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      垃圾電廠焚燒爐高溫腐蝕分析及防護技術

      文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019-07-03     

      垃圾焚燒爐是當前處理生活垃圾的方法,它具有減容化、無害化和資源化特點。但是垃圾焚燒過程對余熱鍋爐受熱面的腐蝕相當嚴重,使余熱鍋爐受熱面使用壽命大大縮減、經常性的更換受熱面對垃圾焚燒爐安全運行造成了困擾。針對垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面的腐蝕問題,通常采用在鍋爐管外壁熱噴涂、堆焊耐高溫、耐腐蝕的鎳基合金材料的方法,但是熱噴涂盡管成本低廉、效果卻不理想,堆焊對鍋爐基材損傷嚴重并且施工效率極低,很難滿足鍋爐受熱面批量生產的要求。采用鎳基合金微熔焊技術,快速、高效地解決垃圾焚燒爐受熱面管的腐蝕問題,延長鍋爐受熱面的使用壽命。

      02

      垃圾爐受熱面高溫腐蝕機理

      2.1垃圾焚燒中的腐蝕性成分

      1)Cl的腐蝕

      近幾年來,塑料制品及塑料包裝材料在垃圾中所占的比重不斷增加,垃圾中的合成樹脂類如聚氯乙烯(PVC)、人造橡膠、人造革、泡沫塑料等含有較多的有機氯化物,而廚房垃圾則含有氯化鈉、氯化鉀和氯化鎂等無機氯化物,造成了煙氣中的各種有機氯和無機氯濃度提高。Cl在高溫下,往往以氣態HCL、CL2和金屬氯化物KCL、Nacl、Zncl2、Pbcl2等沉積物出現在焚燒環境中,導致了幾種腐蝕形式出現:

      其一是氣相腐蝕:在焚燒爐的高溫含氯氣氛中,直接導致氣相腐蝕;

      其二是氧化還原反應腐蝕:金屬氯化物低熔點灰分沉積鹽與金屬表面的氯化膜發生氧化還原反應腐蝕基體;

      其三是電化學腐蝕:金屬氯化物與煙氣中其他無機鹽共同沉積在金屬表面,形成低熔點共晶體,大大降低積灰的熔點,在高溫的管壁上產生熔融性的腐蝕性鹽,在積灰-金屬交界面形成局部液相,形成電化學腐蝕氛圍,基體金屬發生陽極溶解,相應地氣氛中的兩種氧化劑O2和CL2被還原,基體金屬被進一步氧化并與結合成疏松的氧化物粒子形成沉積,或與CL-結合生成氯化物,這樣隨著腐蝕的進行,就在熔融氯化物的外表面形成一層疏松的外氧化膜,由于金屬離子在熔融鹽中的擴散速度較大,因此這一電化學過程嚴重腐蝕垃圾焚燒余熱鍋爐的過熱器、水冷壁。

      2) S的腐蝕

      硫的腐蝕主要是堿金屬的熱腐蝕,即Na3Fe(SO4)3及K3Fe(SO4)3的腐蝕。

      3) 高溫腐蝕

      高溫的產生,一是鍋爐實際運行溫度越來越高,二是鍋爐受熱面的清灰不及時或清灰效果不佳,使得受熱面的傳熱受阻,導致受熱面的表面溫度過高。高溫腐蝕,與前述CL腐蝕、S腐蝕是相伴存在的。高溫環境引發了CL2和HCL的產生,加速了腐蝕量和腐蝕速度。

      4) 高參數化的腐蝕問題

      高參數化有兩個方面的原因。

      第一,垃圾熱值在逐漸提高,超出了早期所建設的垃圾焚燒廠設計的額定值。以上海市生活垃圾為例,2010 年,生活垃圾焚燒廠的入爐垃圾低位熱值為5862kJ/kg(1400kcal/kg),因此2010 ~ 2013 年上海新建的焚燒廠垃圾的低位熱值設計點一般選取6700kJ/kg(1600kcal/kg)~ 7118kJ/kg(1700kcal/kg)。而近些年來垃圾熱值有了大幅提高,目前上海城區生活垃圾的入爐垃圾熱值已達到8356kJ/kg(2000kcal/kg)以上。

      第二,近年來垃圾焚燒鍋爐向大型化、高參數化發展。

      5) 腐蝕環境下的磨損

      垃圾燃燒時產生的大量灰粉沖刷受熱面管,使受熱面管外表面受到不同程度的磨損。

      在上述多重因素共同作用下,受熱面管從外向內不斷地被氧化、腐蝕和磨損,使之逐漸減薄,當承受不了管內汽水壓力時發生爆管事故,造成發電機組非停。

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      過熱器減薄現象

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      管路漏水

      03

      垃圾爐受熱面常規表面防護措施

      針對垃圾焚燒余熱鍋爐的腐蝕問題,國際上通常采用碳鋼 Inconel625復合管、熱噴涂、堆焊等方法來抑制或延緩腐蝕,提升材質抗腐蝕能力,主要是適合垃圾熱值比較高的情況。在國外垃圾焚燒廠,水冷壁采用鎳基材料堆焊極為普遍,特別是歐美國家,由于垃圾熱值高達9540KJ左右,水冷壁堆焊防腐幾乎是一個標配方案。

      3 .1熱噴涂

      熱噴涂技術是解決鍋爐四管磨損問題的一項工藝,包括很多工藝方法,按照熱源形式不同可大體分為四大類:火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂和超音速噴涂等。目前,火焰噴涂不銹鋼類材料,在國內外電廠廣泛釆用。但等離子噴涂和超音速噴涂,在國內應用不多。

      熱噴涂技術因其強大的材料適應能力,在許多工況下具有耐磨損能力、耐腐蝕能力、耐高溫能力、絕緣能力等。但在垃圾焚燒條件下,熱噴涂技術因其較低的結合力(通常<100MPa)和較高的孔隙率(通常>1%),應用效果不太理想。但在歐美、日本也是有不少應用的。

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      國外在線超音速噴涂 

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      離線超音速噴涂

      熱噴涂技術特點:

      材料可選性高(鍋爐行業主流體系為NiCr);

      涂層硬度高(可達HV1100以上),耐磨性好;

      涂層耐腐蝕性好;

      噴涂過程無基材稀釋、無變形;

      噴涂施工易于實現

      不足之處在于結合力低,易剝落,耐熱震能力差。

      3.2 堆焊(手工電弧、絲極或帶極埋弧焊、等離子弧堆焊、CMT堆焊)

      堆焊是指借助一定的熱源手段,將具有一定使用性能的合金材料熔敷在基體材料表面,賦予母材特殊使用性能或使零件恢復原有形狀尺寸的工藝方法,是重要的表面工程技術之一。堆焊不同于一般焊接方法,主要是通過對基體表面進行改性,以獲得所需要的耐磨、耐熱和耐腐蝕等特殊性能;常用的堆焊類型有手工電弧堆焊、絲極或帶極埋弧堆焊、等離子弧堆焊和 CMT (冷金屬過渡)堆焊,焊絲通常是采用具有超高強度、

      針對垃圾焚燒發電廠水冷壁高溫腐蝕及其引起的泄露情況,通過試驗及相關研究分析表明,主要是高溫氯化腐蝕,通過采用 INCONEL 625 鎳基焊接材料堆焊防腐處理可以有效抑制或延緩水冷壁管高溫氯化腐蝕。目前在中國市場,主流堆焊技術采用的是CMT堆焊技術。但在歐美市場,也有采用激光技術進行水冷壁制造的技術。

      但是采用堆焊技術成本高昂,并且堆焊制造效率很低,嚴重制約了鎳基材料在垃圾焚燒爐受熱面上的應用。

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      CMT堆焊技術

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      激光熔覆技術

      3.3 微熔焊技術

      微熔焊技術是最近新研發的一種適用于垃圾焚燒爐過熱器、水冷壁或其他鍋爐受熱面鎳基材料處理的防腐工藝,該工藝熔覆涂層和金屬基體屬于冶金結合防護涂層。

      微熔焊技術用一定的工藝參數在處理過程中可以使基體微熔或不熔,得到低稀釋率的熔覆層,熔覆層與基體結合十分牢固,而且這種結合是屬于冶金結合。

      微熔焊技術采用的加熱技術向熔覆層輸入的能量幾乎剛好使預置層熔化,盡管此時基體尚未熔化,但從熔融的合金粉末可在基體表面浸潤可以說明,此時基體的表面溫度已經被加熱到合金粉末熔點以上的溫度(>1000°C)。在這樣高的溫度下Fe原子和Ni原子可以發生相互擴散,形成一定厚度的固溶體擴散層。而且界面結合處的成分過渡曲線不是一條陡變的垂直線,而是約有幾微米的過渡區,這一典型現象說明在熔覆層與基體的界面結合處存在一個區域很窄的共混,在涂層與基體之間形成了擴散轉移層,涂層與基體之間形成微冶金結合,結合強度高,不易脫落。



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