1、3杭州新世纪能源环保工程股份有限公司 浙江杭州 310000；2、杭州锅炉集团股份有限公司 浙江杭州 310000
摘要：随着垃圾焚烧的锅炉设备越来越趋向于大型化和高参数化。水冷壁高温腐蚀时有发生，主要表现为水冷壁裂纹、爆管等现象。为了有效防止水冷壁高温腐蚀，本文以某市生活垃圾焚烧电厂锅炉为例，从腐蚀情况说明，取样，试验分析，高温腐蚀机理等角度逐步展开分析，并提出有针对性的防高温腐蚀措施。
关键词：垃圾焚烧；锅炉水冷壁；高温腐蚀；措施
目前，随着城市的飞速发展，城市生活垃圾问题日益严重，如何实现城市生活垃圾无害化，减量化和资源化已成为世界性面临的一大难题。其中垃圾焚烧作为一种垃圾处理技术在国内已得到了广泛应用。由于人们生活水平的提高，城市生活垃圾的热值不断提高，用于垃圾焚烧的锅炉设备越来越趋向于大型化和高参数化。又由于塑料制品及塑料包装材料在垃圾中占的比例不断增加，烟气中的各种有机氯和无机氯浓度提高，锅炉的受热面更容易发生高温腐蚀。本文以某市生活垃圾焚烧电厂锅炉为例展开具体分析。
1、情况说明
某市一家生活垃圾焚烧电厂，该余热锅炉为自然循环水管锅炉，锅炉主要由三个垂直膜式水冷壁通道、一个对流水平烟道和尾部垂直省煤器组成。对流水平烟道里依次布置有蒸发器、高温过热器、中温过热器及低温过热器，型号为SLC600-6.4/450。焚烧锅炉燃料以生活垃圾为主；当前发生的水冷壁高温腐蚀问题主要表现为水冷壁裂纹、爆管等现象，当前以腐蚀裂纹为主。
2、专项取样
水冷壁采用膜式壁结构，管子材质20G，规格Φ60x5，水冷壁通过吊挂结构悬吊在钢架的顶部梁格上。因水冷壁腐蚀严重程度不一，以出现裂纹、爆管问题的膜式水冷壁作为取样对象，由于问题表现不一，实际取样情况如下：
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图1前墙水冷壁泄漏点 图2前墙水冷壁泄漏点
如上图所示，图（1）取样管编号5#-1，取样位置为前墙膜式水冷壁左起第3、4根管，水冷壁管子节距100mm，扁钢厚度6mm；裂纹表现于焊趾附近。图（2）取样管编号2#-1，取样位置为前墙膜式水冷壁左起第12根管，泄漏位置出现在管子弯头内侧部位。
3、取样试验分析
3.1化学分析
采用激光质谱仪分别对取样管5#-1，2#-1材质进行光谱分析，经分析：5#-1取样管化学成分为C：0.17、Si：0.20、Mn：0.57、P：≤0.0032、S：≤0.0008；2#-1取样管化学成分为：C：0.18、Si：0.21、Mn：0.56、P：≤0.0021、S：≤0.0042；参照GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》表3钢的牌号和化学成分中20G优质碳素结构钢的化学成分，可知两取样管的化学成分均能满足20G钢的成分要求，且P、S含量较低，冶金质量相对较好。
3.2金相分析
对两取样管进行金相分析，发现两取样管上都存在着多条裂纹，有些裂纹已出现贯穿现象。通过裂纹宏观形貌分析，初步判断裂纹属于脆性裂纹。
3.3电镜扫描分析
对取样管5#-1，2#-1进行电镜分析，裂缝表面覆盖着一层黑黄色腐蚀产物，在电镜扫描观察下，腐蚀产物呈多面体，边缘棱角清晰，腐蚀产物与金属存在取向关系。裂缝边缘与金属连接处端口形貌明显，存在大量二次裂缝，均为沿晶开裂。腐蚀产物在1000倍率下表面明亮，导电系数低，疑似成分为四氧化三铁或三氧化二铁。
4、水冷壁高温腐蚀机理分析
由于近年来锅炉蒸汽压力参数的提高，水冷壁高温腐蚀问题时有发生。水冷壁腐蚀的发生条件主要是：
a）水冷壁附近交替出现氧化性和还原性气氛；
b）烟气中存在氯化物和硫化物；
c）水冷壁的壁温达到腐蚀反应所要求的条件。
水冷壁的高温腐蚀通常发生在与焚烧炉燃烧室交界的地方。当生活垃圾的热值较高，普遍在7500kJ/kg以上，在设计焚烧炉时不再采用绝热炉膛，而用膜式水冷壁结构。由于垃圾的给料为间歇式，很难做到均匀给料，且垃圾的热值、含水量和耗氧量一直处于波动之中，这样容易发生氧化性和还原性气氛交替出现的现象。在还原性气氛中，烟气中的CO和H2S会破坏已形成在金属管壁表面的氧化铁层，而致密的氧化铁层本身可抑制进一步的腐蚀。在氧化性和还原性气氛轮流出现时，氧化铁层会在还原性气氛中被重复地剥落，造成裸露的金属管壁发生进一步的腐蚀。另外，CO的存在也加速了Cl和HCl的侵蚀。与普通的燃煤、燃油锅炉相比，垃圾焚烧炉的烟气中Cl的成分较高，这也使得高温腐蚀加剧。其反应过程如下所示：
Fe2O3 + 2HCl + CO → FeO + FeCl2 + H2O + CO2
FeO + 2HCl + CO → FeCl2 + H2 + [O ]
FeO + 2HCl + CO → FeCl2 + H2O
通常在焚烧炉排的前半段，也就是垃圾的干燥区和热解区的上方，烟气中有较高的水蒸汽和热解产物，CO的含量比燃烧区和后燃烧区的上方高得多，这样使得前墙和靠近前墙的两侧墙处形成强还原性气氛，造成水冷壁管严重的高温腐蚀。
5、防止高温腐蚀的措施
为了有效防止水冷壁高温腐蚀，可从以下几个方面入手：运用大型流体力学计算软件FLUENT-CFD（Computational F1uid Dynamics）对垃圾焚烧炉进行炉内流场的模拟，研究炉拱形状和尺寸对流场的影响，保证炉膛空间良好的火焰充满度，同时保证喉口位置烟气湍流效果强烈，充分发挥炉膛后拱和前拱的辐射及对流传热的效果。从而确定最佳的炉膛形状。合理地设计焚烧炉膛的形状，组织好炉内的燃烧工况，采用较高的过量空气系数，并合理设计二次风的配置，加强烟气的扰动，延长在炉膛内的停留时间，这样使得炉膛内的烟气成分较为均匀，且避免了不完全燃烧。
当垃圾热值较低时，为了保证烟气达到在850℃的温度中停留2秒以上的环保指标，垃圾焚烧炉一般设计成绝热炉膛，水冷壁外敷设耐火层或直接采用砖砌炉膛，这样避免了水冷壁管与烟气直接接触，可大大降低水冷壁高温腐蚀的发生几率。
对于高参数大型化垃圾焚烧炉，在第一通道水冷壁上部做喷涂或堆焊处理，可有效防止高温腐蚀。
通过热力核算和水循环计算，合理设计汽水循环系统，避免循环停滞，以及汽水分层造成在汽水分界面形成交替性蠕变；同时，采用有效的吹灰手段来保证受热面的清洁状态，避免受热不均而发生高温腐蚀。
6、结束语
随着人们生活水平的提高，城市生活垃圾的热值不断提高，用于垃圾焚烧的锅炉设备越来越趋向于大型化和高参数化。水冷壁更容易发生高温腐蚀，主要表现为水冷壁裂纹、爆管现象。为了有效防止水冷壁高温腐蚀，可从多方面入手，如合理设计炉膛尺寸，水循环系统，在第一通道水冷壁下部做喷涂或堆焊处理，采用有效清灰手段等，从而降低水冷壁高温腐蚀风险，提高运行使用寿命和经济性。
参考文献：
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[3]国家质量监督检验检疫总局.《高压锅炉用无缝钢管》（GB/T5310-2017）.