面上，引起管壁的減薄，甚至爆管事故。化學(xué)腐蝕和高溫蠕變失效的12Cr1MoV過熱器管道形貌如圖1所示。

過熱器管受熱面的高溫腐蝕是制約垃圾焚燒發(fā)電效率的主要問題。如果提高鍋爐的焚燒溫度，將大大提高垃圾焚燒蒸汽溫度和垃圾焚燒發(fā)電鍋爐的效率，同時(shí)也會(huì)加劇鍋爐過熱器的高溫腐蝕，因此選擇合適的WTE過熱器管材及其防護(hù)措施至關(guān)重要。文中對垃圾焚燒電廠鍋爐高溫腐蝕機(jī)制進(jìn)行了簡要分析，并在此基礎(chǔ)上針對過熱器高溫腐蝕治理進(jìn)行了綜述，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 12Cr1MoV過熱器管道形貌[6]

1 腐蝕影響因素

在垃圾焚燒發(fā)電廠中，鍋爐中的高溫部件（尤其是水冷壁管和過熱器管）長期與火焰及焚燒產(chǎn)生的煙氣接觸，其服役環(huán)境較惡劣。煙氣中的HCl、H2S、SO2、氯化鹽（NaCl、KCl等）、硫酸鹽（Na2SO4、K2SO4等），與水蒸氣共同作用于鍋爐表面金屬，生成腐蝕產(chǎn)物，從而限制了蒸汽溫度。這里主要介紹氯、硫、溫度、水蒸氣對垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境高溫腐蝕的影響。

1.1 氯對高溫腐蝕的影響

由于垃圾中氯的含量較高，氯在燃燒過程中基本都轉(zhuǎn)化為HCl或金屬氯化物，其中HCl的質(zhì)量濃度可達(dá)到1 150～1 950 mg/m3[7]。在低氧分壓環(huán)境下，HCl與金屬反應(yīng)，形成了非保護(hù)性的金屬氯化物。當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃以上時(shí)，部分氯化物會(huì)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，并向外擴(kuò)散。當(dāng)它們遷移到更高的氧分壓時(shí)，氣態(tài)氯化物被氧化。氧化物在原有的裂縫和缺陷中生成，使內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致氧化膜的開裂和剝落，破壞了原有氧化膜對基體的保護(hù)作用，并且釋放出氯，氯會(huì)再次與金屬成分發(fā)生腐蝕反應(yīng)，這被稱為“活性氧化”機(jī)制。在整個(gè)活性氧化的過程中，氯作為催化劑并未被過多消耗。除了煙氣中的Cl2和HCl等氣態(tài)的氯化物會(huì)對鍋爐造成腐蝕外，還有Pb、Zn、Na、K等金屬元素，它們通過與HCl反應(yīng)，在氣相中形成堿金屬或重金屬氯化物。這些鹽在水冷壁或過熱器等金屬部件上冷凝，會(huì)與SO2反應(yīng)生成硫酸鹽，并釋放出氯，導(dǎo)致活性氧化再次發(fā)生。

活性氧化理論解釋了腐蝕過程中發(fā)生的大致步驟，但是對于氯是如何到達(dá)氧化膜/基體界面，以及金屬氯化物如何擴(kuò)散，該理論尚難以解釋。從以往實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，在材料表面涂覆KCl/NaCl等沉積氯化物后，在實(shí)驗(yàn)前期可以觀察到明顯的腐蝕行為，所以氯不太可能以晶界擴(kuò)散的方式到達(dá)氧化膜/基體界面，該過程太緩慢。另一種推測是氯以氣體的形式通過表面氧化層的缺陷進(jìn)入，但與此同時(shí)氧氣也可以向內(nèi)擴(kuò)散，在缺陷處重新生成氧化膜。對于金屬的氯化研究應(yīng)該綜合考慮以下幾種因素。

1）氯在分子尺度上固溶到氧化膜中，從而改變了氧化膜的缺陷結(jié)構(gòu)。單電荷氯離子可以取代雙電荷氧離子，氯濃度越高，金屬產(chǎn)生的陽離子空位越多，足夠數(shù)量的氯化鉀供應(yīng)將有助于產(chǎn)生高濃度的氯，從而加速腐蝕速率。

2）金屬氯化物向外揮發(fā)時(shí)，在表面氧分壓足夠時(shí)會(huì)被重新氧化。為了保證與基體的黏附，氧化膜必定會(huì)發(fā)生弛豫，導(dǎo)致氧化膜產(chǎn)生應(yīng)力，此外還有熱膨脹系數(shù)不均對氧化物和金屬產(chǎn)生的應(yīng)力，它們都會(huì)對氧化層帶來永久性的機(jī)械損傷。Sadeghimeresht等[7-8]對比研究了不同涂層在KCl高溫下的腐蝕，結(jié)果表明，在無氯存在的環(huán)境中，涂層中的保護(hù)性元素（如Cr或Al）所形成的氧化膜更加具有保護(hù)性，而在有氯環(huán)境下會(huì)生成疏松多孔的氧化層。

3）氯首先對氧化膜的晶界產(chǎn)生點(diǎn)蝕，繼而向內(nèi)滲透，產(chǎn)生揮發(fā)性的金屬氯化物，貫穿氧化膜，建立陽離子從金屬中向外遷移的濃度梯度，提供金屬從氧濃度較低的區(qū)域向氧濃度較高處的擴(kuò)散途徑。在這種離子在向外遷移的過程中，在氧化膜與基體金屬之間產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)降低氧化膜與基體的結(jié)合能力。

1.2 電化學(xué)腐蝕的影響

相較于活性氧化理論，電化學(xué)理論更加側(cè)重于對腐蝕初期的解釋。以Cr金屬為例，陽極過程發(fā)生于金屬與氧化層的界面處，形成了向外擴(kuò)散的陽離子。同時(shí)，在陰極過程中堿金屬氯化物（KCl）與金屬表面預(yù)先形成的氧化鉻層發(fā)生了反應(yīng)，生成了鉻酸鉀和氯離子，見式（1）—（2）。

Cr=Cr2++2e?(1)

1/2Cr2O3+2KCl+5/4O2(g)+2e?=K2CrO4(s)+2Cl?(2)

隨后形成的氯離子通過陰陽離子的遷移，到達(dá)氧化層/金屬基體交界處，發(fā)生金屬氧化，見式（3）—（5）。

Cr2++2Cl?=CrCl2(3)

CrCl2(s)=CrCl2(g) (4)

1/4Cr2O3+2KCl+13/8O2+3/2Cr=K2CrO4+CrCl2(5)

用電化學(xué)理論來解釋腐蝕初期的反應(yīng)現(xiàn)象更符合實(shí)際情況，氯導(dǎo)致的腐蝕增重曲線大多為拋物線。氯以氣體的形式通過缺陷擴(kuò)散到氧化膜/金屬界面反應(yīng)，這與腐蝕的初始狀態(tài)并不完全一致。Larsson等[9]研究了400 ℃下KCl和HCl對Fe–2.25Cr–1Mo的腐蝕過程，通過對樣品的SEM/EDX分析（如圖2所示）發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物的最外層為富鉀貧氯區(qū)，而在鋼/氧化膜界面觀察到少量FeCl2，因此推斷KCl在表面發(fā)生的反應(yīng)不是以KCl氣體的形式向內(nèi)擴(kuò)散的。鉀在表面的富集通過合金氯化的電化學(xué)機(jī)制生成[10-11]，因此認(rèn)為堿金屬氯化物中的氯離子是加速腐蝕的重要因素，并且氯是以離子態(tài)形式擴(kuò)散侵入合金的。

1.3 硫?qū)Ω邷馗g的影響

有關(guān)硫化腐蝕及其發(fā)生機(jī)制已有較多報(bào)道和論述。在焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的SO2和部分SO3，接著與沉積的堿金屬氯化物發(fā)生硫酸鹽化反應(yīng)，釋放出Cl2和HCl。此外，煙氣中的硫可直接與金屬反應(yīng)，生成金屬硫化物。在鍋爐過熱器出口的中下游煙氣中，氧氣的含量極少（不足1%），恰好處于一個(gè)很強(qiáng)的還原性氣氛中，易產(chǎn)生較多的H2S和SO2。SO2首先會(huì)被吸附在表面的沉積物上，與氧氣生成SO3，繼而與H2O生成H2SO4，而H2SO4又會(huì)與沉積鹽中的NaCl或者KCl生成固態(tài)的Na2SO4和氣態(tài)的HCl。硫主要以H2S和硫酸鹽的形式對過熱器管道造成腐蝕。當(dāng)含硫垃圾焚燒不充分時(shí)，產(chǎn)生的H2S會(huì)出現(xiàn)局部的還原性環(huán)境，滿足硫化腐蝕的條件，這種腐蝕隨著氯化物的出現(xiàn)表現(xiàn)得更為嚴(yán)重。硫在(Na,K)2SO4、(Na,K)2S2O7等焦硫酸鹽中，在高溫下以沉積物的形式熔融在材料表面，從而加速腐蝕。這類硫酸鹽與表面的Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，生成組織結(jié)構(gòu)疏松的Na3Fe(SO4)3或K3Fe (SO4)3，因而無法繼續(xù)保護(hù)內(nèi)部金屬。

硫?qū)Ωg的影響不都是負(fù)面的，有許多研究表明硫可以減輕氯的影響，這與SO2/HCl的比率有關(guān)。合理增加煙氣中的SO2含量，可以使硫氯發(fā)生協(xié)同作用，一定量的SO2與HCl共存，能夠?qū)煔庵懈g性較強(qiáng)的氯化物轉(zhuǎn)化為堿金屬硫酸鹽，從而降低腐蝕的影響[12-14]。SO2的加入促使KCl向K2SO4轉(zhuǎn)化，而K2SO4的腐蝕性相對較低。按照“活性氧化”機(jī)理，這樣會(huì)減少KCl與金屬氧化膜反應(yīng)生成的Cl2。為了得到更加明確的數(shù)據(jù)，Ekvall等[15]研究了不同的硫/氯比對垃圾焚燒電廠堿金屬硫酸鹽化的影響，結(jié)果表明，在硫/氯的物質(zhì)的量之比為10時(shí)，堿金屬的硫酸鹽化反應(yīng)轉(zhuǎn)化完全，并且達(dá)到硫飽和，即使增加硫/氯比也不會(huì)進(jìn)一步加速堿金屬的硫酸鹽化進(jìn)程。如圖3所示，與KCl、K2SO4混合鹽相比，在KCl腐蝕下，除了NiAl涂層外，所有樣品都觀察到更厚的腐蝕層[16]。許明磊[17]在研究中發(fā)現(xiàn)，垃圾焚燒電廠中硫酸鹽化反應(yīng)的最適宜溫度為600 ℃，適當(dāng)增加煙氣中SO2的濃度、水蒸氣的含量均能促進(jìn)積灰的硫酸鹽化反應(yīng)。

圖2 Fe–2.25Cr–1Mo在涂覆KCl鹽條件下腐蝕400 ℃、24 h后的橫截面和SEM/EDX圖[9]

圖3 KCl和KCl+K2SO4腐蝕環(huán)境下樣品腐蝕產(chǎn)物層的平均厚度和最大的深度[16]

由此可見，硫?qū)?shí)際垃圾焚燒環(huán)境的影響是雙向的，相較于純氯化鹽的腐蝕情況，混合鹽的腐蝕速率較低。為了達(dá)到這樣的效果，應(yīng)該保持爐膛內(nèi)硫/氯的物質(zhì)的量之比處于較低的水平[18]。

1.4 溫度對高溫腐蝕的影響

溫度對電廠的工作效率有著直接的影響，提高工作溫度會(huì)提高鍋爐的工作效率，但是也會(huì)提高表面沉積物的生成速率，從而加速腐蝕，因此，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中利用更高溫度的腐蝕環(huán)境對新材料的模擬實(shí)驗(yàn)一直被學(xué)者們當(dāng)作一種可靠的研究方式。Liu等[11]研究了TP347H、C22和激光熔覆涂層材料在熔融堿金屬氯化物鹽中的腐蝕現(xiàn)象，結(jié)果表明，當(dāng)測試溫度從450 ℃升至750 ℃時(shí)，溫度對金屬熱腐蝕的影響十分明顯，較高的實(shí)驗(yàn)溫度導(dǎo)致前期發(fā)生更劇烈的電化學(xué)腐蝕，加劇了初始腐蝕速率，造成更加明顯的質(zhì)量變化。

較厚的沉積物層反而可通過降低表面溫度來降低腐蝕速率，保護(hù)其免受進(jìn)一步的活性氧化，并防止金屬氯化物的揮發(fā)。然而，這只有在沉積物未熔化時(shí)才有效，并且效果極其有限。雖然過熱器和水冷壁的工作溫度較低，但是沉積物中的成分較復(fù)雜，堿金屬氯鹽與重金屬氯鹽混合時(shí)會(huì)產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶物[19-20]。表1給出了垃圾焚燒環(huán)境下幾種典型混合熔融鹽的熔點(diǎn)，低熔點(diǎn)的共晶鹽會(huì)對合金在高溫下的耐腐蝕性能產(chǎn)生重要的影響[21]。

1.5 水蒸氣的影響

除了上述Cl、S、溫度等影響因素的直接作用之外，水蒸氣也一度被證明會(huì)影響腐蝕速率。Cr合金通常在高溫環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性，而當(dāng)環(huán)境中存在水蒸氣時(shí)，其性能可能會(huì)受到限制。水蒸氣的存在會(huì)影響氧化物的生長速度，合金在含水蒸氣條件下的高溫氧化，比在單純氧氣的條件下更為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致外層保護(hù)性的氧化層與基體分離[22-27]。Essu-man等[28]認(rèn)為，水蒸氣會(huì)影響氧在合金中的溶解度和擴(kuò)散率，從而促進(jìn)鉻的內(nèi)部氧化。此外，水蒸氣對氧化膜的形態(tài)也有影響，對于Cr來說，在富含水蒸氣的環(huán)境下，薄片狀保護(hù)性富鉻剛玉型氧化物會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝钛趸?，并促使Cr與O2生成具有揮發(fā)性的CrO2(OH)2[29]。

表1 垃圾焚燒電廠沉積物中熔融鹽[21]

Tab.1 Molten salt in sediment from a waste incineration plant[21]

有些研究顯示，水蒸氣會(huì)加速腐蝕速率，而另一些研究顯示材料的腐蝕速率會(huì)降低，所以某些學(xué)者懷疑水蒸氣含量對高溫腐蝕具有不同的效果。Wu等[30]研究了鎳鋁化合物涂層在不同水蒸氣含量的腐蝕環(huán)境下的耐腐蝕性能（如圖4所示），當(dāng)水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)從0%逐步增至30%時(shí)，涂層的耐腐蝕性能呈現(xiàn)出由弱漸強(qiáng)再漸弱的特點(diǎn)。對比水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為15%和30%的樣品發(fā)現(xiàn)，前者的晶間腐蝕更嚴(yán)重。水蒸氣含量的增加可能導(dǎo)致在表面上形成更多的鋁酸鉀，這反而抑制了氯的產(chǎn)生，所以水蒸氣對腐蝕的影響還需進(jìn)一步研究。

由于城市生活垃圾中的Cl、S、水蒸氣等都是不可能消除的成分[31]，因此當(dāng)垃圾焚燒溫度過高時(shí)，關(guān)鍵受熱面的腐蝕依然無法完全避免，這無疑嚴(yán)重限制了垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?？傮w來看，含硫、氯物質(zhì)是造成電廠過熱器腐蝕的主要誘因，氯不僅直接與金屬材料發(fā)生反應(yīng)，還可以通過活性氧化的方式加速腐蝕。此外，鹽類氯化物的熔點(diǎn)較低，在高溫環(huán)境下易在受熱面表面形成液相，并以“電化學(xué)”的形式破壞氧化膜，造成材料表面的損壞、失效。SO2在氧化性氛圍下，可將熔點(diǎn)較高的硫酸鹽轉(zhuǎn)化為熔點(diǎn)較低的焦硫酸鹽，造成熔融鹽腐蝕；H2S在還原性氛圍下可與基體金屬直接反應(yīng)，使材料失效。

圖4 鎳鋁涂層經(jīng)700 ℃高溫腐蝕168 h后腐蝕侵蝕區(qū)域的橫截面SEM圖像[30]

2 表面防護(hù)技術(shù)

表面涂層防護(hù)主要應(yīng)用于垃圾熱值較高的環(huán)境下，也是目前普遍采用的防護(hù)方法。重點(diǎn)針對鍋爐水冷壁和過熱器管材受熱面，采取熱噴涂、堆焊、激光熔敷等防護(hù)方式來限制或延緩腐蝕，提高基體材料的抗腐蝕性能?？偨Y(jié)了垃圾燃燒鍋爐環(huán)境中常見涂層的高溫腐蝕研究，見表2。

2.1 涂層技術(shù)

2.1.1 熱噴涂

采用熱噴涂工藝制備的涂層能夠有效保護(hù)過熱器管道不被腐蝕[38]。垃圾焚燒鍋爐中的腐蝕性氣體種類較多，腐蝕程度比傳統(tǒng)的燃煤嚴(yán)重得多[39]。由于熱噴涂涂層有一定的孔隙，因此腐蝕性物質(zhì)可以通過涂層的孔隙到達(dá)基體表面，普通的熱噴涂方法很難達(dá)到防護(hù)的要求。由此，需要采用新型熱噴涂技術(shù)來制備適合垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境的高溫腐蝕防護(hù)涂層。

1）電弧噴涂。電弧熱噴涂利用電弧將2根作為原料的金屬絲融化，再通過氣流將融化的金屬液滴噴到零件表面，形成涂層。對比其他熱噴涂方法，電弧熱噴涂制備出的涂層的孔隙率相對較高，結(jié)合強(qiáng)度較低。由于電弧噴涂設(shè)備操作簡單、成本低、效率高，因而適用于大規(guī)模的設(shè)備防護(hù)。最近10年，由于絲材技術(shù)得到快速發(fā)展，電弧噴涂制備涂層的成分有了更多的選擇，在粉芯絲材中適量添加脫氧材料[40]，可減少噴涂態(tài)過程中生成的氧化物，并有效改善涂層的耐腐蝕性能[31]。美國利用電弧熱噴涂在鍋爐噴涂45CT材料，其防護(hù)時(shí)間長達(dá)7年。有學(xué)者通過向絲材中加入B，降低了絲材的含氧量，使得電弧熱噴涂制備的NiCrB涂層在800 ℃下涂鹽介質(zhì)中的耐腐蝕性能得到有效提高[10]。隨著材料的不斷進(jìn)步，合金成分的不斷優(yōu)化，就成本和工藝上來說，電弧噴涂很有可能成為電廠涂層的主要防護(hù)技術(shù)[41]。

2）等離子噴涂。等離子噴涂（APS）采用等離子射流作為熱源，可將高熔點(diǎn)的金屬材料及陶瓷材料熔化。等離子噴涂中的惰性環(huán)境可以減少氧化程度[42]，在合適噴涂參數(shù)下可以得到高質(zhì)量涂層，其性能表現(xiàn)與超音速火焰噴涂涂層相近。高振等[19]采用等離子噴涂法研究了噴涂功率和噴涂時(shí)間對涂層顯微組織結(jié)構(gòu)和耐蝕性能的影響，為了增加涂層的耐蝕和耐沖擊性能，選擇T91材料為鍋爐水冷壁管的基體材料，并使用Fe基非晶合金粉末作為噴涂材料。結(jié)果表明，隨著功率的降低，F(xiàn)e基非晶涂層的孔隙率增加；隨著噴涂時(shí)間的減少，F(xiàn)e基非晶涂層的厚度也會(huì)隨之減小，侵蝕元素由涂層表面侵蝕到基體的程度大大增加，導(dǎo)致耐腐蝕性能隨之降低。這種技術(shù)面臨諸如設(shè)備造價(jià)昂貴、能耗高、工藝復(fù)雜等問題，噴涂功率、噴涂材料、噴涂時(shí)間、設(shè)備的工作穩(wěn)定性、操作人員的經(jīng)驗(yàn)等上百個(gè)因素也會(huì)影響工藝制備的涂層質(zhì)量。由此可見，等離子噴涂技術(shù)在垃圾焚燒爐管壁熱腐蝕方面目前仍然以研究為主，并未得到大范圍的實(shí)際應(yīng)用。

3）超音速火焰噴涂。超音速火焰噴涂（HVOF）利用壓縮空氣代替氧氣，具有火焰溫度低、顆粒噴射速度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是高噴射速度減少了粉末與火焰之間的相互作用時(shí)間，而火焰的低溫限制了粉末的晶粒生長和分解[37]。由于超音速火焰噴涂制備的涂層具有密度高、含氧量低的優(yōu)勢，使得這一噴涂方式成為國外對垃圾焚燒爐過熱器管壁防護(hù)的主要技術(shù)，有效緩解了過熱器管高溫?zé)岣g情況，延長了維護(hù)周期。

Oksa等[43]在MW循環(huán)流化床鍋爐上對3種熱噴涂鎳基涂層（Ni–24Cr–16.5Mo、Ni–22Crb5Fe–9Mo–4Nb和Ni–22Cr–10Al–1Y）進(jìn)行了2年的腐蝕試驗(yàn)，所有經(jīng)過測試的鎳基涂層都為基體材料提供了良好的腐蝕保護(hù)。Sadeghimeresht等[7]采用高速燃?xì)鈬娡浚℉VAF）分別制備了Ni21Cr和Ni5Al涂層，這2種涂層均表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。由于Ni5Al涂層中的Al元素更加具有保護(hù)性，因此展現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐腐蝕性能。Jafari等[16]等通過微觀結(jié)構(gòu)，研究了KCl和KCl/K2SO4沉積條件下HVAF噴涂鎳基涂層的腐蝕機(jī)理和性能，認(rèn)為涂層的耐腐蝕性能主要取決于涂層的微觀結(jié)構(gòu)和腐蝕尺度，而HVAF工藝較為符合缺陷最小化這一要求。

超音速火焰噴涂制備的涂層性能優(yōu)異、表現(xiàn)出眾，同時(shí)也存在工藝復(fù)雜、成本昂貴等問題，這使得該技術(shù)在國內(nèi)市場受到很大的限制。面對超音速火焰噴涂技術(shù)無法得到進(jìn)一步突破的現(xiàn)狀，尋求另一種合適替代技術(shù)同樣是垃圾燃燒鍋爐過熱器管防護(hù)的研究方向。

2.1.2 包埋擴(kuò)散

包埋擴(kuò)散需要將基材與滲劑置于一定溫度環(huán)境中，耐高溫腐蝕元素向材料表面擴(kuò)散后，逐漸形成滲層，基材中的元素也可以進(jìn)入滲層。除了包埋擴(kuò)散，熱浸法形成涂層的原理也基本相同[44]，其代表性涂層有滲鉻、滲鋁和滲硅層。耐高溫腐蝕元素在表面的富集不僅有利于形成保護(hù)性氧化膜，也可以保證在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)持續(xù)供給保護(hù)性氧化物元素。Wu等[45]研究調(diào)查了電鍍鎳涂層和先電鍍鎳再滲鋁的Ni2Al3涂層的耐腐蝕性能，進(jìn)行了2種涂層在電廠中為期2年的實(shí)驗(yàn)，2種涂層都會(huì)使基體材料得到有效防護(hù)。由于這一涂層制備工藝在很大程度上受到零件尺寸的制約，因此尚不能在工業(yè)上得到大規(guī)模的應(yīng)用。

2.1.3 堆焊

目前，國內(nèi)堆焊技術(shù)較為成熟，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，應(yīng)用案例較多，處于規(guī)?；瘧?yīng)用階段。堆焊采用等離子弧或者電弧熱源將具有一定性能的材料熔敷到基體表面，熔敷金屬與基體之間形成了冶金結(jié)合。堆焊的目的是通過焊接的方法在基體表面獲得耐熱、抗磨損、耐腐蝕的熔敷金屬層。制備堆焊熔敷層比較主流的材料包括Inconel 625、Inconel 622、Inconel 686、C22、C276等鎳基合金，主要成分為Ni、Cr、Mo等元素。涂層在高溫下形成了一層致密的Cr2O3氧化物膜，材料中的Ni可以保證熔覆層具有較好的延展性，在高溫下工作時(shí)與基體保持相對一致的熱膨脹系數(shù)，避免產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，使涂層與基體之間保持較好的結(jié)合能[46]。

堆焊相對于熱噴涂來說，其金屬層較厚，熔敷層具有耐熱、耐磨、耐蝕等特殊性能，可以顯著地提高工件的使用壽命[47]。在堆焊時(shí)，熱輸入越大，基體熔化越多，稀釋率越高，因此稀釋率越低，堆焊層的防護(hù)效果越好。合格產(chǎn)品的表面稀釋率要求低于5%，堆焊層厚度往往超過1.6 mm，這也導(dǎo)致成本的增加。對于高參數(shù)的垃圾焚燒爐，過熱器壁溫度往往會(huì)超過450 ℃，堆焊的耐腐蝕性能會(huì)降低。隨著電廠技術(shù)的不斷發(fā)展，對能源轉(zhuǎn)化效率的要求也越來越高，在提高燃燒溫度和效率的同時(shí)降低施工成本，是如今必須考慮的問題，開發(fā)高性能、低成本的材料是堆焊技術(shù)所面臨的難題。

2.1.4 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)利用高能密度的激光能量束，使添加材料與高速率運(yùn)動(dòng)的基體材料同時(shí)熔化，并快速凝固后，形成稀釋率極低、與基體呈冶金結(jié)合的熔覆層。相較于堆焊的絲材，激光熔覆粉末材料成分的可調(diào)整空間較大，并且通過調(diào)節(jié)合金粉末中促進(jìn)流動(dòng)性和可熔性的添加劑，可改善熔覆層的表面成形，使之更加平整。相較于熱噴涂形成的涂層，激光熔覆技術(shù)制備的涂層具有更好的耐腐蝕性能。熔覆層與基體材料結(jié)合較好，截面內(nèi)無未熔顆粒夾雜，無裂紋氣孔等缺陷。該制備方法的缺點(diǎn)是設(shè)備投資大，技術(shù)門檻較高；效率較低，工藝難點(diǎn)比堆焊多；氣孔率的控制較難，熔覆層厚度超過2 mm。Song等[37]研究了HVOGF、HVOLF和激光涂層技術(shù)在正常實(shí)驗(yàn)條件下形成的NiCr涂層的耐蝕性，采用激光熔覆技術(shù)制備的涂層在KCl環(huán)境下具有良好的耐蝕性。Reddy等[48]報(bào)道了同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。激光熔覆產(chǎn)生的涂層與基體優(yōu)異的結(jié)合性在實(shí)際生產(chǎn)中十分重要。盡管激光熔敷在工藝材料方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，但高昂的設(shè)備投入、嚴(yán)苛的施工環(huán)境、復(fù)雜的施工操作也是其難以回避的難題。對于成本要求更為苛刻的國內(nèi)市場，這在很大程度上限制了其在實(shí)際使用中的進(jìn)一步推廣。目前，該項(xiàng)技術(shù)主要在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的階段，并未投入大范圍應(yīng)用。

2.1.5 預(yù)氧化

除了對基體表面進(jìn)行涂層防護(hù)，還可以對金屬做一些預(yù)氧化處理，可以提前通過預(yù)氧化形成均勻致密的氧化物層，為合金提供保護(hù)[49]。將連續(xù)致密的氧化膜作為保護(hù)層，可以防止表面沉積鹽的進(jìn)一步腐蝕，這種處理方法延長了合金對腐蝕介質(zhì)的抵抗力[50]。如圖5所示，預(yù)氧化后鋁化物涂層在經(jīng)歷900 ℃混合鹽腐蝕20 h后，外部氧化層呈現(xiàn)出的形貌相對光滑連續(xù)，對比未經(jīng)預(yù)氧化的涂層，呈現(xiàn)出鋸齒狀的形貌，其耐腐蝕性能大大提高。Okoro等[51]證明，預(yù)氧化鎳基高溫合金通過形成穩(wěn)定的保護(hù)氧化層來減少高溫腐蝕，發(fā)揮著積極的作用。在預(yù)氧化過程中，形成的緩慢生長氧化物相對優(yōu)異，且Engin等[52]發(fā)現(xiàn)在 1 000 ℃預(yù)氧化下，Cr能達(dá)到最佳性能。相較于在鐵鉻鋁合金上預(yù)氧化產(chǎn)生的多孔腐蝕產(chǎn)物，預(yù)氧化鎳基合金在生物質(zhì)焚燒條件下不易發(fā)生氧化物分解[53]。雖然預(yù)氧化提高了合金的耐腐蝕性能，但是仍與合金材料和氧化溫度有著很大的關(guān)系。

2.2 金屬材料成分

不同的金屬材料在腐蝕實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)出的耐腐蝕性不同，在現(xiàn)有報(bào)道中，碳素鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金是目前使用最廣泛的基體金屬材料。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來看，使用價(jià)格高昂的稀有合金材料對于垃圾焚燒電廠來說并不合理，所以選用合金材料在廉價(jià)基體金屬表面制備涂層是一個(gè)明智的選擇。這里重點(diǎn)分析涂層形成元素在高溫腐蝕中的作用。

1）Ni。鎳基合金是最常見的熱噴涂涂層，如Ni21Cr、Ni30Al、Ni21Cr6Al1Y，通常表現(xiàn)出良好的抗高溫腐蝕性能[54]。在含氯的腐蝕環(huán)境中，鎳基合金與鐵基合金相比，2種氯化物在熱力學(xué)的形成上，鎳基合金表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。Grabke等[55]通過熱力學(xué)分析金屬氯化物的吉布斯自由能，在一定溫度下常見基體金屬與氯的反應(yīng)速度排序?yàn)镸n>Cr>Fe> Ni>Mo，也驗(yàn)證了該觀點(diǎn)。同時(shí)，在合金界面生長富鎳的氧化物可以減少腐蝕損傷[56]。鎳基合金粉末通常需要添加Fe、Cr、Mo、Co、W等元素進(jìn)行奧氏體固溶強(qiáng)化，添加Al、Ti等元素進(jìn)行金屬間化合物晶格強(qiáng)化，添加B、Co、Zr等元素實(shí)現(xiàn)晶界強(qiáng)化[57-58]?？梢愿鶕?jù)以上強(qiáng)化原理在鎳基合金粉末中合理添加各種合金元素，同時(shí)合金元素的添加比例則需要根據(jù)合金的功能確定[59]。雖然傳統(tǒng)的鎳基合金具有高強(qiáng)度和良好的高溫抗氧化性能，但是仍不能長期穩(wěn)定地在高溫、含鹽的環(huán)境中工作。

2）Mo。在過熱器中，奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能主要取決于表面形成的氧化膜，Mo也是不銹鋼中主要的合金元素之一，對不銹鋼的耐氯點(diǎn)蝕性起著重要的作用。Sun等[21]在研究中發(fā)現(xiàn)，Ni–Mo–Cr合金比Ni–W–Cr合金在高溫混合熔鹽下（NaCl–KCl– MgCl2）具有更好的耐腐蝕性能，認(rèn)為這是Mo元素防止Cr向外擴(kuò)散所致。另外，有研究人員發(fā)現(xiàn)Mo在氧化的過程中形成的MoO3揮發(fā)，在涂層上會(huì)形成微孔，釋放了氧化膜生長應(yīng)力和熱應(yīng)力[60]。Zhang等[12]對比了NiCr和NiCrMo涂層的顯微組織，證明Mo對涂層的顯微組織有著明顯的增強(qiáng)作用。Mo的添加在涂層制備過程中有助于WTE的防護(hù)。

3）Cr。鎳鉻合金被廣泛用于提高耐高溫腐蝕性能，因?yàn)镃r元素的選擇性氧化可以形成一個(gè)緩慢生長的保護(hù)層。在NiCr固溶體中，溶質(zhì)（Cr）優(yōu)先于Ni氧化，形成了連續(xù)的保護(hù)層，KCl–K2SO4對富鉻保護(hù)性氧化物的腐蝕性較差。在含氯氣氛中，往往Cr優(yōu)先受到攻擊，其次是Fe和Ni[61]。NiAl固溶體在KCl下表現(xiàn)出較好的腐蝕性能，但在硫化物的影響下內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的硫化現(xiàn)象[16]。Song等[37]使用液體燃料和氣體燃料的高速氧氣燃料熱噴涂（HVOF）、冷氣體動(dòng)態(tài)噴涂（CS）和激光熔覆（LC）將Ni50Cr氣體霧化粉末噴涂到電廠合金上，并且在700 ℃模擬電廠環(huán)境中進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)。無論采用何種沉積技術(shù)，Cr2O3都是主要提供防護(hù)作用的氧化產(chǎn)物。

圖5 涂層樣品和預(yù)氧化涂層樣品在Na2SO4/NaCl（質(zhì)量比為75∶25）混合鹽中900 ℃下熱腐蝕20 h后的橫截面形貌[51]

4）Al。在涂層中鋁的作用主要是在初期腐蝕過程中，在其表面形成保護(hù)性的Al2O3層，正如在鎳基高溫合金IN–738LC的研究中發(fā)現(xiàn)，對氯氣引起的熱腐蝕起保護(hù)作用的不是Cr2O3，而是Al2O3[13]。這層致密的氧化保護(hù)層在WTE的腐蝕環(huán)境中，對Na2SO4表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能[62]。在腐蝕環(huán)境中，Al2O3的形成不僅與鋁的含量相關(guān)，而且與涂層的完整度相關(guān)，如圖6所示。當(dāng)外層涂層不致密時(shí)，涂層與基體界面的氧分壓較高，基體中的Al不會(huì)通過涂層界面向外擴(kuò)散，在涂層/基體界面處直接形成Al2O3[63-64]。氧化鋁按其晶體結(jié)構(gòu)可分為α–Al2O3、β–Al2O3、θ–Al2O3和δ–Al2O3，其中α–Al2O3的耐蝕性最好，但是α–Al2O3不易在溫度650 ℃[12]下形成，所以很難在垃圾焚燒鍋爐中充分發(fā)揮作用。Fahsing等[65]對一種常用的過熱器材料（P91耐熱鐵素體–馬氏體鋼）通過滲鉻和滲鋁的方法[66]制備了鉻涂層和鋁涂層，并通過實(shí)驗(yàn)室模擬垃圾焚燒環(huán)境進(jìn)行了腐蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這2種涂層雖然都能提高防腐蝕性能，但是處于650 ℃這類較低溫度時(shí)，Al不足以在最外層表面形成穩(wěn)定的α–Al2O3，發(fā)揮不出Al的最優(yōu)特性，并且富鋁涂層的穩(wěn)定性隨著時(shí)間的延長不斷降低[67]。

5）Si。比較2種合金元素Al和Si，在提高KCl腐蝕的Fe–Cr合金的耐蝕性方面，Si似乎比Al更有效。特別是應(yīng)用于Fe–Cr–Si合金，會(huì)在基體表面形成二氧化硅保護(hù)層，抑制氧化鐵的快速生長。對于成分單一的鋁涂層，容易在高溫腐蝕環(huán)境中開裂剝落[41]，在鋁涂層的制備過程中加入Si，可以促進(jìn)Al的選擇性氧化，提高涂層內(nèi)Al的活性[68-69]。為此，Yu等[13]專門在K438鎳基合金表面制備Si改性的鋁涂層，并在混合鹽下進(jìn)行腐蝕研究，結(jié)果表明，在與金屬基體接觸的涂層中可觀察到，內(nèi)層存在很明顯的Cr3Si聚集，Si元素的添加對致密Al2O3的形成起到了重要作用。Si在涂層內(nèi)的主要作用是束縛難融元素（例如Ti、Mo、W等）向表面的擴(kuò)散，同時(shí)為Al的向外擴(kuò)散提供通道，使其能夠更加迅速地在表面形成致密的氧化鋁保護(hù)層。與此同時(shí)，Song等[70]研究發(fā)現(xiàn)，在熱浸滲鋁（HDA）和熱處理在NiCoCrAl合金表面形成Al–Si涂層的過程中，涂層表現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)，Si會(huì)使腐蝕過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。

6）Pt。采用Pt對涂層進(jìn)行改性，能夠促進(jìn)Al的選擇性氧化，增強(qiáng)氧化鋁層的結(jié)合性，緩解S的有害影響，并因其與Al的強(qiáng)親和力而保留更多的Al[71-72]。與高溫下的氧化行為不同，在熱腐蝕環(huán)境下Pt改性鋁化物涂層的研究受到了限制，觀察到鉑鋁化物涂層比簡單的鋁化物涂層具有更好的抗I型熱腐蝕性能[73]。Lai等[74]和Yang等[75]也報(bào)道了Pt在提高NiAl耐熱腐蝕性能方面的類似結(jié)果。然而，Deodes-hmukh等[76]的研究表明，當(dāng)NiAl中Pt的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，Pt對I型熱腐蝕性能的影響很小，甚至有害。同樣，過高的Pt含量也不利于NiAl化合物涂層的耐腐蝕性能。

合金的耐腐蝕性不僅取決于合金成分（如Cr、Al、Ni、Mo）的熱力學(xué)穩(wěn)定性，而且還與合金元素相互之間的影響有關(guān)，正如前面提到的Si和Al。國內(nèi)對添加合金元素來增強(qiáng)耐腐蝕能力的研究相對較少，其抗腐蝕的原理較為相似，即通過在合金內(nèi)層自發(fā)形成或促進(jìn)其他元素形成一層惰性氧化物屏障，以阻礙腐蝕介質(zhì)的入侵。這一方向，尤其是稀有元素對涂層耐蝕性的影響還需要進(jìn)一步探究。

圖6 涂層腐蝕后的掃描電鏡BSE截面圖[62]

3 預(yù)處理工藝對腐蝕的影響

在垃圾焚燒發(fā)電方面，高溫腐蝕是限制發(fā)電效率最主要的因素，提高鍋爐內(nèi)的焚燒溫度，同時(shí)避免發(fā)生很嚴(yán)重的高溫腐蝕問題，是制約垃圾焚燒發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題。除了前文提到的對材料本身進(jìn)行擇優(yōu)選擇，或者是在基材表面施加腐蝕防護(hù)涂層以外，在燃燒時(shí)或燃燒前提前對燃燒物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理（比如脫硫、脫氯），也可以降低煙氣中硫、氯的含量，減小腐蝕影響，這同樣是一個(gè)很好的研究方向。

1）脫水。在焚燒過程中，由于很大一部分生活垃圾中含有相當(dāng)高的水分，如果不做處理，直接焚燒不僅會(huì)降低總體的能量回收效率，甚至?xí)a(chǎn)生較多的滲濾液，所以有必要采用一種合適的預(yù)處理工藝來促進(jìn)垃圾中水分的蒸發(fā)，降低含水率，并提高熱值。在某些發(fā)達(dá)國家通過機(jī)械生物預(yù)處理（MBP）來進(jìn)行垃圾預(yù)處理，機(jī)械生物預(yù)處理能夠利用生物降解產(chǎn)生的生物反應(yīng)熱促進(jìn)水分的蒸發(fā)，處理后垃圾物料的含水率可以從61.2%降至11.3%[77]，能夠達(dá)到一個(gè)較為理想的預(yù)期目標(biāo)。單從降低垃圾中的含水量來說，高壓擠壓（HPE）和干餾的效果都不錯(cuò)[78]。

2）共燃劑。焚燒時(shí)在鍋爐中添加某些添加劑共同燃燒，能夠改善沉積物的物理性質(zhì)或化學(xué)性能，生成腐蝕性更小的金屬沉積鹽，或是改變焚燒過程中產(chǎn)生的煙霧成分。氧氣焚燒是一種新型的清潔焚燒技術(shù)，通過提高焚燒環(huán)境中的氧氣含量，可以減少NO等有害氣體的排放，提高焚燒效率。如果垃圾焚燒電站在氧氣含量很高的環(huán)境中工作，腐蝕劇烈程度會(huì)有所減輕。由于沒有產(chǎn)生大量的NO，二氧化碳的捕獲變得更加簡單和廉價(jià)[52]。由于該方法的成本較高，因此將其運(yùn)用于垃圾焚燒電廠還有待進(jìn)一步研究。有研究表明，在焚燒中添加石灰石、鋁土礦等，可以生成熔點(diǎn)比堿性氯化物高的堿性化合物，可以有效降低高溫腐蝕的影響[31]。在美國、丹麥、日本等國家將垃圾與煤炭混燒，煤炭中的Si、Al易與垃圾焚燒，產(chǎn)生的大量堿金屬氯化物會(huì)發(fā)生煙氣反應(yīng)。同時(shí)，在前面描述了煤中的S可以與KCl反應(yīng)生成K2SO4，也可減緩腐蝕。Salmenoja等[79]通過各種燃料的現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料中硫與氯的物質(zhì)的量之比高于4時(shí)，很少觀察到腐蝕。對于大多數(shù)煤，硫與氯的物質(zhì)的量之比大于4，而對于生物質(zhì)和垃圾燃料，通常該值小于2[80-81]，所以適當(dāng)在焚燒過程中添加S成分會(huì)降低腐蝕的影響。通過實(shí)驗(yàn)，Kim等[82]在適當(dāng)?shù)臏囟认伦⑷肓蛩猁}基添加劑，可以有效地去除KCl，與KCl相比，K2SO4的腐蝕性可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

針對垃圾焚燒鍋爐過熱器的高溫腐蝕問題，綜述了過熱器高溫腐蝕的影響因素和腐蝕機(jī)理，并分析了相關(guān)的腐蝕防護(hù)措施。包括選取合適的基體材料，利用熱噴涂、堆焊、激光熔覆等熱加工手段制備防腐涂層，也可通過對燃料進(jìn)行預(yù)處理，以減少腐蝕性沉積鹽，綜合提升材料的使用壽命。

垃圾焚燒鍋爐的高溫腐蝕問題是制約提高燃燒溫度的主要問題。在高溫腐蝕與防護(hù)的研究中，未來應(yīng)主要集中在以下3個(gè)方面。

1）開展高溫防腐涂層新技術(shù)和新材料的研究，采用新型的耐高溫腐蝕材料，在涂層材料制備和涂層基體組合上仍存在大量的探索空間。在現(xiàn)有的高溫防腐涂層技術(shù)方面，電弧噴涂技術(shù)憑借其設(shè)備簡單、成本低廉、沉積效率高、操作靈活等特點(diǎn)，在垃圾焚燒爐換熱器管壁防護(hù)方面優(yōu)勢巨大，并隨著合金粉芯絲材成分設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，展現(xiàn)出較大的潛力，有望進(jìn)一步提高電弧噴涂涂層的耐熱腐蝕性能，該技術(shù)有可能成為現(xiàn)場制備防護(hù)涂層的有效技術(shù)。超高速激光熔覆技術(shù)對于回轉(zhuǎn)體零部件，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和極高的熔覆效率，也將是未來制備過熱器管道防護(hù)涂層的重點(diǎn)發(fā)展方向。

2）增加過熱器管壁厚度，控制焚燒熱量、溫度的均勻性、燃燒氣氛，以及在垃圾焚燒中加入添加劑共燃燒等，都有利于減輕金屬的腐蝕。

3）在目前的研究中，Cl在高溫環(huán)境下對金屬的腐蝕問題始終是研究的重點(diǎn)，而在垃圾焚燒環(huán)境下S對金屬的腐蝕影響，以及S對Cl致腐蝕的抑制作用仍需進(jìn)一步研究。此外，焚燒電廠的腐蝕問題并不僅僅由單一元素影響造成，S、Cl、水蒸氣的共同耦合作用一定是未來研究的側(cè)重點(diǎn)。

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Research Progress on Corrosion Influencing Factors and Protective Coatings of Superheater in Waste Incineration Power Plants

(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Jiangsu Yangzhou 225127, China)

High-temperature corrosion of superheater tubes has been a critical problem restricting incineration temperature. Therefore, research and development of crucial service materials with high-temperature corrosion resistance and long life is the key to ensure regular operation and safe production of waste incinerators. To effectively improve waste incineration temperature and operational safety, and improve power generation efficiency, the preparation of protective coatings on the surface of superheater pipes has become a key measure to solve high-temperature corrosion. In this work, the research status of the hot corrosion in waste incineration boilers in recent years was reviewed, and the research results of corrosion and protection of superheater in waste incineration boilers were summarized. Firstly, from the perspective of the factors affecting the corrosion of the superheater, the corrosion characteristics under the influence of many factors such as chlorine, sulfur, temperature, water vapor, etc., were summarized, and the corrosion mechanism under each influencing factor was analyzed. Cl and S were the critical problems affecting corrosion. Several main high-temperature chlorine corrosion mechanisms of waste incineration were focused on the analysis, including chloride ion induced active corrosion and electrochemical corrosion. The dual effect of sulfur on corrosion, its corrosion mechanism, and sulfur can lead to the transformation from the more corrosive chloride into less corrosive sulfate under certain circumstances. Secondly, the development of coating preparation technology applied on the superheater surface was discussed, including thermal spraying, thermal diffusion, surfacing, laser cladding, etc. Specific reasons for improving alloys' corrosion resistance by various technologies were elucidated. In terms of the existing high-temperature anti-corrosion coating technology, the arc spraying technology had huge advantages in the protection of superheater tubes of the waste incinerator due to its simple equipment, low cost, high deposition efficiency and flexible operation. The continuous development of powder core wire composition design showed great potential and was expected to further improve the high-temperature corrosion resistance of arc sprayed coatings. This technology may become an effective technology for on-site preparation of protective coatings. Ultra-high-speed laser cladding technology will also be the key development direction for the preparation of superheater tube protective coatings in the future due to its unique advantages and extremely high cladding efficiency for rotary parts.

The relationship between the addition of material components (such as Ni, Mo, Cr, Al, Si, Pt and other elements) and the corrosion resistance of the coating was analyzed. The harmless disposal of flue gas was also a vital issue in the research of key service materials for waste incineration. From the perspective of incineration of garbage pretreatment, the early dewatering of garbage was discussed further. Combustion additives were added to achieve the purpose of desulfurization, dechlorination, to reduce the sulfur and chlorine content in flue gas and reduce the impact of corrosion. Because Cl, S, water vapor, and other factors in garbage are almost impossible to eliminate, when the garbage incineration temperature is too high, the corrosion of the critical heating surface still cannot be avoided entirely. The existing problems and the future development trends of typical key materials and coatings on the superheater pipe of waste incinerators were also summarized and proposed, respectively, which would provide a valuable reference for further popularization and application of typical essential service materials of waste incinerators.

waste incineration for power generation; high-temperature corrosion; protective coatings; superheater tubes

TG174.4

A

1001-3660(2023)02-0158-14

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.0014

2021–12–10；

2022–03–29

2021-12-10；

2022-03-29

國家自然科學(xué)基金（52101100）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（21KJB430008）；揚(yáng)州大學(xué)“青藍(lán)工程”項(xiàng)目（2022）

National Natural Science Foundation of China (52101100); General Project of Natural Science Research in Colleges and Universities of Jiangsu Province (21KJB430008); Qing Lan Project of Yangzhou University (2022)

吳多利（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧细g與防護(hù)。

WU Duo-li (1987-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: corrosion and protection of metals.

張超（1981—）男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闊釃娡拷Y(jié)構(gòu)與功能涂層。

ZHANG Chao (1981-), Male, Doctor, Professor, Research focus: thermal sprayed structural and functional coatings.

吳多利, 鄭家銀, 劉蘇, 等.垃圾焚燒電廠過熱器腐蝕影響因素及防護(hù)涂層研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(2): 158-171.

WU Duo-li, ZHENG Jia-yin, LIU Su, et al. Research Progress on Corrosion Influencing Factors and Protective Coatings of Superheater in Waste Incineration Power Plants[J]. Surface Technology, 2023, 52(2): 158-171.

責(zé)任編輯：彭颋