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垃圾电厂焚烧炉高温腐蚀分析及防护技术

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-07-03     

垃圾焚烧炉是当前处理生活垃圾的方法,它具有减容化、无害化和资源化特点。但是垃圾焚烧过程对余热锅炉受热面的腐蚀相当严重,使余热锅炉受热面使用寿命大大缩减、经常性的更换受热面对垃圾焚烧炉安全运行造成了困扰。针对垃圾焚烧余热锅炉受热面的腐蚀问题,通常采用在锅炉管外壁热喷涂、堆焊耐高温、耐腐蚀的镍基合金材料的方法,但是热喷涂尽管成本低廉、效果却不理想,堆焊对锅炉基材损伤严重并且施工效率极低,很难满足锅炉受热面批量生产的要求。采用镍基合金微熔焊技术,快速、高效地解决垃圾焚烧炉受热面管的腐蚀问题,延长锅炉受热面的使用寿命。

02

垃圾炉受热面高温腐蚀机理

2.1垃圾焚烧中的腐蚀性成分

1)Cl的腐蚀

近几年来,塑料制品及塑料包装材料在垃圾中所占的比重不断增加,垃圾中的合成树脂类如聚氯乙烯(PVC)、人造橡胶、人造革、泡沫塑料等含有较多的有机氯化物,而厨房垃圾则含有氯化钠、氯化钾和氯化镁等无机氯化物,造成了烟气中的各种有机氯和无机氯浓度提高。Cl在高温下,往往以气态HCL、CL2和金属氯化物KCL、Nacl、Zncl2、Pbcl2等沉积物出现在焚烧环境中,导致了几种腐蚀形式出现:

其一是气相腐蚀:在焚烧炉的高温含氯气氛中,直接导致气相腐蚀;

其二是氧化还原反应腐蚀:金属氯化物低熔点灰分沉积盐与金属表面的氯化膜发生氧化还原反应腐蚀基体;

其三是电化学腐蚀:金属氯化物与烟气中其他无机盐共同沉积在金属表面,形成低熔点共晶体,大大降低积灰的熔点,在高温的管壁上产生熔融性的腐蚀性盐,在积灰-金属交界面形成局部液相,形成电化学腐蚀氛围,基体金属发生阳极溶解,相应地气氛中的两种氧化剂O2和CL2被还原,基体金属被进一步氧化并与结合成疏松的氧化物粒子形成沉积,或与CL-结合生成氯化物,这样随着腐蚀的进行,就在熔融氯化物的外表面形成一层疏松的外氧化膜,由于金属离子在熔融盐中的扩散速度较大,因此这一电化学过程严重腐蚀垃圾焚烧余热锅炉的过热器、水冷壁。

2) S的腐蚀

硫的腐蚀主要是碱金属的热腐蚀,即Na3Fe(SO4)3及K3Fe(SO4)3的腐蚀。

3) 高温腐蚀

高温的产生,一是锅炉实际运行温度越来越高,二是锅炉受热面的清灰不及时或清灰效果不佳,使得受热面的传热受阻,导致受热面的表面温度过高。高温腐蚀,与前述CL腐蚀、S腐蚀是相伴存在的。高温环境引发了CL2和HCL的产生,加速了腐蚀量和腐蚀速度。

4) 高参数化的腐蚀问题

高参数化有两个方面的原因。

第一,垃圾热值在逐渐提高,超出了早期所建设的垃圾焚烧厂设计的额定值。以上海市生活垃圾为例,2010 年,生活垃圾焚烧厂的入炉垃圾低位热值为5862kJ/kg(1400kcal/kg),因此2010 ~ 2013 年上海新建的焚烧厂垃圾的低位热值设计点一般选取6700kJ/kg(1600kcal/kg)~ 7118kJ/kg(1700kcal/kg)。而近些年来垃圾热值有了大幅提高,目前上海城区生活垃圾的入炉垃圾热值已达到8356kJ/kg(2000kcal/kg)以上。

第二,近年来垃圾焚烧锅炉向大型化、高参数化发展。

5) 腐蚀环境下的磨损

垃圾燃烧时产生的大量灰粉冲刷受热面管,使受热面管外表面受到不同程度的磨损。

在上述多重因素共同作用下,受热面管从外向内不断地被氧化、腐蚀和磨损,使之逐渐减薄,当承受不了管内汽水压力时发生爆管事故,造成发电机组非停。

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过热器减薄现象

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管路漏水

03

垃圾炉受热面常规表面防护措施

针对垃圾焚烧余热锅炉的腐蚀问题,国际上通常采用碳钢 Inconel625复合管、热喷涂、堆焊等方法来抑制或延缓腐蚀,提升材质抗腐蚀能力,主要是适合垃圾热值比较高的情况。在国外垃圾焚烧厂,水冷壁采用镍基材料堆焊极为普遍,特别是欧美国家,由于垃圾热值高达9540KJ左右,水冷壁堆焊防腐几乎是一个标配方案。

3 .1热喷涂

热喷涂技术是解决锅炉四管磨损问题的一项工艺,包括很多工艺方法,按照热源形式不同可大体分为四大类:火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂等。目前,火焰喷涂不锈钢类材料,在国内外电厂广泛釆用。但等离子喷涂和超音速喷涂,在国内应用不多。

热喷涂技术因其强大的材料适应能力,在许多工况下具有耐磨损能力、耐腐蚀能力、耐高温能力、绝缘能力等。但在垃圾焚烧条件下,热喷涂技术因其较低的结合力(通常<100MPa)和较高的孔隙率(通常>1%),应用效果不太理想。但在欧美、日本也是有不少应用的。

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国外在线超音速喷涂 

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离线超音速喷涂

热喷涂技术特点:

材料可选性高(锅炉行业主流体系为NiCr);

涂层硬度高(可达HV1100以上),耐磨性好;

涂层耐腐蚀性好;

喷涂过程无基材稀释、无变形;

喷涂施工易于实现

不足之处在于结合力低,易剥落,耐热震能力差。

3.2 堆焊(手工电弧、丝极或带极埋弧焊、等离子弧堆焊、CMT堆焊)

堆焊是指借助一定的热源手段,将具有一定使用性能的合金材料熔敷在基体材料表面,赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法,是重要的表面工程技术之一。堆焊不同于一般焊接方法,主要是通过对基体表面进行改性,以获得所需要的耐磨、耐热和耐腐蚀等特殊性能;常用的堆焊类型有手工电弧堆焊、丝极或带极埋弧堆焊、等离子弧堆焊和 CMT (冷金属过渡)堆焊,焊丝通常是采用具有超高强度、

针对垃圾焚烧发电厂水冷壁高温腐蚀及其引起的泄露情况,通过试验及相关研究分析表明,主要是高温氯化腐蚀,通过采用 INCONEL 625 镍基焊接材料堆焊防腐处理可以有效抑制或延缓水冷壁管高温氯化腐蚀。目前在中国市场,主流堆焊技术采用的是CMT堆焊技术。但在欧美市场,也有采用激光技术进行水冷壁制造的技术。

但是采用堆焊技术成本高昂,并且堆焊制造效率很低,严重制约了镍基材料在垃圾焚烧炉受热面上的应用。

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CMT堆焊技术

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激光熔覆技术

3.3 微熔焊技术

微熔焊技术是最近新研发的一种适用于垃圾焚烧炉过热器、水冷壁或其他锅炉受热面镍基材料处理的防腐工艺,该工艺熔覆涂层和金属基体属于冶金结合防护涂层。

微熔焊技术用一定的工艺参数在处理过程中可以使基体微熔或不熔,得到低稀释率的熔覆层,熔覆层与基体结合十分牢固,而且这种结合是属于冶金结合。

微熔焊技术采用的加热技术向熔覆层输入的能量几乎刚好使预置层熔化,尽管此时基体尚未熔化,但从熔融的合金粉末可在基体表面浸润可以说明,此时基体的表面温度已经被加热到合金粉末熔点以上的温度(>1000°C)。在这样高的温度下Fe原子和Ni原子可以发生相互扩散,形成一定厚度的固溶体扩散层。而且界面结合处的成分过渡曲线不是一条陡变的垂直线,而是约有几微米的过渡区,这一典型现象说明在熔覆层与基体的界面结合处存在一个区域很窄的共混,在涂层与基体之间形成了扩散转移层,涂层与基体之间形成微冶金结合,结合强度高,不易脱落。



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