放射性固體廢物焚燒設備及工藝管路腐蝕與防護

皮煜鑫

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000 ）

放射性固體廢物焚燒設備及工藝管路腐蝕與防護

皮煜鑫

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000 ）

隨著放射性可燃固體廢物焚燒站的生產運行，焚燒系統的設備及工藝管路不可避免地出現了不同程度的腐蝕，如果該系統中的關鍵設備及管路出現了嚴重的腐蝕問題，將會影響整個系統的安全平穩正常運行。文章闡述了系統經過生產運行后各個關鍵設備及管路的腐蝕現狀，從工藝設計和生產運行角度分析了設備的腐蝕原因，針對由電偶腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕等不同腐蝕機理造成的腐蝕進行了探討；同時，文章還從放射性廢物管理及工藝控制角度，提出了減緩系統設備腐蝕的建議。

焚燒系統；酸根離子；腐蝕；防護

核電是對環境影響極小的清潔能源之一，核能是減排效應最大的能源之一［1］。核電工程中放射性可燃固體廢物焚燒系統處理的焚燒廢物包含有塑料、橡膠等有機固體廢物，焚燒后產生的煙氣中含有大量的酸性氣體，這些煙氣經過凈化處理達到國家排放標準后，通過煙囪排出。在處理的過程中，水冷換熱器、急冷塔、袋濾器及填料吸收塔等設備以及不銹鋼管路是煙氣冷卻凈化的關鍵處理裝置，這些設備及管路負責將煙氣溫度由1 000 ℃左右的高溫降至100～200 ℃，同時吸收煙氣中的酸性物質及飛灰等雜質。在這一過程中，設備及管路會產生腐蝕與磨損，一旦設備或管道因腐蝕穿透，則會存在放射性物質泄漏的可能性［2］，影響該焚燒系統的安全性。因此，放射性可燃固體廢物焚燒系統的設備及其管路腐蝕是一個不容忽視的問題。在核電工程中，技術成熟度可以為制定型號技術發展路線圖、技術規劃和安排經費投資等提供重要的支撐［3］，通過研究現有的放射性可燃固體廢物焚燒系統運行經驗，可以為今后核電工程中建設同類型的處理系統提供工程借鑒。

1　工藝設備腐蝕現狀

經過運行，發現燃燒爐排出的煙氣，先后經過的水冷換熱器、急冷塔、旋風除塵器、袋濾器及后續設備，均不同程度受到了酸性氣體的影響，由于這些設備的材質均為C-22哈氏合金鋼與0Cr18Ni9不銹鋼，在檢修期間發現，采用哈氏合金鋼C-22的設備內表面肉眼觀察沒有發現明顯的腐蝕現象，但與其連接的不銹鋼管路以及設備與煙氣直接接觸的焊縫處的腐蝕速率超過了預期，部分焊縫被全部腐蝕了，一定程度破壞了設備的密閉性，系統的本質安全度降低。

系統中發生腐蝕的具體部位包括水冷換熱器擋板處的焊縫全部被腐蝕、急冷塔下部排污處出現腐蝕（見圖1）、高效過濾器外殼處出現腐蝕點（見圖2）。

2　防護措施

為有效控制設備的腐蝕，從設備工藝運行參數的控制、工藝系統及設備結構的改進等方面探討系統及設備腐蝕的工程防護措施。

圖2　高效過濾器外殼Fig.2　The housing of the highly efficient filter

2.1設備工藝運行參數的控制

（1）熱解爐加料速度的控制

設計熱解爐中加料速度為20～30 kg/h，在系統的運行過程中，并非將20～30 kg/h的廢物包一次性全部加入熱解爐中，而是每隔5、10、20 min等不同時間段，分批次的將廢物包加入熱解爐，通過不同加料時間的系統試驗，優選每10 min加一次廢物包，廢物包的重量控制在3～5 kg，可以滿足維持燃燒爐溫度的同時使后續處理凈化設備的閥門無須頻繁的調節，有利于設備的使用壽命。

（2）熱解爐送風量的控制

廢物包在熱解爐中進行熱解反應，送風量的多少直接影響著廢物包的熱解效果，影響燃燒爐的穩定運行。

（3）急冷塔的壓空流量與噴水量的控制

急冷塔的作用是將煙氣的溫度從600～800 ℃左右的高溫降至200 ℃以下，保證后續煙氣處理凈化設備的正常運行，因此，壓空與噴水配合不佳會直接影響煙氣的冷卻效果，為后續設備帶來不利的影響。

生產運行過程中，由于各種原因，系統出現過載的情況，使得設備產生過度的磨損。

此外，系統在超負荷運行情況下，由于每包廢物中含有橡膠及塑料的比例是一定的，因此，過量的廢物包必然會產生過多的Cl-，對系統的腐蝕防護及設備保護是不利的。

生產運行階段，系統超負荷運行情況記錄如表1所示。

表1　某班組系統超負荷運行記錄Table 1　Records of system overload operation

從表1中可以看出，18：00—22：00系統熱解爐底負壓由-455.5～-834.8 Pa逐漸在增大，但燃燒爐煙氣溫度卻從939.5 ℃降至639.6 ℃。

燃燒爐溫度的降低說明這段時間可能僅有少量的熱解氣進入其中燃燒或者幾乎沒有熱解氣進入燃燒爐中燃燒，致使燃燒爐及后續煙氣凈化冷卻系統此時基本處于空載狀態。查看熱解爐送風量，發現送風量一直未變化，說明不是由于風量變化導致熱解氣不能正常產生，又觀察熱解爐底負壓持續在增大，中央控制操作人員通知巡檢人員查看熱解爐廢物包熱解情況，發現熱解爐中的加料裝置出現了卡料現象，即廢物包卡在加料裝置中沒有進入熱解爐中發生熱解反應，從表1中可以看出，24：00—01：00之間，急冷塔噴淋液流量已為0，說明此刻基本沒有煙氣產生，考慮到節約能源，關閉了閥門。

經工藝檢修人員疏通加料裝置后，卡住的大量廢物包一次性進入熱解爐中熱解燃燒，產生過量的熱解氣，這些過量的熱解氣從熱解爐中進入燃燒爐充分燃燒，致使從22：00—03：00燃燒爐煙氣溫度從639.6 ℃上升至1 001.3 ℃。

這一過程系統產生了大量的高溫煙氣，從表1中可以看出，從04：00—08：00，操作人員已經將冷卻水開度閥門開至原來狀態的一倍，同時急冷塔已經無法通過微調急冷噴淋流量控制煙氣溫度，所以將其旁通閥打開，將最大噴淋流量噴入系統控制煙氣溫度，此刻，系統處于過載狀態，在一定程度上將不可避免地影響設備及管路使用壽命。

同時，這些過量的煙氣中載帶的大量含Cl-的酸性物質為后續設備的凈化處理帶來了壓力，大量含Cl-的酸性煙氣在系統中流通，一定程度上加速系統設備及管路的腐蝕速率，為盡可能減少這些過量的Cl-帶來的危害，中控人員需要根據監測到的pH的變化，及時向填料吸收塔中添加新配置的堿液，確保Cl-吸收完全。

從表1中可以看出直至9：00以后，系統才恢復正常運行，從22：00發現系統運行出現情況，到系統再次恢復平穩的運行，一共經歷了11 h，可見，系統運行過程中，這種情況如果頻繁發生，將會嚴重影響系統的安全運行及設備的使用壽命。

要做到使系統正常平穩運行，操作人員的崗位培訓是不可缺少的環節，尤其中控操作人員必須熟知系統各個環節的工藝正常運行參數，當系統運行工藝參數發生變化時，能夠根據監測的數據準確判斷系統所處狀態并制定相應的操作策略，其中重點關注的工藝參數主要包括：系統的加料數量及速度，系統的工藝送風量，熱解爐的風量、壓力與溫度，燃燒爐的溫度，急冷塔噴水流量，煙氣經過急冷塔后的溫度，袋濾器壓力，填料吸收塔pH等，這些參數可以明顯反映出系統當時的運行狀態。同時，巡檢人員在系統運行過程中也要提高巡檢的頻次，將系統設備的運行情況及現場出現的特殊情況及時向中控人員反饋并配合中控人員解決突發事件。

2.2工藝系統及設備結構的改進

（1）工藝系統的改進

增加備用工藝管路：增加一套從填料吸收塔出來至高效過濾器中間的一段工藝管路。由于該段管路已經出現點腐蝕問題，當原系統管路出現嚴重滴漏情況，切換另一套備用管路，確保系統的正常連續運行。

（2）設備結構的改進

填料吸收塔是系統中吸收酸性物質最重要的設備，煙氣從吸收塔底部進入，Na2CO3溶液從吸收塔中上部向下噴淋，在填料層中二者發生相互作用，達到中和吸收的作用，凈化后的煙氣從吸收塔頂部流出，設備結構示意圖如圖3所示。

圖3　填料吸收塔結構示意圖Fig.3　The structure of the packing absorbing column

實際生產運行中發現，只設計了一個噴淋頭的填料吸收塔有時難以將系統中存在的大量酸性氣體全部吸收，此外，該噴淋頭在吸收煙氣的過程中采用堿液噴淋的方式與煙氣作用，堿液與酸性氣體接觸面積小，設備吸收煙氣的效率不高，凈化效果一般。

改造方案一：增加壓空管線，使得噴淋頭噴出的堿液呈霧化狀態，這樣可以增大堿液與酸性氣體的接觸面積，提高設備吸收酸性氣體總量，保護后續管路，如圖4所示。

改造方案二：增加幾組噴淋頭，同樣是為了增大堿液與酸性氣體的接觸面積，使得更多的酸性氣體被吸收，延緩后續設備的腐蝕。

增加噴淋頭的方式有多種多樣，參照市面上出售的不同規格型號的洗滌塔，列出以下2種增加噴淋頭的方式參考。增加噴淋頭的設備示意圖如圖5、圖6所示。

圖4　填料吸收塔結構加壓空管結構示意圖Fig.4　The structure of the packing absorbing column and pressurized air pressure control

圖5　工業用304不銹鋼洗滌塔Fig.5　The washing tower of industrial 304 stainless steel

圖6　填料吸收塔改造結構示意圖Fig.6　The schematic of renovated structure of the packing absorbing column

該洗滌塔有3處優點：第一，兩級高效率螺旋噴霧器，大部分的酸性氣體會被完全吸收；第二，分離過濾器的添加，確保了將煙氣中未被吸收的粉塵等顆粒物質被吸收；第三，多層式除水除霧裝置，最大限度地控制了外排煙氣的含水量；第四，該洗滌塔型號結構市面有出售，直接購買后安裝即可，方便快捷。

該洗滌塔缺點有：第一，結構復雜，在原有填料吸收塔的基礎上改造存在一定困難；第二，由于此類型的結構具有國家專利，公司的填料吸收塔改造的成本或者直接購買的成本均較高，經濟效益不明顯。

該填料吸收塔改造優點有：第一，將原有的一個噴淋頭改換成體積更小，但數量更多的噴淋頭，同時縱向噴淋頭的結構設計可以更多的吸收煙氣中的酸性氣體；第二，改造結構難度低，工程上易于實現；第三，成本比圖5所示的洗滌塔要低，經濟性較高。

圖5和圖6填料吸收塔的改造可用于同類核設施建設的參考，目前階段，最有效最直接的改造辦法，依然考慮直接在現有的填料吸收塔結構的基礎上添加壓空管道，將堿液霧化后噴淋吸收酸性煙氣。

2.3設備材質的選用研究方向

目前，系統中存在的0Cr18Ni9不銹鋼管道化學成分見表2。

國內機構研究表明：一般可將0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼改換成高鉻、含鉬、含氮不銹鋼。以不銹鋼中含氮抑制點腐蝕和縫隙腐蝕為例，不銹鋼中固溶氮時比不固溶氮時電位腐蝕向正方向移動，不銹鋼發生點腐蝕和縫隙腐蝕的溫度與電位存在一定關系［4］，如圖7所示。

表2　0Cr18Ni9化學成分Table 2　The chemical composition of 0Cr18Ni9

圖7　含氮不銹鋼點腐蝕和縫隙腐蝕電位與溫度關系曲線Fig.7　Temperature relation and pitting potential in bearing nitrogen stainless steel

由圖7可以看出，加入氮的不銹鋼提高了其腐蝕電位，降低了腐蝕的敏感性。

有研究表明：不銹鋼中添加鉬及增加鉻含量也有類似氮提高腐蝕電位的效果；同時，鉻含量的增加，不銹鋼的鈍化膜將變得更加穩定；此外，Mo也可以提高不銹鋼抗Cl-腐蝕性能［4］，因此，根據上述國內研究成果，可將系統中現有的已發生腐蝕的0Cr18Ni9不銹鋼在不影響系統安全運行的情況下改換成標準雙相不銹鋼，此類鋼的主要合金含量為22%Cr、5%Ni、3%Mo、0.17%N，試驗研究其抗腐蝕的能力。

2.4系統緩蝕劑研究方向

有研究發現，鉬酸鈉在不銹鋼表面形成的鈍化膜主要成分為難溶于水和酸的穩定化合物MoCl3［5］。MoCl3這層致密并且難溶于酸的鈍化膜可以有效阻擋Cl-的侵入，從而達到保護不銹鋼的目的。

葡萄糖酸鈉與鉬酸鈉不同，它屬于吸附膜型緩蝕劑，有試驗表明，葡萄糖酸鈉較Cl-更容易吸附在不銹鋼表面上并形成單分子層吸附膜，可以有效地阻擋水、Cl-和溶解氧等腐蝕性物質與不銹鋼基體的接觸，進而對不銹鋼起到良好的保護作用［5］。

核工業放射性可燃固體廢物焚燒系統領域尚未開展相關系統緩蝕劑的研究，緩蝕劑的添加種類、添加位置及效果都有待于研究與試驗。

3　結論

1）系統中存在各類腐蝕，腐蝕的存在一定程度影響了設備的穩定性，影響了系統的安全性。

2）為減緩系統設備、管路的腐蝕，工藝參數的控制是重要的環節，工藝運行過程中必須嚴格控制廢物包的所含塑料比例，保持系統勻速進料，避免出現系統過載的情況，同時確保工藝參數的運行正常。

3）為保持工藝運行的連續性，增加備用設備及管線是必要的。

4）可以從設備結構及工藝管路改進方面采取對應措施減緩系統的腐蝕速率。

5）可以從設備及管路材質的選用、系統緩蝕劑的選用方面開展日后的研究工作，提高系統的抗腐蝕能力。

在中國核電工程建設中，如果建立放射性可燃固體焚燒系統，隨著系統的運行，系統設備及管路不可避免的會產生腐蝕與磨損。為保證該系統長期穩定運行，需要加強管理，尤其要控制廢物中的塑料、橡膠的含量，規范運行操作、日常維護，以有效減緩設備的腐蝕，延長使用壽命，從而保障系統穩定運行。

［1］ 潘自強. 核電——現階段最好的低碳能源［J］. 中國核電，2014，7（3）：194.（PAN Zi-qiang. Nuclear Power—The Best Low-carbon Energy for the Moment［J］. China Nuclear Power，2014，7（3）：194. ）

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Corrosion and Protection of the Equipment and Piping of the Incineration for Radioactive Solid Wastes

PI Yu-xin
（Sichuan Environmental Protection Engineering Co.， Ltd.， CNNC， Guangyuan，Sichuan Prov. 628000，China）

With the operation of the incineration system， its process equipment and piping have inevitably suffered corrosion to some extent. Severe corrosion in key equipment and piping will make the operation unstable. This paper describes the corrosion status of key equipment and piping after operation， and introduces different mechanisms that cause the corrosion in equipment from the perspective of process design and operation. To ensure the stable operation of the incineration system， this paper discusses the engineering protection measures and solutions to the corrosion caused by different mechanisms such as galvanic corrosion， pitting corrosion and crevice corrosion. Suggestions for mitigating the corrosion in equipment are also made from the view of radioactive waste management and process control.

incineration system； acid ions； corrosion； protection

TL24 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0279-07

TL24

A

1674-1617（2016）03-0279-07

2016-04-18

皮煜鑫（1986—），男，河北人，工程師，學士，從事放射性廢物治理的工作。