垃圾发电焚烧炉受热面腐蚀及改进措施.pdf
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1、2023年第6 期特种设备安全技术垃圾发电焚烧炉受热面腐蚀及改进措施汪树民石坤熊丨王豪江毅摘要垃圾发电是解决我国城市生活垃圾的主要方式,但是随着垃圾热值和处理能力的提升,楚烧炉受热面经常会出现高温腐蚀和结焦问题。因此从高温腐蚀、氯腐蚀、SNCR引起的腐蚀和积灰诱发腐蚀四个方面分析了发生高温腐蚀的主要原因,并提出了针对性的改进措施,即喷涂防腐涂层和燃烧调整。并通过实际改造证实了喷涂涂层和适当增大二次风风量可以有效改善受热面腐蚀和结焦问题。其中增大二次风量可以降低炉膛烟气温度,使其低于飞灰灰熔点,不容易发生结焦和烧结问题。关键词高温腐蚀结焦、防腐涂层燃烧调整垃圾发电的积灰颗粒很难被冷却,变为熔融颗
2、粒,导致积灰层黏1 引 言性增大,更容易捕捉烟气中的灰颗粒,从而形成更厚的垃圾焚烧发电是处理生活垃圾的一种最有效方式,实现了废弃资源再利用,在我国得到了快速发展-2。但在实际应用中,垃圾焚烧炉很容易发生高温腐蚀问题,是制约垃圾发电发展的主要因素之一。特别随着装机容量不断增大,炉内温度不断升高,高温腐蚀问题就变得更加严重4。相比其他国家,我国生活垃圾成分比较复杂,而且跟季节也有关。生活垃圾中一般含有碱金属、氯和硫等腐蚀性物质,这些物质在燃烧时会释放出来,并且发生复杂的反应,导致垃圾焚烧炉烟气侧受热面腐蚀情况非常严重,腐蚀程度远高于燃煤锅炉。因此国内外很多学者对垃圾焚烧炉受热面的腐蚀情况进行了研究
3、,认为腐蚀区域主要发生在水冷壁、过热器、省煤器和尾部烟道等部位,与烟气中的氯化物、硫化物和碱金属化合物有密切的关系 4。此外,炉内烟气组分、温度和受热面积灰等也会加剧腐蚀程度 5。目前,虽然垃圾焚烧炉高温腐蚀的研究取得了一定的成果,然而腐蚀问题仍然没有得到有效解决,还需要进一步探讨和分析。本文主要从高温腐蚀机理和预防措施角度出发,对垃圾焚烧炉高温腐蚀进行详细的研究。2受热面腐蚀机理2.1高温腐蚀高温腐蚀一般发生在水冷壁和过热器。水冷壁发生高温腐蚀与局部还原性气氛有直接关系,而且还原性气氛越强,腐蚀程度越严重,通常发生在燃烧室交界的位置。过热器发生高温腐蚀主要是HCl、Cl 和SO,等气体引起的
4、。高温腐蚀的另一个原因是炉内温度过高导致的。目前,我国城市实行了生活垃圾分类,生活垃圾的实际热值远高于焚烧炉的设计热值,而且为了提高垃圾日处理量,焚烧炉经常超负荷运行,导致炉内烟气温度过高,管壁温度也很高。已有研究表明,当管壁温度大于350时,管壁的腐蚀速度会明显增大,而且腐蚀速度与温度呈正相关。此外,当管壁温度升高时,沉积表面收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 2积灰层。积灰层变厚会使管壁导热性能变差,还会与管壁发生反应,从而破坏管壁,加剧腐蚀速度 0。2.2氯腐蚀氯腐蚀就是指HCl、Cl 和氯盐诱发的腐蚀,在受热面表面通常有厚厚的积灰层,积灰层与管壁表面之间有一层氯化物FeCl,即管壁表
5、面出现了Cl富集。FeCl,会导致管壁氧化膜变得疏松多孔,最后脱落,管壁更容易被破坏和腐蚀。FeCl,是由 HCl 和 Cl,气体与管壁氧化膜发生腐蚀反应产生的,HCI和Cl,气体是垃圾在焚烧时产生的。当烟气中的HCl浓度大于6 0 0 mg/L时并且管壁温度大于30 0 时,氯腐蚀就会发生,主要表现为管壁氧化膜和管壁出现许多裂痕。Cl离子或Cl,可直接与氧化膜发生反应,形成低熔点的FeCl3,从而破坏氧化膜;然后FeCl还可以向外扩散被氧化,将Cl离子或Cl,重新释放出来,不断破坏氧化膜和管壁,如图1所示。FeFeCl,FeO300-400温度段Fe.0.500-640C温度段HCICl一般
6、当垃圾成分中氯含量大于0.35%时,管壁腐蚀速度就会增加,而且腐蚀程度要比硫腐蚀严重。在腐蚀初期,氯腐蚀速度不断增大,在后期氯腐氯蚀速度趋于稳定。氯腐蚀还会促进K和Na对管壁的腐蚀,特别是碱金属氯化物,它本身熔点很低,在CI的作用下会形成熔点更低的共融体,更容易与管壁发生反应,加速受管壁腐蚀和破损。在垃圾焚烧炉中,CI是引起高温腐蚀的主要诱因。2.3脱硝引发腐蚀垃圾焚烧炉都配有SNCR装置,可以有效减少烟气中NOx的生成,从而达到环保要求。但SNCR会使炉内形成还原性气氛,在还原性气氛中H,S可以稳定存在,并与管壁发生反应生成FeS,腐蚀和破坏管壁,诱发管Fe500益度段Fe:0,FeCl.F
7、e.O.500温度段水蒸气空气垃圾煲烧炉图1受热面高温氯腐蚀过程HCICl.10特种设备安全技术2023年第6 期壁高温腐蚀问题 8 。炉内还原性气氛越强,H,S浓度就会越高,腐蚀就会更严重。SNCR以尿素为还原剂,尿素在高温下被立即分解为NH,和HNCO等,这些气体可以将烟气中的NOx还原为N2。但是一般情况下HNCO会有剩余,会随烟气一起流动,并在回旋区域形成酸雾,不断腐蚀此区域管壁,加速腐蚀发生,而且尿素本身对金属也有腐蚀的作用。2.4积灰诱发腐蚀垃圾焚烧后会产生灰颗粒,部分灰颗粒会沉积在受热面上形成积灰层。当积灰层中含有碱金属化合物时,例如低熔点的KCl和PbCl,等,此时积灰层很容易
8、转变为熔融状态的灰渣层。这些化合物还会与管壁的氧化膜发生腐蚀反应,形成熔点更低的共晶体,并且沉积在管壁表面,不断地捕集烟气中的灰颗粒,加速受热面的腐蚀和破坏,如图2 所示 9 。燃烧可燃基%有机态C垃圾燃料破碎、挥发有机态无机态无机态CI矿物质中保留的离蚀元素图2 受热面积灰腐蚀示意图此外,当积灰中含有K,SO4和Na2SO4等硫酸盐时,还会发生熔融盐腐蚀,进一步加速管壁腐蚀。过热器发生腐蚀还有温度波动的影响,温度波动会对管壁产生热应力冲击,从而使得管壁出现裂痕,更容易发生腐蚀。通过对过热器和尾部受热面被腐蚀的典型区域进行相关表征分析,可以发现是是温度波动引起的热应力冲击破坏和积灰中氯和硫不断
9、腐蚀管壁共同作用的结果。3改进措施焚烧炉受热面最常见的防腐蚀方式主要有敷设耐火材料、涂层以及采用耐腐蚀管材,还有就是改进燃烧方式。其中,相比耐火材料,涂层不会引起管壁换热效率降低,是受热面防腐蚀的重要方式,也是最直接的方式。而改进燃烧方式是间接阻止高温腐蚀的有效措施。3.1防腐涂层根据喷涂材料种类的不同,可将涂层分为合金涂层、陶瓷涂层和纳米涂层。(1)合金涂层主要是镍系合金涂层和镍铬合金涂层。刘栋等 12 使用Ni60合金粉通过等离子堆焊方式制取了耐高温腐蚀的镍系合金涂层。陈威等 13 通过添加不同量的Mo粉制取了镍铬钻合金涂层,发现Mo粉质量分数在2 0%左右时,镍铬钻合金涂层可以耐高温8
10、0 0 并且无裂纹产生。(2)陶瓷涂层与合金涂层相比,陶瓷具有更强的耐高温性能,但陶瓷本身比合金要脆,容易损坏。可通过采用独立的陶瓷衬板代替陶瓷涂层来防止陶瓷发生开裂,但陶瓷衬板一般比较厚,会降低受热面的导热性能,这对焚烧炉是不利的。池作和在过热器上涂覆复合陶瓷并研究在S环境下复合陶瓷的抗高温腐蚀性能,结果表明复合陶瓷抗高温腐蚀能力要优于合金涂层。并且采用热化学反应法在2 0 G上喷涂复合陶瓷涂层,发现复合陶瓷还具有抗SO2、H,S气体高温腐蚀的特点,抗熔盐腐蚀能力提高将近2 倍141。(3)纳米涂层纳米颗粒具有体积小、分布均匀和表面活性高的特点,所以在喷涂过程和升温过程中可以被均匀加热,形成
11、的涂层致密性高,可以有效阻止腐蚀介质穿过涂层进入管壁内部。同时纳米氧化物可以有效抑制表面颗粒物长大,具有良好的抗高温性能和抗氧化性能。但目前纳米陶瓷涂层由于工艺和配方限制,涂层并没有进人商业化应用,还需要进一步试验和研究 10 。3.2喷涂方式气体HCI热分解、氧化、0单质气体C:未燃旋燃料底灰细东(Q2um)可挥发性的质蚀成分冷证化学作用同冷藏细颗粒(0.0 2-0.5)底灰主要的涂层喷涂方式包括:堆焊、电弧喷涂、火焰喷涂、激光熔覆和等离子喷涂等,但最常使用的喷涂技术为堆焊、电弧喷涂、火焰喷涂。(1)堆焊堆焊技术能够使得堆焊层与管壁完全的结合,涂层HCI/CI:80受热面管束更加牢固和结实。
12、但堆焊技术对施工要求比较苛刻,很容易引起管道变形,而且重复堆焊会导致堆焊层脆化,甚至产生裂纹或断裂导致堆焊层失效。常用的堆焊材料有Inconel625和C276等镍基合金焊丝,主要成分是Ni、Cr、M o 和其他微量元素,具有良好的耐高温腐蚀性能7。(2)电弧喷涂电弧喷涂技术相对操作简单,喷涂效率高,所以被广泛应用于实际工程中。电弧喷涂是最适合进行现场大面积喷涂的技术。目前国内焚烧炉普遍采用电弧喷涂技术+PS45涂层作为主要的抗高温腐蚀防护措施8 。PS45涂层主要成分是Ni和Cr,其中Cr含量在45%左右。PS45涂层表面一般有Cr.0,和Cr,NiO4的连续薄膜,因此具有更强的耐高温腐蚀性
13、能。(3)火焰喷涂火焰喷涂技术可以选择不同的喷涂材料进行喷涂,可以是金属、陶瓷和大多数的复合材料,喷涂材料的形状也不受限制。火焰喷涂技术也很成熟,并且适应性强,是热喷涂技术中应用最为广泛的一种喷涂工艺。刘晓明等 2 0 采用高速火焰喷涂技术在2 0 钢上涂覆了Fe-Al/Cr.C,涂层,发现涂层内层存在有致密的Al,O,和Cr,O,连续薄膜,抗高温腐蚀性能明显要优于Fe-Al涂层。3.3改进燃烧方式(1)适当调整一次风量当料层厚度在6 0 0 8 0 0 mm时,适当减小一次风量,避免风量太大,垃圾燃烧速度太快而引起炉内超温,从而导致受热面发生高温腐蚀问题,所以,一定要调小一次风量,严格的将控
14、制炉温在8 50 10 2 0,避免超温发生。如果燃烧高热值垃圾(例如橡胶),应该调节二次风来控制炉温,防止超温,必要时可以掺烧低热值的垃圾(例如未发酵过的垃圾)来降低炉温。如果垃圾发酵时间不够,可以将一次风量调大,但不能太大,也就是说料层的厚度和风量要控制好,主要2023年第6 期是根据炉温来调节。这样做的目的是保证受热面不超温,炉内CO浓度不太高,从而抑制受热面高温腐蚀的发生。(2)增设贴壁风贴壁风被广泛应用于煤粉炉中,是有效解决受热面高温腐蚀的方法之一。一般发生高温腐蚀的受热面主要原因是此区域烟气温度太高,CO浓度太高导致的。那么在此区域通入一定量的空气,可以降低此区域的烟气温度,同时还
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