垃圾焚燒爐是垃圾焚燒發(fā)電廠的心臟，其性能直接影響垃圾焚燒處理的綜合排放指標(biāo)和全套設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。目前以機(jī)械爐排焚燒爐的應(yīng)用最為廣泛。其基本工作原理是垃圾通過進(jìn)料斗進(jìn)入爐排，爐排分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)、燃盡區(qū)，垃圾依次通過爐排上的各個(gè)區(qū)域，直至燃盡排出爐排。
燃燒空氣從爐排下部進(jìn)入與垃圾混合，燃燒后的煙氣通過鍋爐的受熱面，加熱過熱蒸汽，而同時(shí)被冷卻的煙氣經(jīng)過凈化處理排出。高溫腐蝕、二惡英污染和重金屬粉塵污染是垃圾焚燒過程中存在的3大主要問題。
對(duì)鍋爐的過熱器而言，煙氣成分、煙氣溫度等因素對(duì)其造成的腐蝕遠(yuǎn)高于一般常規(guī)鍋爐，為達(dá)到防腐的要求，通常采用提高鋼材等級(jí)方法，使得設(shè)備造價(jià)大幅度增長(zhǎng)。本文通過具體案例，分析過熱器腐蝕的原因，進(jìn)而提出相應(yīng)的改造維修建議和預(yù)防過熱器腐蝕的措施，促進(jìn)垃圾焚燒鍋爐安全運(yùn)行。
1概述
廈門市某垃圾焚燒發(fā)電廠2臺(tái)鍋爐，由無錫某鍋爐有限公司制造，鍋爐型號(hào)為：UG-300-23.53/4.0/400-W，鍋爐額定出口壓力為4.0MPa，額定出口溫度為400℃，額定蒸發(fā)量為23.53t/h，于2010年11月制造，2013年投入運(yùn)行，至今累計(jì)運(yùn)行2萬多h。日處理垃圾量2×300t/d;裝機(jī)容量1×12MW余熱爐型，中壓自然循環(huán)單汽包，W型布置立式。其過熱器結(jié)構(gòu)形式如下：過熱器由低溫段的一級(jí)過熱器、中溫段的二級(jí)過熱器和高溫段的三級(jí)過熱器組成并布置在第3通道內(nèi)(見圖1)，2級(jí)噴水減溫器布置在2過熱器之間。
飽和蒸汽進(jìn)入一級(jí)過熱器入口集箱，再進(jìn)入由44排38mm×4mm管子組成的一級(jí)過熱器，蒸汽經(jīng)過一級(jí)噴水減溫器后引入到二級(jí)過熱器的入口集箱，再進(jìn)入由44排34mm×4.5mm管子組成的二級(jí)過熱器，然后蒸汽經(jīng)過二級(jí)噴水減溫器后進(jìn)入三級(jí)過熱器入口集箱，再進(jìn)入由37排34mm×4.5mm管子組成的三級(jí)過熱器，最后過熱蒸汽進(jìn)入集汽集箱。
二級(jí)過熱器和三級(jí)過熱器管子的材料為12Cr1MoVG，一級(jí)過熱器管子的材料為20G/GB5310，一、二級(jí)過熱器橫向節(jié)距為120mm，三級(jí)過熱器橫向節(jié)距為145mm。過熱器管子和集箱均支撐在水冷壁上，與水冷壁一起向上膨脹。
二、三級(jí)過熱器的梳形板支架的材質(zhì)為06Cr25Ni20。鍋爐的煙氣流程為：爐膛→冷卻室1→冷卻室2→凝渣管→三級(jí)過熱器→二級(jí)過熱器→一級(jí)過熱器→省煤器。部件特性詳見表1。
2016年10月鍋爐首次內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐三級(jí)、二級(jí)過熱器管子表面存在大面積腐蝕、氧化現(xiàn)象，梳形板位置的管子外表面存在局部腐蝕凹坑。腐蝕、氧化最嚴(yán)重部位為三級(jí)過熱器從下往上數(shù)第1排，其最小剩余壁厚為3.0mm，最大腐蝕凹坑深1.5mm。鍋爐三級(jí)、二級(jí)過熱器管排的托架、梳形板沿?zé)煔夥较蚋g減薄嚴(yán)重，部分變形、脫落(詳見圖2)。鍋爐使用至2017年4月，腐蝕情況進(jìn)一步加劇。
2腐蝕原因分析
(1)高溫腐蝕。垃圾焚燒鍋爐過熱器的高溫腐蝕過程一般是經(jīng)過純氣體腐蝕、熔鹽腐蝕、固相附著物參與的氣體腐蝕、腐蝕氣體參與的熔鹽腐蝕等一系列復(fù)雜的、持續(xù)的腐蝕反應(yīng)。垃圾焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵泻写罅康腍Cl、Cl2及SO3等腐蝕性氣體，致使過熱器管產(chǎn)生明顯腐蝕。高溫腐蝕主要是HCl、Cl2及SO3等腐蝕性氣體對(duì)管壁的直接和間接腐蝕，以及焦硫酸鹽和堿金屬對(duì)管壁的熔鹽腐蝕。
氯化物和氯氣對(duì)過熱器管壁的腐蝕機(jī)理如下：HCl溶于焦硫酸鹽中，破壞管壁氧化膜和金屬。
Fe2O3+6HCl→2FeCl3+3H2O
腐蝕產(chǎn)物與其它氯化物(RCl)一起滲入熔池，當(dāng)接觸到管壁，發(fā)生下列反應(yīng)：
Fe+2FeCl3→3FeCl2
4FeCl3+3O2→2Fe2O3+6Cl2↑
同時(shí)，煙氣中的氯氣也具有很強(qiáng)的氧化性，與管壁金屬及氯化物作用發(fā)生如下反應(yīng)：
Cl2+2FeCl2→2FeCl3
2Fe+3Cl2→2FeCl3
此外，HCl進(jìn)入溶池還可能與金屬發(fā)生下列反應(yīng)：
Fe+2HCl→FeCl2+H2↑
FeO+2HCl→FeCl2+H2O
腐蝕產(chǎn)物中FeCl3的熔點(diǎn)為303℃，能顯著揮發(fā)。只要
HCl、Cl2和O2得到不斷補(bǔ)充，腐蝕反應(yīng)就一直會(huì)進(jìn)行下去。
隨管壁溫度升高，腐蝕反應(yīng)越劇烈，以上反應(yīng)在管壁溫度為400～600℃時(shí)最為活躍。
除此之外，處于垃圾焚燒環(huán)境中的金屬材料，其表面上粘附堆積的粉塵中除金屬氧化物外，還含有高濃度的堿金屬、堿土金屬和其他重金屬的氯化物和硫酸鹽，其中PbCl2、ZnCl2和SnCl2都是低熔點(diǎn)的氯化物，其他的氯化物如NaCl、KCl和FeCl2熔點(diǎn)雖不太低，但可與其他物質(zhì)結(jié)合形成低熔點(diǎn)的共晶混合物，大大增加了高溫部件金屬材料的腐蝕速率。
該鍋爐煙氣從冷卻室2經(jīng)過凝渣管到三級(jí)過熱器入口處時(shí)煙氣溫度為623℃;二級(jí)過熱器入口處煙氣溫度為544℃;管內(nèi)蒸汽溫度為400℃。此時(shí)管壁溫度正處于腐蝕反應(yīng)最活躍的溫度區(qū)間400～600℃，因此加劇了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。另外，在托架附近，由于燃燒積灰附著在金屬上，存在熔鹽腐蝕，破壞金屬氧化膜，造成腐蝕持續(xù)進(jìn)行。
(2)電化學(xué)腐蝕。鍋爐的二級(jí)、三級(jí)過熱器系統(tǒng)的梳形板支架的材質(zhì)為06Cr25Ni20，不銹鋼由于含有鎳、鉻等金屬而變得不活潑，電極電位高于普通碳鋼。但當(dāng)不銹鋼與碳鋼接觸時(shí)，就可形成一個(gè)電化學(xué)原電池。在這個(gè)原電池里，碳鋼是負(fù)極，不銹鋼是正極。于是碳鋼會(huì)因不銹鋼的接觸加速氧化而腐蝕。所以，過熱器管子與不銹鋼托架接觸的部位附近腐蝕最嚴(yán)重。
(3)鍋爐設(shè)計(jì)不合理。該鍋爐三級(jí)過熱器位于凝渣管上方位置，煙氣由冷卻室2經(jīng)過凝渣管轉(zhuǎn)彎往三級(jí)過熱器入口時(shí)直接沖向三級(jí)過熱器支撐處，鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不合理(圖3)，導(dǎo)致煙氣偏斜集中，造成該位置熱量最集中，鍋爐腐蝕最嚴(yán)重;同時(shí)，該位置向火側(cè)遭受煙氣沖刷。在腐蝕和煙氣沖刷的雙重作用下，導(dǎo)致腐蝕程度加劇。
3改造維修建議
針對(duì)這2臺(tái)鍋爐存在的問題，建議使用單位請(qǐng)具有相應(yīng)資質(zhì)的鍋爐制造單位、改造維修單位出具改造、維修方案，更換二級(jí)、三級(jí)過熱器全部管屏及梳形板、托架;改造鍋爐凝渣管。
(1)對(duì)鍋爐原設(shè)的三級(jí)過熱器管進(jìn)行切除、更換，焊口為爐外側(cè)靠近集箱處。三級(jí)過熱器管子材質(zhì)：12Cr1MoVG，規(guī)格為：34mm×4.5mm，新過熱器管屏結(jié)構(gòu)不變。
(2)更換鍋爐三級(jí)過熱器管束的疏形板、托架及過熱器穿墻處的密封板等附件。
(3)改變鍋爐煙氣冷卻室的保溫材料，增加冷卻室的吸收熱量，降低煙氣出口溫度。
(4)改造凝渣管，調(diào)整煙氣流方向，使煙氣流大部分沖向第三通道中部，從而避免煙氣流正面沖向三級(jí)過熱器支座的狀況，減少煙氣對(duì)過熱器支座的腐蝕。
(5)增加凝渣管換熱管子的數(shù)量，從而降低煙氣進(jìn)入過熱器系統(tǒng)的溫度，消除和減少可能發(fā)生的高溫腐蝕現(xiàn)象。改造后的熱力計(jì)算匯總表，見表2。
4預(yù)防腐蝕措施
針對(duì)垃圾焚燒鍋爐過熱器腐蝕原因，提出以下建議和措施：
(1)可考慮采用Ca基吸收劑[如Ca(OH)2、CaCO3等]對(duì)垃圾焚燒生成的大量HCl和Cl2進(jìn)行吸收。
(2)在過熱器管外壁進(jìn)行熱噴涂耐腐蝕金屬涂層或耐高溫防腐蝕涂層，防止由于Cl、S等元素導(dǎo)致過熱器管外壁的快速腐蝕。
(3)采用耐腐蝕高溫合金鋼。解決過熱器高溫腐蝕現(xiàn)象，如果用高Cr鋼作為受熱面管子的材料，在高Cr鋼材料表面會(huì)形成致密的氧化膜Cr2O3，其具有良好的耐熔融硫酸鹽的腐蝕性能。
(4)可以通過改變鍋爐結(jié)構(gòu)型式和受熱面布置位置，以控制進(jìn)入過熱器的煙氣溫度，使過熱器管壁溫避開高溫腐蝕嚴(yán)重區(qū)域，在一定限度內(nèi)降低腐蝕反應(yīng)速度，從而減輕高溫腐蝕;同時(shí)合理控制煙氣流動(dòng)，從而強(qiáng)化傳熱并減輕過熱器積灰腐蝕。
綜上所述，根據(jù)垃圾焚燒余熱鍋爐的實(shí)際情況，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，可以有效減輕過熱器腐蝕，促進(jìn)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
來源:能源與環(huán)境 徐火力
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