城市垃圾焚烧发电的基本情况概述

01   城市垃圾的组成

在城市垃圾的组成中，日常生活垃圾占比较大。通常情况下，日常生活垃圾的分类为厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾，其组成十分复杂，而且会随着季节的变化有所不同，其波动性较强，含水量较高，对于回收处理相对困难。例如，街道垃圾主要由灰尘、泥土、树叶以及各种产品的包装袋、塑料袋组成，与居民日常生活垃圾相比其含水量较低，但灰尘、泥土的回收处理难度相对较高；而企业办公垃圾多由城市内大中小型企业、学校以及各种工厂所产生的，多以废纸、金属为主，其含水量也相对较低。此外，集贸市场垃圾则多以菜叶、果皮、塑料袋居多，但这部分垃圾的含水量相对较高。

02    垃圾焚烧法

随着科学技术的发展，垃圾焚烧处理技术得到了大幅提升，但在垃圾焚烧过程中仍然会产生各种废水、废气、固废物等有毒有害物质。这些有害物质会对水源、空气、土地造成污染，也对人们的身体健康造成威胁，所以要进一步提升垃圾焚烧的效率和效果。

03  焚烧炉类型

01   流化床焚烧炉

01   除尘器腐蚀问题

由于垃圾焚烧产生的复杂烟气成分，会使除尘设备腐蚀严重，经过几个运行周期后，设备可能出现锈迹斑斑，甚至腐蚀穿孔的情况，设备反复维修成本费用高。

焚烧炉内燃烧化学废弃物的温度可达到800℃以上，即使已有耐火保温材料，也可能会有温度泄漏，而炉壳设计温度在50~120℃，正好位于酸露点附近，烟气结露形成酸，最终会对炉壳造成严重腐蚀。

焚烧设备的腐蚀会带来焚烧温度控制不精确、垃圾焚烧不充分，黑烟的大量产生造成空气污染，甚至从焚烧炉排出的炉渣中还存在未燃尽的有机物，造成有机物的浪费。

垃圾炉受热面高温腐蚀机理

01  垃圾焚烧中的腐蚀性成分

01  Cl的腐蚀

近几年来，塑料制品及塑料包装材料在垃圾中所占的比重不断增加，垃圾中的合成树脂类如聚氯乙烯（PVC）、人造橡胶、人造革、泡沫塑料等含有较多的有机氯化物，而厨房垃圾则含有氯化钠、氯化钾和氯化镁等无机氯化物，造成了烟气中的各种有机氯和无机氯浓度提高。Cl在高温下，往往以气态HCl、Cl2和金属氯化物KCl、NaCl、ZnCl2、PbCl2等沉积物出现在焚烧环境中，导致了几种腐蚀形式出现：

(1) 气相腐蚀：在焚烧炉的高温含氯气氛中，直接导致气相腐蚀；

(2) 氧化还原反应腐蚀：金属氯化物低熔点灰分沉积盐与金属表面的氯化膜发生氧化还原反应腐蚀基体；

(3) 电化学腐蚀：金属氯化物与烟气中其他无机盐共同沉积在金属表面，形成低熔点共晶体，大大降低积灰的熔点，在高温的管壁上产生熔融性的腐蚀性盐，在积灰-金属交界面形成局部液相，形成电化学腐蚀氛围，基体金属发生阳极溶解，相应地气氛中的两种氧化剂O2和Cl2被还原，基体金属被进一步氧化并与结合成疏松的氧化物粒子形成沉积，或与Cl-结合生成氯化物，这样随着腐蚀的进行，就在熔融氯化物的外表面形成一层疏松的外氧化膜，由于金属离子在熔融盐中的扩散速度较大，因此这一电化学过程严重腐蚀垃圾焚烧余热锅炉的过热器、水冷壁。

02  S的腐蚀

硫的腐蚀主要是碱金属的热腐蚀，即Na3Fe(SO4)3及K3Fe(SO4)3的腐蚀。

02   高温腐蚀

高温的产生，一是锅炉实际运行温度越来越高，二是锅炉受热面的清灰不及时或清灰效果不佳，使得受热面的传热受阻，导致受热面的表面温度过高。高温腐蚀，与前述Cl腐蚀、S腐蚀是相伴存在的。高温环境引发了Cl2和HCl的产生，加速了腐蚀量和腐蚀速度。

03   高参数化的腐蚀问题

高参数化有两个方面的原因。第一是垃圾热值在逐渐提高，超出了早期所建设的垃圾焚烧厂设计的额定值；第二是近年来垃圾焚烧锅炉向大型化、高参数化发展。

04   腐蚀环境下的磨损

垃圾燃烧时产生的大量灰粉冲刷受热面管，使受热面管外表面受到不同程度的磨损。

在上述多重因素共同作用下，受热面管从外向内不断地被氧化、腐蚀和磨损，使之逐渐减薄，当承受不了管内汽水压力时就会发生爆管事故，造成发电机组非停。

气相与熔盐共存的高温腐蚀

垃圾焚烧在产生腐蚀性气体的同时也会产生碱金属、碱土金属和重金属的盐类化合物，而这些化合物很容易附着在金属管壁且形成低熔点共晶体对金属壁面造成严重腐蚀。

01  SO2对腐蚀的影响

碱金属氯化物对金属管壁的腐蚀最为常见，其易与铬铁氧化层反应，因此比硫酸盐更具腐蚀性，以铁基合金为例，管壁表面附着的碱金属氯化物（以NaCl为例）在O2和H2O存在的条件下可以与金属表面的氧化物保护层发生反应，生成Na2Fe2O4和Cl2以及挥发性的FeCl2，破坏氧化层的致密性，加速活化氧化反应，在SO2存在的条件下生成Na2SO4和HCl，其可参与多活化氧化反应中，然而Na2SO4却能阻碍NaCl造成的腐蚀，碱金属盐对管壁的腐蚀过程中会受到气体条件的影响，其中SO2对碱金属氯化物腐蚀的影响是研究热点。

在氧化性气氛下加入不同浓度SO2时研究NaCl沉积物对304不锈钢的腐蚀影响，发现存在高浓度SO2时腐蚀显著减慢，研究人员认为加入高浓度的SO2使沉积物表面立即发生氯化物硫酸盐化，产生的氯没有向金属基体扩散而是溢到大气中，从而抑制了活化氧化反应。

不同气氛下KCl腐蚀的初级阶段，并且对照了无盐环境和K2SO4环境，发现在湿氧环境下SO2的存在会降低KCl的腐蚀速率，但依然高于相同气氛下的无盐环境和K2SO4环境，这是因为前15min内有一半的KCl转换为K2SO4，而K2SO4不会侵蚀金属氧化膜从而降低腐蚀速率，但是腐蚀前期仍然有许多KCl侵蚀了氧化膜，导致腐蚀速率比相同气氛下无盐环境和单纯K2SO4环境高。高浓度的SO2会对KCl腐蚀起抑制作用，但高于某S/Cl比腐蚀会随SO2浓度增加而加速，研究人员认为可能是由于K2SO4、SO2和Fe2O3之间的联合反应导致金属铁的硫化。同时还研究了水蒸气对腐蚀的影响，发现水蒸气超过某一临界值会使腐蚀加快。

也有部分研究发现低浓度SO2并不会抑制碱金属氯化物对金属基体的高温腐蚀。SO2气氛下碱金属硫酸盐的高温腐蚀，认为是腐蚀初期发生了选择性氧化，随后熔盐导致合金内硫化，且气氛中SO2转换成的SO2与金属氧化物发生反应破坏氧化膜，腐蚀产物有金属氧化物、金属硫化物以及尖晶石结构的氧化物。

02   金属材料对腐蚀的影响

不同的金属材料以及材料中添加不同元素都会表现出不同的耐腐蚀性。目前研究普遍认为镍基合金的耐高温腐蚀性优于铁基合金，因此工程上常在金属表面涂覆镍基涂层来增加耐腐蚀性。

在合金钢和不锈钢中几乎都有Cr的存在，因为Cr的存在容易在金属表面形成致密的氧化膜，从而使金属具有良好的抗高温氧化性，但是一些研究表明在碱金属氯盐存在的情况下，高Cr合金并没有表现出良好的耐腐蚀性，因为Cr比Fe和Ni更容易生成氯化物，且Cr氯化物转换成氧化物所需的氧分压更低，在氧化膜内侧即可发生转换，破坏了氧化膜的致密性和其与金属基体的粘附性。不同Cr含量的Fe-Cr合金预氧化后在KCl盐膜下的腐蚀，发现Cr含量越高腐蚀越慢，认为预氧化生成大的初始氧化膜中的Cr2O3能降低在KCl盐膜下的腐蚀速率。

含Al材料由于在腐蚀初期更容易形成Al2O3保护膜，且Al2O3不易与熔盐反应，因此富铝材料表现出良好的耐腐蚀性。增加合金中铝含量使合金表面形成Al2O3保护膜的一种常用方法是对合金进行渗铝处理。研究20钢和渗铝20钢在KCl盐膜下的腐蚀，根据腐蚀动力学曲线可知渗铝20钢比未渗铝20钢表现出更好的耐腐蚀性。还有部分研究表明渗铝处理的合金在其他混合盐中的腐蚀依然表现出良好的耐腐蚀性。

垃圾炉受热面常规表面防护措施

针对垃圾焚烧余热锅炉的腐蚀问题，国际上通常采用碳钢+Inconel625复合管、热喷涂、堆焊等方法来抑制或延缓腐蚀，提升材质抗腐蚀能力，主要是适合垃圾热值比较高的情况。在国外垃圾焚烧厂，水冷壁采用镍基材料堆焊极为普遍，特别是欧美国家，由于垃圾热值高达9540kJ左右，水冷壁堆焊防腐几乎是一个标配方案。

01   热喷涂

热喷涂技术是解决锅炉四管磨损问题的一项工艺，包括很多工艺方法，按照热源形式不同可大体分为四大类：火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂等。目前，火焰喷涂不锈钢类材料在国内外电厂应用广泛；但等离子喷涂和超音速喷涂在国内应用的不多。

热喷涂技术因其强大的材料适应能力，在许多工况下具有卓越的耐磨损能力、耐腐蚀能力、耐高温能力、绝缘能力等。但在垃圾焚烧条件下，热喷涂技术因其较低的结合力（通常＜100MPa）和较高的孔隙率（通常＞1%），应用效果不太理想。但在欧美、日本也是有不少应用的。

02  堆焊

堆焊是指借助一定的热源手段，将具有一定使用性能的合金材料熔敷在基体材料表面，赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法，是重要的表面工程技术之一。

堆焊不同于一般焊接方法，主要是通过对基体表面进行改性，以获得所需要的耐磨、耐热和耐腐蚀等特殊性能；常用的堆焊类型有手工电弧堆焊、丝极或带极埋弧堆焊、等离子弧堆焊和CMT（冷金属过渡）堆焊，焊丝通常是采用具有超高的强度、抗疲劳特性及抗腐蚀性能的材料Inconel625。

发电厂水冷壁高温腐蚀及其引起的泄漏情况，通过试验及相关研究分析表明主要是高温氯化腐蚀，通过采用Inconel625镍基焊接材料堆焊防腐处理可以有效抑制或延缓水冷壁管高温氯化腐蚀。

目前在中国市场，主流堆焊技术采用的是CMT堆焊技术。但在欧美市场，也有采用激光技术进行水冷壁制造的技术。但是采用堆焊技术成本高昂，并且堆焊制造效率很低，严重制约了镍基材料在垃圾焚烧炉受热面上的应用。

03   微熔焊技术

微熔焊技术是最近新研发的一种适用于垃圾焚烧炉过热器、水冷壁或其他锅炉受热面镍基材料处理的防腐工艺，该工艺熔覆涂层和金属基体属于冶金结合防护涂层。

微熔焊技术用一定的工艺参数在处理过程中可以使基体微熔或不熔，得到低稀释率的熔覆层，熔覆层与基体结合十分牢固，而且这种结合是属于冶金结合。

微熔焊技术采用的加热技术向熔覆层输入的能量几乎刚好使预置层熔化，尽管此时基体尚未熔化，但从熔融的合金粉末可在基体表面浸润可以说明，此时基体的表面温度已经被加热到合金粉末熔点以上的温度(>1000°C)。在这样高的温度下Fe原子和Ni原子可以发生相互扩散，形成一定厚度的固溶体扩散层。而且界面结合处的成分过渡曲线不是一条陡变的垂直线，而是约有几微米的过渡区，这一典型现象说明在熔覆层与基体的界面结合处存在一个区域很窄的共混，在涂层与基体之间形成了扩散转移层，涂层与基体之间形成微冶金结合，结合强度高，不易脱落。

结 论

垃圾焚烧是当前处理生活垃圾的有效方法，它具有减容化、无害化和资源化特点。但是垃圾焚烧过程对焚烧炉受热面的腐蚀相当严重，使受热面使用寿命大大缩减、经常性的更换受热面对垃圾焚烧炉安全运行造成了困扰。

针对垃圾焚烧炉的高温腐蚀问题，通常采用在锅炉管外壁热喷涂、堆焊耐高温、耐腐蚀的镍基合金材料的方法。但热喷涂尽管成本低廉，效果却不够理想；堆焊对锅炉基材损伤严重并且施工效率低，很难满足锅炉受热面批量生产的要求；采用镍基合金微熔焊技术更加快速、高效，可以解决受热面管的腐蚀问题，延长锅炉受热面的使用寿命。