城市垃圾焚燒發(fā)電的基本情況概述

01   城市垃圾的組成

在城市垃圾的組成中，日常生活垃圾占比較大。通常情況下，日常生活垃圾的分類為廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾，其組成十分復(fù)雜，而且會(huì)隨著季節(jié)的變化有所不同，其波動(dòng)性較強(qiáng)，含水量較高，對(duì)于回收處理相對(duì)困難。例如，街道垃圾主要由灰塵、泥土、樹(shù)葉以及各種產(chǎn)品的包裝袋、塑料袋組成，與居民日常生活垃圾相比其含水量較低，但灰塵、泥土的回收處理難度相對(duì)較高；而企業(yè)辦公垃圾多由城市內(nèi)大中小型企業(yè)、學(xué)校以及各種工廠所產(chǎn)生的，多以廢紙、金屬為主，其含水量也相對(duì)較低。此外，集貿(mào)市場(chǎng)垃圾則多以菜葉、果皮、塑料袋居多，但這部分垃圾的含水量相對(duì)較高。

02    垃圾焚燒法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，垃圾焚燒處理技術(shù)得到了大幅提升，但在垃圾焚燒過(guò)程中仍然會(huì)產(chǎn)生各種廢水、廢氣、固廢物等有毒有害物質(zhì)。這些有害物質(zhì)會(huì)對(duì)水源、空氣、土地造成污染，也對(duì)人們的身體健康造成威脅，所以要進(jìn)一步提升垃圾焚燒的效率和效果。

03  焚燒爐類型

01   流化床焚燒爐

01   除塵器腐蝕問(wèn)題

由于垃圾焚燒產(chǎn)生的復(fù)雜煙氣成分，會(huì)使除塵設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)幾個(gè)運(yùn)行周期后，設(shè)備可能出現(xiàn)銹跡斑斑，甚至腐蝕穿孔的情況，設(shè)備反復(fù)維修成本費(fèi)用高。

焚燒爐內(nèi)燃燒化學(xué)廢棄物的溫度可達(dá)到800℃以上，即使已有耐火保溫材料，也可能會(huì)有溫度泄漏，而爐殼設(shè)計(jì)溫度在50~120℃，正好位于酸露點(diǎn)附近，煙氣結(jié)露形成酸，最終會(huì)對(duì)爐殼造成嚴(yán)重腐蝕。

焚燒設(shè)備的腐蝕會(huì)帶來(lái)焚燒溫度控制不精確、垃圾焚燒不充分，黑煙的大量產(chǎn)生造成空氣污染，甚至從焚燒爐排出的爐渣中還存在未燃盡的有機(jī)物，造成有機(jī)物的浪費(fèi)。

垃圾爐受熱面高溫腐蝕機(jī)理

01  垃圾焚燒中的腐蝕性成分

01  Cl的腐蝕

近幾年來(lái)，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(shù)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(jī)氯化物，而廚房垃圾則含有氯化鈉、氯化鉀和氯化鎂等無(wú)機(jī)氯化物，造成了煙氣中的各種有機(jī)氯和無(wú)機(jī)氯濃度提高。Cl在高溫下，往往以氣態(tài)HCl、Cl2和金屬氯化物KCl、NaCl、ZnCl2、PbCl2等沉積物出現(xiàn)在焚燒環(huán)境中，導(dǎo)致了幾種腐蝕形式出現(xiàn)：

(1) 氣相腐蝕：在焚燒爐的高溫含氯氣氛中，直接導(dǎo)致氣相腐蝕；

(2) 氧化還原反應(yīng)腐蝕：金屬氯化物低熔點(diǎn)灰分沉積鹽與金屬表面的氯化膜發(fā)生氧化還原反應(yīng)腐蝕基體；

(3) 電化學(xué)腐蝕：金屬氯化物與煙氣中其他無(wú)機(jī)鹽共同沉積在金屬表面，形成低熔點(diǎn)共晶體，大大降低積灰的熔點(diǎn)，在高溫的管壁上產(chǎn)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(xué)腐蝕氛圍，基體金屬發(fā)生陽(yáng)極溶解，相應(yīng)地氣氛中的兩種氧化劑O2和Cl2被還原，基體金屬被進(jìn)一步氧化并與結(jié)合成疏松的氧化物粒子形成沉積，或與Cl-結(jié)合生成氯化物，這樣隨著腐蝕的進(jìn)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(kuò)散速度較大，因此這一電化學(xué)過(guò)程嚴(yán)重腐蝕垃圾焚燒余熱鍋爐的過(guò)熱器、水冷壁。

02  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。

02   高溫腐蝕

高溫的產(chǎn)生，一是鍋爐實(shí)際運(yùn)行溫度越來(lái)越高，二是鍋爐受熱面的清灰不及時(shí)或清灰效果不佳，使得受熱面的傳熱受阻，導(dǎo)致受熱面的表面溫度過(guò)高。高溫腐蝕，與前述Cl腐蝕、S腐蝕是相伴存在的。高溫環(huán)境引發(fā)了Cl2和HCl的產(chǎn)生，加速了腐蝕量和腐蝕速度。

03   高參數(shù)化的腐蝕問(wèn)題

高參數(shù)化有兩個(gè)方面的原因。第一是垃圾熱值在逐漸提高，超出了早期所建設(shè)的垃圾焚燒廠設(shè)計(jì)的額定值；第二是近年來(lái)垃圾焚燒鍋爐向大型化、高參數(shù)化發(fā)展。

04   腐蝕環(huán)境下的磨損

垃圾燃燒時(shí)產(chǎn)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(nèi)不斷地被氧化、腐蝕和磨損，使之逐漸減薄，當(dāng)承受不了管內(nèi)汽水壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生爆管事故，造成發(fā)電機(jī)組非停。

氣相與熔鹽共存的高溫腐蝕

垃圾焚燒在產(chǎn)生腐蝕性氣體的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生堿金屬、堿土金屬和重金屬的鹽類化合物，而這些化合物很容易附著在金屬管壁且形成低熔點(diǎn)共晶體對(duì)金屬壁面造成嚴(yán)重腐蝕。

01  SO2對(duì)腐蝕的影響

堿金屬氯化物對(duì)金屬管壁的腐蝕最為常見(jiàn)，其易與鉻鐵氧化層反應(yīng)，因此比硫酸鹽更具腐蝕性，以鐵基合金為例，管壁表面附著的堿金屬氯化物（以NaCl為例）在O2和H2O存在的條件下可以與金屬表面的氧化物保護(hù)層發(fā)生反應(yīng)，生成Na2Fe2O4和Cl2以及揮發(fā)性的FeCl2，破壞氧化層的致密性，加速活化氧化反應(yīng)，在SO2存在的條件下生成Na2SO4和HCl，其可參與多活化氧化反應(yīng)中，然而Na2SO4卻能阻礙NaCl造成的腐蝕，堿金屬鹽對(duì)管壁的腐蝕過(guò)程中會(huì)受到氣體條件的影響，其中SO2對(duì)堿金屬氯化物腐蝕的影響是研究熱點(diǎn)。

在氧化性氣氛下加入不同濃度SO2時(shí)研究NaCl沉積物對(duì)304不銹鋼的腐蝕影響，發(fā)現(xiàn)存在高濃度SO2時(shí)腐蝕顯著減慢，研究人員認(rèn)為加入高濃度的SO2使沉積物表面立即發(fā)生氯化物硫酸鹽化，產(chǎn)生的氯沒(méi)有向金屬基體擴(kuò)散而是溢到大氣中，從而抑制了活化氧化反應(yīng)。

不同氣氛下KCl腐蝕的初級(jí)階段，并且對(duì)照了無(wú)鹽環(huán)境和K2SO4環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在濕氧環(huán)境下SO2的存在會(huì)降低KCl的腐蝕速率，但依然高于相同氣氛下的無(wú)鹽環(huán)境和K2SO4環(huán)境，這是因?yàn)榍?5min內(nèi)有一半的KCl轉(zhuǎn)換為K2SO4，而K2SO4不會(huì)侵蝕金屬氧化膜從而降低腐蝕速率，但是腐蝕前期仍然有許多KCl侵蝕了氧化膜，導(dǎo)致腐蝕速率比相同氣氛下無(wú)鹽環(huán)境和單純K2SO4環(huán)境高。高濃度的SO2會(huì)對(duì)KCl腐蝕起抑制作用，但高于某S/Cl比腐蝕會(huì)隨SO2濃度增加而加速，研究人員認(rèn)為可能是由于K2SO4、SO2和Fe2O3之間的聯(lián)合反應(yīng)導(dǎo)致金屬鐵的硫化。同時(shí)還研究了水蒸氣對(duì)腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)水蒸氣超過(guò)某一臨界值會(huì)使腐蝕加快。

也有部分研究發(fā)現(xiàn)低濃度SO2并不會(huì)抑制堿金屬氯化物對(duì)金屬基體的高溫腐蝕。SO2氣氛下堿金屬硫酸鹽的高溫腐蝕，認(rèn)為是腐蝕初期發(fā)生了選擇性氧化，隨后熔鹽導(dǎo)致合金內(nèi)硫化，且氣氛中SO2轉(zhuǎn)換成的SO2與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)破壞氧化膜，腐蝕產(chǎn)物有金屬氧化物、金屬硫化物以及尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物。

02   金屬材料對(duì)腐蝕的影響

不同的金屬材料以及材料中添加不同元素都會(huì)表現(xiàn)出不同的耐腐蝕性。目前研究普遍認(rèn)為鎳基合金的耐高溫腐蝕性優(yōu)于鐵基合金，因此工程上常在金屬表面涂覆鎳基涂層來(lái)增加耐腐蝕性。

在合金鋼和不銹鋼中幾乎都有Cr的存在，因?yàn)镃r的存在容易在金屬表面形成致密的氧化膜，從而使金屬具有良好的抗高溫氧化性，但是一些研究表明在堿金屬氯鹽存在的情況下，高Cr合金并沒(méi)有表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性，因?yàn)镃r比Fe和Ni更容易生成氯化物，且Cr氯化物轉(zhuǎn)換成氧化物所需的氧分壓更低，在氧化膜內(nèi)側(cè)即可發(fā)生轉(zhuǎn)換，破壞了氧化膜的致密性和其與金屬基體的粘附性。不同Cr含量的Fe-Cr合金預(yù)氧化后在KCl鹽膜下的腐蝕，發(fā)現(xiàn)Cr含量越高腐蝕越慢，認(rèn)為預(yù)氧化生成大的初始氧化膜中的Cr2O3能降低在KCl鹽膜下的腐蝕速率。

含Al材料由于在腐蝕初期更容易形成Al2O3保護(hù)膜，且Al2O3不易與熔鹽反應(yīng)，因此富鋁材料表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性。增加合金中鋁含量使合金表面形成Al2O3保護(hù)膜的一種常用方法是對(duì)合金進(jìn)行滲鋁處理。研究20鋼和滲鋁20鋼在KCl鹽膜下的腐蝕，根據(jù)腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線可知滲鋁20鋼比未滲鋁20鋼表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性。還有部分研究表明滲鋁處理的合金在其他混合鹽中的腐蝕依然表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性。

垃圾爐受熱面常規(guī)表面防護(hù)措施

針對(duì)垃圾焚燒余熱鍋爐的腐蝕問(wèn)題，國(guó)際上通常采用碳鋼+Inconel625復(fù)合管、熱噴涂、堆焊等方法來(lái)抑制或延緩腐蝕，提升材質(zhì)抗腐蝕能力，主要是適合垃圾熱值比較高的情況。在國(guó)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(guó)家，由于垃圾熱值高達(dá)9540kJ左右，水冷壁堆焊防腐幾乎是一個(gè)標(biāo)配方案。

01   熱噴涂

熱噴涂技術(shù)是解決鍋爐四管磨損問(wèn)題的一項(xiàng)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(guó)內(nèi)外電廠應(yīng)用廣泛；但等離子噴涂和超音速噴涂在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的不多。

熱噴涂技術(shù)因其強(qiáng)大的材料適應(yīng)能力，在許多工況下具有卓越的耐磨損能力、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(shù)因其較低的結(jié)合力（通常＜100MPa）和較高的孔隙率（通常＞1%），應(yīng)用效果不太理想。但在歐美、日本也是有不少應(yīng)用的。

02  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(fù)原有形狀尺寸的工藝方法，是重要的表面工程技術(shù)之一。

堆焊不同于一般焊接方法，主要是通過(guò)對(duì)基體表面進(jìn)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(guò)渡）堆焊，焊絲通常是采用具有超高的強(qiáng)度、抗疲勞特性及抗腐蝕性能的材料Inconel625。

發(fā)電廠水冷壁高溫腐蝕及其引起的泄漏情況，通過(guò)試驗(yàn)及相關(guān)研究分析表明主要是高溫氯化腐蝕，通過(guò)采用Inconel625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(guó)市場(chǎng)，主流堆焊技術(shù)采用的是CMT堆焊技術(shù)。但在歐美市場(chǎng)，也有采用激光技術(shù)進(jìn)行水冷壁制造的技術(shù)。但是采用堆焊技術(shù)成本高昂，并且堆焊制造效率很低，嚴(yán)重制約了鎳基材料在垃圾焚燒爐受熱面上的應(yīng)用。

03   微熔焊技術(shù)

微熔焊技術(shù)是最近新研發(fā)的一種適用于垃圾焚燒爐過(guò)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(jié)合防護(hù)涂層。

微熔焊技術(shù)用一定的工藝參數(shù)在處理過(guò)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(jié)合十分牢固，而且這種結(jié)合是屬于冶金結(jié)合。

微熔焊技術(shù)采用的加熱技術(shù)向熔覆層輸入的能量幾乎剛好使預(yù)置層熔化，盡管此時(shí)基體尚未熔化，但從熔融的合金粉末可在基體表面浸潤(rùn)可以說(shuō)明，此時(shí)基體的表面溫度已經(jīng)被加熱到合金粉末熔點(diǎn)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(fā)生相互擴(kuò)散，形成一定厚度的固溶體擴(kuò)散層。而且界面結(jié)合處的成分過(guò)渡曲線不是一條陡變的垂直線，而是約有幾微米的過(guò)渡區(qū)，這一典型現(xiàn)象說(shuō)明在熔覆層與基體的界面結(jié)合處存在一個(gè)區(qū)域很窄的共混，在涂層與基體之間形成了擴(kuò)散轉(zhuǎn)移層，涂層與基體之間形成微冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不易脫落。

結(jié) 論

垃圾焚燒是當(dāng)前處理生活垃圾的有效方法，它具有減容化、無(wú)害化和資源化特點(diǎn)。但是垃圾焚燒過(guò)程對(duì)焚燒爐受熱面的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，使受熱面使用壽命大大縮減、經(jīng)常性的更換受熱面對(duì)垃圾焚燒爐安全運(yùn)行造成了困擾。

針對(duì)垃圾焚燒爐的高溫腐蝕問(wèn)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。但熱噴涂盡管成本低廉，效果卻不夠理想；堆焊對(duì)鍋爐基材損傷嚴(yán)重并且施工效率低，很難滿足鍋爐受熱面批量生產(chǎn)的要求；采用鎳基合金微熔焊技術(shù)更加快速、高效，可以解決受熱面管的腐蝕問(wèn)題，延長(zhǎng)鍋爐受熱面的使用壽命。