高參數垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面的防腐措施與實踐＊

龍吉生，高 峰，劉亞成

（上?？岛悱h境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

妥善處置城市生活垃圾是民生社會長治久安的重要基礎。焚燒發電已成為城市生活垃圾處理的主要方式。其中垃圾焚燒處理占垃圾無害化處理總能力的比例由2008 年的14.2% 上升至2019年的50.7%［1-2］。與衛生填埋相比，垃圾焚燒具有垃圾減容90%以上、減量75%以上及焚燒余熱能量回收的優點，符合我國生活垃圾“減量化、資源化、無害化”的政策方針，是建設“無廢城市”的重要手段。

“清潔低碳、安全高效”是垃圾焚燒行業高質量發展之路。在我國環保標準提高、國家補貼退坡、生活垃圾分類等背景下，提高鍋爐蒸汽參數是高效運行的有效方式。目前我國垃圾焚燒鍋爐蒸汽參數主要以常規參數（4.0 MPa、400 ℃）和高參數（6.4 MPa、450 ℃或6.4 MPa、485 ℃）為主，個別更高參數（13.5 MPa、450 ℃）的垃圾焚燒鍋爐近期已投入使用。相比于4.0 MPa、400 ℃常規參數垃圾焚燒鍋爐，采用6.4 MPa、485 ℃蒸汽參數的垃圾焚燒發電機組理論熱效率提高約2.5%［3］。但采用更高蒸汽參數的垃圾焚燒鍋爐受熱面將遭受更嚴重的高溫腐蝕，其導致的頻繁爆管已成為困擾垃圾焚燒企業的主要問題，阻礙了垃圾焚燒發電行業的進一步發展。

目前國內外垃圾焚燒余熱鍋爐防腐措施研究熱點包括降低高溫過熱器管壁溫度、合理選材、采用耐高溫腐蝕材料或新型防腐技術、加裝防磨瓦、添加其他燃料混燒、添加燃料添加劑等［4-6］，但往往集中于某個點的論述，未對垃圾焚燒余熱鍋爐整體防腐技術方案、應用案例進行系統論述，且添加其他燃料混燒、添加燃料添加劑在垃圾焚燒余熱鍋爐內實施的可行性較差，會額外增加垃圾焚燒運營成本。本研究基于鍋爐受熱面高溫腐蝕機理，針對高參數垃圾焚燒鍋爐防腐設計、運行管理、停爐維護等方面，提出整體的防腐措施，并以山東某焚燒廠SLC825-6.4/485 型垃圾焚燒鍋爐為研究對象進行詳細分析。

2 高溫腐蝕機理

生活垃圾成分復雜，垃圾中含有大量的Cl、S、Na、K、Pb、Zn 等腐蝕性介質。某垃圾焚燒集團統計數據顯示［7］，垃圾焚燒鍋爐80% 的爆管發生在高溫過熱器或局部中、低溫過熱器的迎風面。某垃圾焚燒鍋爐運行2 a 后，停爐檢查發現高溫過熱器管壁最小壁厚小于2.5 mm，已不能滿足正常運行需要。受熱面管壁腐蝕減薄異常問題已成為鍋爐爆管頻發的主要原因，過熱器與水冷壁腐蝕典型失效宏觀形貌見圖1［8］。

圖1 過熱器與水冷壁腐蝕典型失效宏觀形貌Figure 1 Typical failure macroscopic morphology of superheater and water wall corrosion

垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面腐蝕程度與管壁溫度的關系見圖2［9］。當金屬管壁溫度超過320 ℃時即開始發生高溫腐蝕；管壁溫度在320～480 ℃時，腐蝕速率逐步增大；管壁溫度在480～580 ℃時，腐蝕速率明顯增大［10］?？紤]到受熱面管壁溫度比受熱面內部介質溫度高30～50 ℃，6.4 MPa、485 ℃的高參數垃圾焚燒鍋爐的高溫過熱器管壁溫度高達535 ℃，高溫腐蝕風險急劇增加，將嚴重威脅鍋爐的安全穩定運行［11］。

圖2 垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面腐蝕程度與管壁溫度關系Figure 2 Relationship between the heating surface corrosion degree and tube wall temperature of waste incineration boiler

2.1 高溫氣相腐蝕

生活垃圾焚燒后煙氣中含有較多的氯化氫、氯氣等腐蝕性氣體。在中高溫環境下，氯腐蝕的氧化活化機制表現為氯氣和氯化氫對腐蝕的循環促進作用，具體反應如方程式（1）～（6）所示，在整個反應過程中氯氣被循環利用而未消耗，而金屬則不斷受到腐蝕［12］。

2.2 熔融鹽腐蝕

當燃燒氣體中揮發的氯化物鹽、硫酸鹽與鍋爐管表面接觸且鍋爐管壁溫度低于其冷凝溫度時，會冷凝并形成含有硫酸鹽和堿金屬氯化物的液體或固體沉積物，沉積物與金屬反應造成管壁表面腐蝕［13］，具體反應過程如方程式（7）～（10）［9,14］所示。

熔融鹽中鉛、鋅、錫等氯化物熔點低，低熔點氯化物可與氯化鈉、氯化鉀等高熔點氯化物和硫酸鹽結合形成低熔點的共晶混合物，因此在較低溫度環境下即可發生熔融鹽腐蝕。幾種常見金屬氯化物及其混合熔融鹽的熔點見表1［15］。

表1 幾種常見金屬氯化物及其混合熔融鹽的熔點Table 1 Melting points of several common metal chlorides and their mixed molten salts

3 主要腐蝕位置分析

鍋爐受熱面高溫腐蝕不僅與管壁溫度有關，還與管壁外側的煙氣溫度和管內介質溫度相關［16］。當高溫過熱器管內蒸汽溫度、管外煙氣溫度分別為450、600 ℃時，高溫過熱器處于弱腐蝕區與腐蝕過渡區的交接點。如蒸汽溫度繼續提高，則高溫過熱器處于腐蝕過渡區，其高溫腐蝕風險大幅提高。因此，在實際運行時，高參數垃圾焚燒爐高溫過熱器前煙氣溫度建議控制在600 ℃以內。

某鍋爐熱力計算數據匯總見表2。將表2 中各受熱面數據標識在圖3［16］中可得余熱鍋爐各受熱面管壁腐蝕特征（圖4）。由圖4 可知，爐膛煙道I受熱面的腐蝕風險最高，處于強腐蝕區；高溫過熱器腐蝕風險次之，處于弱腐蝕區與過渡區之間；其余受熱面腐蝕風險較小，處于弱腐蝕區。煙道I、煙道II 水冷壁管壁溫度一般不超過339 ℃，且煙道I、煙道II 多采用澆注料+堆焊防腐方案，澆注料、堆焊使得水冷壁管的耐腐蝕能力大幅提高，延長了水冷壁的使用時間，故煙道I、煙道II 的腐蝕風險得到明顯改善。

圖3 垃圾焚燒余熱鍋爐受熱面管壁腐蝕區域示意Figure 3 Corrosion area schematic of the heating surface of waste incineration boiler

表2 鍋爐熱力計算匯總Table 2 Boiler thermal calculation summary

低溫過熱器和蒸發器均遠離弱腐蝕區和過渡區分界線（圖4）。結合垃圾焚燒爐實際運行情況，高參數垃圾焚燒鍋爐腐蝕風險位置主要集中在高溫過熱器和中溫過熱器。

圖4 設計條件下垃圾焚燒余熱鍋爐各受熱面管壁腐蝕特征示意Figure 4 Corrosion area schematic of the heating surface of waste incineration boiler under design conditions

4 防腐技術方案

為保證高參數垃圾焚燒鍋爐長周期、安全穩定運行，必須具有合理的鍋爐設計、運行管理以及停爐維護。

4.1 鍋爐設計角度

4.1.1 過熱器前設置合理的蒸發面積

對于高參數垃圾焚燒鍋爐（6.4 MPa、485 ℃），高溫過熱器入口煙溫設計值宜控制在600 ℃以內。在鍋爐設計中，首先須確保輻射煙道有足夠的吸熱面積；其次高溫過熱器前須設置足量的保護性蒸發器。

4.1.2 設置合理的清灰方式

目前蒸汽吹灰器清灰效果較好，激波吹灰次之。在余熱鍋爐水平煙道蒸發器至一級省煤器區域，運行溫度逐級下降。通常溫度較高的蒸發器、高溫及中溫過熱器等水平煙道前部區域積灰嚴重，會導致換熱管換熱效率下降，最終導致換熱管壁出現超溫現象，隨之帶來更嚴重的高溫腐蝕。因而推薦前置蒸發器、高溫過熱器及中溫過熱器的煙氣入口、出口設置2 層蒸汽吹灰，后端的低溫過熱器、省煤器區域設置3 層激波吹灰。

4.1.3 合理的選材

為降低過熱器高溫腐蝕，輻射煙道通常需要有足夠的吸熱面積。輻射煙道水冷壁通常采用敷設耐火料及堆焊進行防腐。

煙道I 前后墻、頂棚及兩側墻中下部敷設致密防腐耐火料（高SiC 材料），一方面保證爐膛環保溫度（850 ℃，2 s）要求，另一方面減少管道與煙氣接觸，不受煙氣的腐蝕與磨損。煙道I 兩側墻上部及煙道II 中上部區域進行堆焊，提高水冷壁管的耐腐蝕能力，堆焊區域煙氣溫度一般大于750 ℃。煙道II 煙溫700～750 ℃區域水冷壁采用12Cr1MoVG 材質，提高水冷壁的抗腐蝕能力；合理設計水冷壁間距（一般不大于90 mm），保證鰭片冷卻良好，避免造成鰭片腐蝕。

根據TSG 11—2020 鍋爐安全技術規程附件A鍋爐用材料的選用要求，過熱器壁溫高于430 ℃時，過熱器管材需選擇合金鋼或不銹鋼。實踐經驗顯示過熱器煙溫較高的前兩排管及蒸汽溫度較高的后兩排管腐蝕風險較大，管壁腐蝕速率相對較快。因此，對于高參數垃圾焚燒鍋爐（6.4 MPa、485 ℃），高溫過熱器前后兩排可采用12Cr1MoVG材質，表面堆焊或激光熔覆1.6 mm 的鎳基材料，其余采用TP347H 材質。中溫過熱器、低溫過熱器采用12Cr1MoVG 材質。堆焊或激光熔覆主要采用Inconel 625、Inconel 622、Inconel 686、C-276 等鎳基材料［17］。劉亞成［18］研究發現垃圾焚燒爐過熱器爆管主要集中在迎風面前后兩排管束的中間區域，高溫過熱器前后兩排管束采用堆焊防腐方式可有效減緩腐蝕，具有較好的防腐效果。

以1 臺825 t/d 垃圾焚燒鍋爐（6.4 MPa、485 ℃）高溫過熱器為例，表3 列出了前后兩排堆焊Inconel 625+其余TP347H 不銹鋼管、全堆焊Inconel 625、TP347H 不銹鋼管、12Cr1MoVG 合金管4 種防腐方案經濟性對比?？紤]到每次高溫腐蝕爆管導致的經濟損失約百萬元，上述4 個方案中方案1（即采用前后兩排堆焊Inconel 625+其余TP347H 不銹鋼管）具有最佳的經濟性和實用性。如后期做好停爐腐蝕檢查，可及時發現風險點，并對腐蝕嚴重位置更換新的鎳基防腐管，可大幅延長高溫過熱器的剩余壽命。

表3 高溫過熱器防腐方案經濟性對比Table 3 Economic comparison of anti-corrosion solutions for high-temperature superheaters

SiC 澆注料具有耐灰渣化學腐蝕、強度大、耐沖刷、抗熱振性好、價格便宜等優點。為降低高溫段煙氣中飛灰顆粒對煙道受熱面的沖刷、腐蝕，在易受沖刷的爐膛煙道I、煙道II 的前后墻、頂棚采用SiC 澆注料，煙道I 煙溫較高的側墻下部也采用SiC 澆注料，澆注料SiC 含量一般不低于65%。

4.1.4 合理的過熱器布置結構

低溫、中溫、高溫過熱器間分別布置一級、二級減溫器。為降低高溫、中溫過熱器的腐蝕風險，高溫、中溫過熱器均采用順流布置，低溫過熱器采用逆流布置。

4.2 鍋爐運行角度

入爐垃圾在垃圾坑內發酵約6～7 d，垃圾充分攪拌后入爐。對于高參數垃圾焚燒鍋爐（6.4 MPa、485 ℃），高溫過熱器入口煙溫運行值控制在600 ℃以內。根據高溫過熱器入口煙溫和鍋爐DCS 數據制定垂直煙道、水平煙道的清灰時間和清灰頻次。

4.3 鍋爐維護角度

4.3.1 確定鍋爐停爐檢查重點區域

根據鍋爐長期DCS 數據，了解鍋爐內清灰、超溫情況，確定鍋爐檢測重點位置。

4.3.2 制定標準化防腐檢測分析程序文件

采用光譜分析儀、涂層測厚儀、超聲波測厚儀等設備對受熱面進行檢測，篩選退化嚴重、爆管風險高的管編號和位置，編制受熱面停爐檢查評價報告，建立腐蝕信息數據庫。

4.3.3 備好鎳基防腐管

腐蝕引起的嚴重減薄往往局限于部分區域管束，每個項目每臺爐存在差異，因此，需停爐跟蹤檢測（厚度及成分）確定風險點，并對風險較大的位置及時更換備用的鎳基防腐管。

5 高參數垃圾焚燒鍋爐防腐技術方案的應用案例

5.1 基本情況

山東某焚燒廠1 臺SLC825-6.4/485 型垃圾焚燒鍋爐結構示意圖如圖5 所示。該鍋爐主蒸汽流量為75 t/h，對應的主蒸汽參數為6.4 MPa、485 ℃。鍋爐由3 個垂直輻射通道（即煙道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）和1 個水平煙道組成，水平通道從爐前至爐后依次布置蒸發器、高溫過熱器、中溫過熱器、低溫過熱器、省煤器。蒸發器、高溫過熱器、中溫過熱器進出口設置2 層蒸汽吹灰，低溫過熱器、省煤器設置3 層激波吹灰。

圖5 高參數垃圾焚燒鍋爐結構示意Figure 5 Structure schematic of high-parameter waste incineration boiler

該鍋爐煙道I、煙道II 的前后墻、頂棚采用SiC 澆注料，煙道I 側墻下部采用SiC 澆注料，澆注料SiC 含量一般不低于65%。煙道I 側墻上部、煙道II 側墻堆焊2 mm Inconel 625 鎳基材料。高溫過熱器采用表3 中的防腐方案1，管子規格為Φ48 mm×5 mm，前后兩排管材質為12Cr1MoVG（GB 5310），其外表面堆焊1.6 mm 的Inconel 625 材料，其余材質為TP347H。中溫過熱器管子規格為Φ51 mm×5 mm，材質為12Cr1MoVG（GB 5310）。

5.2 鍋爐腐蝕情況

該鍋爐投入使用1 a 內垃圾平均發酵時間為6 d，運行過程中其高溫過熱器入口煙氣溫度基本維持在600 ℃以內。停爐檢查發現高溫過熱器外表面保留堆焊紋路和金屬光澤，無明顯腐蝕痕跡，見圖6。

圖6 高溫過熱器堆焊外觀Figure 6 Appearance of overlaying on the surface of high temperature superheater

5.3 壁厚數據分布與分析

為了更好地定量評估過熱器、蒸發器腐蝕減薄情況，采用壁厚測量法測量，其中堆焊涂層厚度、管壁厚度測量分別采用英國易高Elcometer 456 涂層測厚儀、北京時代TT130 超聲波測厚儀，設備均在檢驗有效期內。檢驗前對測厚儀進行校準，對清除腐蝕產物后的堆焊涂層或管壁進行厚度測量，測量多組數據，選取厚度最薄處記錄為最小堆焊涂層厚度或最小管壁厚度，并記錄數據。涂層測厚儀、超聲波測厚儀測量精度分別為±0.001 mm、±0.01 mm。最后根據不同時間段壁厚減薄量計算出腐蝕速率。

迎風面第1 排、第2 排高溫過熱器管表面堆焊層，迎風面第1 排中溫過熱器管，背風面第1排蒸發器管在空間分布上的腐蝕速率分布如圖7～圖10 所示，爐寬方向上以爐左計數，高溫過熱器、中溫過熱器、蒸發器單排管數量分別為36、44、36 根。迎風面第1 排、第2 排高溫過熱器管堆焊層平均腐蝕速率分別為0.05、0.10 mm/a，最大腐蝕速率分別為0.20、0.30 mm/a。如按0.30 mm/a 的腐蝕速率和1.6 mm 的堆焊厚度來估算，該位置堆焊層剩余壽命約為4 a，采用防腐方案1 的高溫過熱器整體使用壽命不小于5 a。

圖7 高溫過熱器迎風面第1 排管堆焊層腐蝕速率分布Figure 7 Corrosion rate distribution of the first row of high-temperature superheater surfacing pipes on the windward side

圖8 高溫過熱器迎風面第2 排管堆焊層腐蝕速率分布Figure 8 Corrosion rate distribution of the second row of high-temperature superheater surfacing pipes on the windward side

圖9 中溫過熱器迎風面第1 排管腐蝕速率分布Figure 9 Corrosion rate distribution of the first row of medium temperature superheater pipes on the windward side

圖10 蒸發器背風面第1 排管腐蝕速率分布Figure 10 Corrosion rate distribution of the first row of evaporator pipes on the leeward side

中溫過熱器迎風面第1 排管、蒸發器背風面第1 排管平均腐蝕速率分別為0.20、0.17 mm/a，最大腐蝕速率分別為0.30、0.20 mm/a。如按照壁厚≤3.5 mm 即換管的要求計算，蒸發器、中溫過熱器剩余使用壽命分別為6.5、4 a，蒸發器、中溫過熱器整體使用壽命分別為7.5、5 a。

5.4 管壁成分檢測與分析

根據GB/T 16597—2019 冶金產品分析方法X射線熒光光譜法通則，采用尼通XL 3t 手持式合金分析儀對清理干凈的管壁進行光譜檢測。分析樣品前，先在主菜單中依次選擇樣品類型、金屬、常見金屬，后將被測樣品置于測試窗口前，扣住觸發扳機即開始測試，松開扳機測試結束，測試時間約10 s。圖11 為迎風面第2 排高溫過熱器管堆焊層光譜檢測結果。結果顯示Inconel 625 堆焊層表面Cr 元素含量均符合低于20% 的堆焊要求。Cr 元素是鎳基高溫合金的主要防腐元素，其在鎳基合金表面形成致密的Cr2O3保護膜，Cr 元素含量降低說明合金中的Cr 元素遷移至腐蝕產物中，合金表面致密的Cr2O3保護膜遭受破壞，合金耐高溫腐蝕能力下降。第15、22 根管外表面的Fe 含量超過了Inconel 625 堆焊層Fe 元素含量≤5% 的驗收要求，最高Fe 含量為5.7%，說明12Cr1MoVG合金鋼基材的Fe 元素遷移至Inconel 625 堆焊層中。在600 ℃條件下反應生成NiCl2的吉布斯自由能為-174.2 kJ/mol，明顯高于FeCl2（-232.1 kJ/mol）、CrCl2（-286.0 kJ/mol）［19］，因此，Fe 和Cr比Ni 更容易受到侵蝕。較高的溫度可以增加擴散活化能，促進Cr 元素向腐蝕產物遷移和Fe 元素向堆焊層遷移。

圖11 迎風面第2 排高溫過熱器管堆焊層光譜檢測結果Figure 11 Spectral inspection results of the second row of hightemperature superheater surfacing pipes on the windward side

迎風面第3 批高溫過熱器管（TP347H）光譜檢測結果如圖12 所示，大多數TP347H 管表面Cr元素含量降低，同時表面含有較多的Pb、Zn 等重金屬元素。

圖12 迎風面第3 排高溫過熱器管（TP347H）光譜檢測結果Figure 12 Spectral inspection results of the third row of hightemperature superheater tubes （TP347H） on the windward side

由于生活垃圾中含有較多的Cl、Na、K、Zn、Pb 等腐蝕元素，垃圾焚燒后煙氣中的堿金屬氯鹽和重金屬氯鹽沉積在金屬管壁上，易形成低熔點熔融鹽。Pb、Zn 元素的存在說明堆焊層表面有熔融鹽的存在。熔融鹽會促進合金表面的氧化物保護膜溶解，促進高溫氣相腐蝕和加快腐蝕化學反應，造成腐蝕加劇。此外，Pb 和Zn 總含量的變化趨勢與Cr 含量變化趨勢相反，Pb 和Zn 含量越高，對應的Cr 元素含量越低，會降低金屬管壁的耐腐蝕能力。

6 結論

1） 高參數垃圾焚燒鍋爐穩定運行依賴于采取合理的防腐措施，防腐措施包括鍋爐防腐設計、運行管理、后期維護等方面。對于高參數垃圾焚燒鍋爐（6.4 MPa、485 ℃），高溫過熱器入口煙溫建議控制在600 ℃以內。

2） 高參數垃圾焚燒鍋爐腐蝕風險最大的區域為高溫過熱器。通過高溫過熱器防腐方案經濟性對比和應用案例分析，堆焊Inconel 625 等鎳基材料可有效降低高溫過熱器的腐蝕速率，高溫過熱器采用前后兩排堆焊Inconel 625+其余TP347H 不銹鋼管具有最佳的經濟性和實用性。

3） 高溫過熱器、中溫過熱器、蒸發器的最大腐蝕速率分別為0.30、0.30、0.20 mm/a。高溫過熱器、中溫過熱器、蒸發器整體使用壽命分別為5、5、7.5 a。