“雙碳”背景下垃圾焚燒發(fā)電鍋爐中的高溫腐蝕問題及優(yōu)化措施

  2024-05-29         0次

　　1焚燒發(fā)電鍋爐中高溫腐蝕現(xiàn)象

　　1.1高溫氣相腐蝕

　　生活垃圾中含有相對較高的氯元素，在焚燒過程中，主要以HCl的形式釋放。目前市場上投入應(yīng)用的垃圾焚燒發(fā)電鍋爐，工作溫度大部分在400～800℃左右，而焚燒鍋爐煙氣中，即使含有少量HCl都將引起嚴(yán)重的氣相腐蝕[4]。

　　研究表明，高溫HCl氣體是造成垃圾焚燒鍋爐高溫氣相腐蝕的主要成分，其腐蝕行為遵循“活化氧化”的機(jī)制[5-6]。一般認(rèn)為，在腐蝕初始階段，HCl并不直接參與腐蝕，而是會與煙氣氣氛中的O2反應(yīng)生成Cl2，隨后Cl2附著在金屬表面生成金屬氯化物。通常來說，部分金屬氯化物化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，且具有較高的飽和蒸氣壓，在高溫下易揮發(fā)。因此，在生成金屬氯化物后，隨著腐蝕的繼續(xù)進(jìn)行，由于蒸氣壓梯度的作用，金屬氯化物會通過金屬氧化膜向外揮發(fā)，并在氧氣壓力較高區(qū)域被氧化，生成金屬氧化物，同時釋放出Cl2。最后，生成的Cl2會再次回到金屬表面參與腐蝕，形成一種以氯化物提供金屬從金屬表面向高氧分壓連續(xù)輸送的循環(huán)輸送過程。大量數(shù)據(jù)表明，金屬氯化物的生成，使得焚燒發(fā)電鍋爐設(shè)備組成金屬損失嚴(yán)重，容易引起水冷壁減薄、發(fā)電鍋爐過熱器管路爆炸等生產(chǎn)事故，增加了焚燒發(fā)電鍋爐的維護(hù)成本。

　　1.2高溫熔鹽腐蝕

　　城市生活垃圾成分相當(dāng)復(fù)雜，有機(jī)物含量高，C、H、O元素是其中主要成分，此外含有大量Cl、S、堿金屬等有害元素[7]。當(dāng)燃燒氣體中的揮發(fā)性氯化物進(jìn)入冷卻的管道表面時，容易被冷凝形成液體或固體沉積物。隨后，沉積的金屬氯化物會與煙氣氣氛中的SO2或SO3反應(yīng)，形成堿金屬硫酸鹽。此外，在焚燒時，垃圾中的Pb、Zn等金屬元素會與Cl和S反應(yīng)，在煙氣中生成金屬氯化物和硫酸鹽。它們的熔點，一般在300～400℃，容易與其他鹽類型形成低熔點共晶混合物。在高溫環(huán)境下，熔融鹽會形成液相，而液相化學(xué)反應(yīng)，往往要比固相反應(yīng)快得多，從而進(jìn)一步加快熔融鹽腐蝕速率[8]。研究表明，高溫熔鹽腐蝕機(jī)制主要遵循兩種：一種是基于金屬氯化物，硫酸鹽化機(jī)制，管壁沉積的金屬氯化物與煙氣氣氛中的SO2或者SO3反應(yīng)，生成HCl與Cl2，其中HCl可以進(jìn)一步生成Cl2，從而進(jìn)一步腐蝕金屬[6];另一種是高溫熔融的堿金屬氯化物與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，將覆蓋在金屬表面的Fe、Cr和Al等元素形成的具有保護(hù)性氧化物分解。在破壞金屬保護(hù)性氧化膜的同時，釋放出Cl2，進(jìn)一步發(fā)生氣相腐蝕，從而引起器件頻繁失效，影響焚燒發(fā)電鍋爐的正常工作[3]。

　　2焚燒發(fā)電鍋爐中的腐蝕問題及優(yōu)化措施

　　2.1“雙碳”背景下發(fā)電鍋爐中的腐蝕問題

　　基于推動構(gòu)建人類命運共同體的擔(dān)當(dāng)和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，我國于2020年9月提出“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略決策，力爭2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。

　　“雙碳”背景下，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，資源循環(huán)利用，加快降低碳排放步伐，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵[9]。目前，我國能源結(jié)構(gòu)仍舊主要以煤炭為主，亟需尋找路徑?！半p碳”政策要求提升重點行業(yè)的能源利用效率，控制煤炭消費增長，發(fā)展綠色低碳技術(shù)的研發(fā)和推廣，大力發(fā)展生物質(zhì)等可再生能源，建設(shè)多元互補(bǔ)的綜合能源供給體系[10-11]。垃圾焚燒發(fā)電是一項經(jīng)濟(jì)的發(fā)電技術(shù)，在“雙碳”目標(biāo)下，勢必推動垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展。此外，在能源轉(zhuǎn)型、低碳可持續(xù)發(fā)展不斷提高的過程中，實行垃圾分類是發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)的重要踐行。生活垃圾分類具有社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等效應(yīng)，能夠變廢為寶，減少污染，物盡其用，提高資源化利用率，也能減少垃圾處理量和處理設(shè)備，減少土地資源的消耗，改善居民生活環(huán)境[9]。我國自2019年起，全國各個城市開始逐步精準(zhǔn)實施生活垃圾分類。然而，隨著近年來強(qiáng)制垃圾分類政策推進(jìn)，垃圾焚燒發(fā)電廠入廠垃圾的塑料、橡膠、紡織物等垃圾比重不斷提高，垃圾焚燒的氯元素含量增加，加劇了發(fā)電鍋爐中的高溫腐蝕，導(dǎo)致垃圾焚燒發(fā)電鍋爐故障率增加。此外，HCl誘導(dǎo)的高溫腐蝕行為會隨著氣體中HCl的含量增加加速。而在醫(yī)用垃圾中，其Cl元素含量遠(yuǎn)超其他垃圾，醫(yī)療廢物焚燒轉(zhuǎn)化Cl含量高達(dá)2.33%～2.64%，甚至更高。因此，隨著垃圾的分類的進(jìn)行，這也可能加重垃圾焚燒鍋爐工作環(huán)境的負(fù)擔(dān)。

　　垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域具有上百年的發(fā)展歷史，雖然已經(jīng)形成了相對的穩(wěn)定模式，但是仍然存在一些問題。根據(jù)聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會(IPCC)定義，焚燒生物質(zhì)不納入碳排放估算，生活垃圾焚燒發(fā)電被認(rèn)定作為生物質(zhì)發(fā)電屬于可再生資源。然而，根據(jù)生態(tài)環(huán)境部工程評估中心發(fā)布稱2022年全國因垃圾焚燒排放CO2總量為10065萬t，處理噸垃圾的碳排放量約為358kg。這是因為垃圾焚燒除生物質(zhì)外，還存在大量塑料等化石基垃圾。在垃圾焚燒過程中，容易產(chǎn)生二噁英、苯烯等有毒有機(jī)物，難以處理，易造成環(huán)境污染。盡管當(dāng)前已有環(huán)保措施和相應(yīng)技術(shù)用于減少有毒氣體的排放，但成本較高。大量研究表明，二噁英、苯烯等有毒氣體主要是由于生活垃圾的不充分燃燒造成，而當(dāng)焚燒溫度達(dá)到850℃以上時，垃圾焚燒煙氣氣氛中的有毒氣體可以分解[12]。當(dāng)垃圾焚燒時的溫度提高，越來越多的研究表明，不僅可以顯著減少二噁英等有毒氣體的排放，焚燒發(fā)電的效率也得到大幅度提升，然而隨著溫度的提高，金屬的腐蝕速率也會急劇加速[13]。

　　2.2提升發(fā)電鍋爐腐蝕性能的優(yōu)化措施

　　隨著垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的不斷應(yīng)用和推廣，由于發(fā)電效益的要求，垃圾焚燒鍋爐工質(zhì)從低飽和蒸汽不斷向過熱蒸汽過渡，更加劇了高溫腐蝕的發(fā)生。為保證設(shè)備的正常運行，降低生產(chǎn)成本，提高發(fā)電效率，高溫腐蝕防護(hù)措施也經(jīng)歷了不斷的創(chuàng)新和發(fā)展。目前已經(jīng)建立了很多降低高溫腐蝕的方法，對垃圾焚燒鍋爐防護(hù)措施，主要分為一級措施和二級措施[5]。

　　一級措施主要是通過優(yōu)化焚燒發(fā)電鍋爐中的工藝條件，盡量減少腐蝕因素的不利影響。在“雙碳”背景下，為減少發(fā)電鍋爐高溫腐蝕，大量焚燒發(fā)電廠已經(jīng)開始采取混合燃燒的方式，進(jìn)行協(xié)同處置[14]。大量研究表明，硅酸鋁和二氧化硫可以和堿金屬的氯化物反應(yīng)，捕獲堿金屬元素使其避免沉積在鍋爐管壁，而適當(dāng)?shù)亩趸虼嬖?，能夠明顯抑制HCl誘導(dǎo)的氣相腐蝕[14]。因此垃圾焚燒時添加富含硫和鋁硅酸鹽的燃料，或?qū)⒏缓蛟氐拿号c生活垃圾混燒，不僅可以提高熱值，提高發(fā)電效率，還能緩解發(fā)電鍋爐的腐蝕。同時，在生活垃圾焚燒中，添加抑制氯腐蝕的添加劑，如Ca(OH)2、CaO、和CaCO3，也被大量采用。此外，優(yōu)化焚燒發(fā)電鍋爐燃燒條件，采用合理的余熱鍋爐與焚燒鍋爐一體化，以及合理布置一次風(fēng)和二次風(fēng)噴嘴調(diào)節(jié)，確保過量的空氣系數(shù)使得燃燒產(chǎn)生的煙氣均勻，減小爐膛口的溫度和煙氣速度的穩(wěn)定，防止嚴(yán)重的局部腐蝕[15]。

　　二級措施是從材料選擇角度進(jìn)行，一方面著手開發(fā)出新型的高性能防腐蝕材料，另一方面采取相應(yīng)的輔助措施改善現(xiàn)有材料性能以減少高溫腐蝕對焚燒發(fā)電鍋爐的影響，延長發(fā)電鍋爐的使用壽命。多種耐腐蝕材料已經(jīng)在發(fā)電焚燒鍋爐上進(jìn)行了測試和應(yīng)用[16]。目前應(yīng)用在焚燒鍋爐加熱管的合金主要有鎳鐵基高鉻合金、高鉻鉬鎳基合金和高硅鉻鎳基合金，大部分適用于爐溫400～600℃的焚燒鍋爐，在800℃左右也能具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性能。此外，諸如高速氧燃料(HVOF)熱噴涂、激光熔覆、堆焊等的涂層系統(tǒng)被開發(fā)和應(yīng)用在先進(jìn)的垃圾焚燒鍋爐中。其中，傳統(tǒng)的熱噴涂和堆焊涂層具有技術(shù)成熟和成本低的優(yōu)點，適用于中容量的焚燒發(fā)電鍋爐，而激光熔覆層的高強(qiáng)度，和基體之間的高冶金結(jié)合強(qiáng)度，更適合用于大容量的焚燒發(fā)電鍋爐。因此，對不同參數(shù)的垃圾焚燒發(fā)電鍋爐，應(yīng)該根據(jù)實際情況，采用適當(dāng)?shù)墓に囂嵘贌l(fā)電鍋爐的腐蝕性能。

　　3結(jié)語

　　生活垃圾焚燒發(fā)電在實現(xiàn)城市生活垃圾的安全處置、減少污染的同時，作為綠色技術(shù)更能降低碳排放，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必然趨勢。然而，在垃圾焚燒時，垃圾焚燒鍋爐遭受許多的高溫腐蝕問題。隨著垃圾分類的深入推進(jìn)，垃圾中氯元素含量會增加，容易引發(fā)嚴(yán)重的高溫腐蝕，導(dǎo)致垃圾焚燒發(fā)電鍋爐將面臨新的挑戰(zhàn)。因此，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，提高發(fā)電鍋爐高溫腐蝕性能，確保焚燒發(fā)電鍋爐的正常運行。本文介紹了焚燒發(fā)電鍋爐中的高溫腐蝕現(xiàn)象和目前常見的高溫腐蝕防護(hù)方法。垃圾焚燒發(fā)電鍋爐的高溫腐蝕問題主要是高溫氣相腐蝕和高溫熔鹽腐蝕，目前主要的保護(hù)措施是通過優(yōu)化工藝，降低腐蝕因素的不利影響，以及尋求具有優(yōu)異的抗腐蝕性材料并采用相應(yīng)的輔助措施，延長焚燒發(fā)電鍋爐的使用壽命。

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