城市垃圾焚燒發電的基本情況概述

01   城市垃圾的組成

在城市垃圾的組成中，日常生活垃圾占比較大。通常情況下，日常生活垃圾的分類為廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾，其組成十分復雜，而且會隨著季節的變化有所不同，其波動性較強，含水量較高，對于回收處理相對困難。例如，街道垃圾主要由灰塵、泥土、樹葉以及各種產品的包裝袋、塑料袋組成，與居民日常生活垃圾相比其含水量較低，但灰塵、泥土的回收處理難度相對較高；而企業辦公垃圾多由城市內大中小型企業、學校以及各種工廠所產生的，多以廢紙、金屬為主，其含水量也相對較低。此外，集貿市場垃圾則多以菜葉、果皮、塑料袋居多，但這部分垃圾的含水量相對較高。

02    垃圾焚燒法

隨著科學技術的發展，垃圾焚燒處理技術得到了大幅提升，但在垃圾焚燒過程中仍然會產生各種廢水、廢氣、固廢物等有毒有害物質。這些有害物質會對水源、空氣、土地造成污染，也對人們的身體健康造成威脅，所以要進一步提升垃圾焚燒的效率和效果。

03  焚燒爐類型

01   流化床焚燒爐

01   除塵器腐蝕問題

由于垃圾焚燒產生的復雜煙氣成分，會使除塵設備腐蝕嚴重，經過幾個運行周期后，設備可能出現銹跡斑斑，甚至腐蝕穿孔的情況，設備反復維修成本費用高。

焚燒爐內燃燒化學廢棄物的溫度可達到800℃以上，即使已有耐火保溫材料，也可能會有溫度泄漏，而爐殼設計溫度在50~120℃，正好位于酸露點附近，煙氣結露形成酸，最終會對爐殼造成嚴重腐蝕。

焚燒設備的腐蝕會帶來焚燒溫度控制不精確、垃圾焚燒不充分，黑煙的大量產生造成空氣污染，甚至從焚燒爐排出的爐渣中還存在未燃盡的有機物，造成有機物的浪費。

垃圾爐受熱面高溫腐蝕機理

01  垃圾焚燒中的腐蝕性成分

01  Cl的腐蝕

近幾年來，塑料制品及塑料包裝材料在垃圾中所占的比重不斷增加，垃圾中的合成樹脂類如聚氯乙烯（PVC）、人造橡膠、人造革、泡沫塑料等含有較多的有機氯化物，而廚房垃圾則含有氯化鈉、氯化鉀和氯化鎂等無機氯化物，造成了煙氣中的各種有機氯和無機氯濃度提高。Cl在高溫下，往往以氣態HCl、Cl2和金屬氯化物KCl、NaCl、ZnCl2、PbCl2等沉積物出現在焚燒環境中，導致了幾種腐蝕形式出現：

(1) 氣相腐蝕：在焚燒爐的高溫含氯氣氛中，直接導致氣相腐蝕；

(2) 氧化還原反應腐蝕：金屬氯化物低熔點灰分沉積鹽與金屬表面的氯化膜發生氧化還原反應腐蝕基體；

(3) 電化學腐蝕：金屬氯化物與煙氣中其他無機鹽共同沉積在金屬表面，形成低熔點共晶體，大大降低積灰的熔點，在高溫的管壁上產生熔融性的腐蝕性鹽，在積灰-金屬交界面形成局部液相，形成電化學腐蝕氛圍，基體金屬發生陽極溶解，相應地氣氛中的兩種氧化劑O2和Cl2被還原，基體金屬被進一步氧化并與結合成疏松的氧化物粒子形成沉積，或與Cl-結合生成氯化物，這樣隨著腐蝕的進行，就在熔融氯化物的外表面形成一層疏松的外氧化膜，由于金屬離子在熔融鹽中的擴散速度較大，因此這一電化學過程嚴重腐蝕垃圾焚燒余熱鍋爐的過熱器、水冷壁。

02  S的腐蝕

硫的腐蝕主要是堿金屬的熱腐蝕，即Na3Fe(SO4)3及K3Fe(SO4)3的腐蝕。

02   高溫腐蝕

高溫的產生，一是鍋爐實際運行溫度越來越高，二是鍋爐受熱面的清灰不及時或清灰效果不佳，使得受熱面的傳熱受阻，導致受熱面的表面溫度過高。高溫腐蝕，與前述Cl腐蝕、S腐蝕是相伴存在的。高溫環境引發了Cl2和HCl的產生，加速了腐蝕量和腐蝕速度。

03   高參數化的腐蝕問題

高參數化有兩個方面的原因。第一是垃圾熱值在逐漸提高，超出了早期所建設的垃圾焚燒廠設計的額定值；第二是近年來垃圾焚燒鍋爐向大型化、高參數化發展。

04   腐蝕環境下的磨損

垃圾燃燒時產生的大量灰粉沖刷受熱面管，使受熱面管外表面受到不同程度的磨損。

在上述多重因素共同作用下，受熱面管從外向內不斷地被氧化、腐蝕和磨損，使之逐漸減薄，當承受不了管內汽水壓力時就會發生爆管事故，造成發電機組非停。

氣相與熔鹽共存的高溫腐蝕

垃圾焚燒在產生腐蝕性氣體的同時也會產生堿金屬、堿土金屬和重金屬的鹽類化合物，而這些化合物很容易附著在金屬管壁且形成低熔點共晶體對金屬壁面造成嚴重腐蝕。

01  SO2對腐蝕的影響

堿金屬氯化物對金屬管壁的腐蝕最為常見，其易與鉻鐵氧化層反應，因此比硫酸鹽更具腐蝕性，以鐵基合金為例，管壁表面附著的堿金屬氯化物（以NaCl為例）在O2和H2O存在的條件下可以與金屬表面的氧化物保護層發生反應，生成Na2Fe2O4和Cl2以及揮發性的FeCl2，破壞氧化層的致密性，加速活化氧化反應，在SO2存在的條件下生成Na2SO4和HCl，其可參與多活化氧化反應中，然而Na2SO4卻能阻礙NaCl造成的腐蝕，堿金屬鹽對管壁的腐蝕過程中會受到氣體條件的影響，其中SO2對堿金屬氯化物腐蝕的影響是研究熱點。

在氧化性氣氛下加入不同濃度SO2時研究NaCl沉積物對304不銹鋼的腐蝕影響，發現存在高濃度SO2時腐蝕顯著減慢，研究人員認為加入高濃度的SO2使沉積物表面立即發生氯化物硫酸鹽化，產生的氯沒有向金屬基體擴散而是溢到大氣中，從而抑制了活化氧化反應。

不同氣氛下KCl腐蝕的初級階段，并且對照了無鹽環境和K2SO4環境，發現在濕氧環境下SO2的存在會降低KCl的腐蝕速率，但依然高于相同氣氛下的無鹽環境和K2SO4環境，這是因為前15min內有一半的KCl轉換為K2SO4，而K2SO4不會侵蝕金屬氧化膜從而降低腐蝕速率，但是腐蝕前期仍然有許多KCl侵蝕了氧化膜，導致腐蝕速率比相同氣氛下無鹽環境和單純K2SO4環境高。高濃度的SO2會對KCl腐蝕起抑制作用，但高于某S/Cl比腐蝕會隨SO2濃度增加而加速，研究人員認為可能是由于K2SO4、SO2和Fe2O3之間的聯合反應導致金屬鐵的硫化。同時還研究了水蒸氣對腐蝕的影響，發現水蒸氣超過某一臨界值會使腐蝕加快。

也有部分研究發現低濃度SO2并不會抑制堿金屬氯化物對金屬基體的高溫腐蝕。SO2氣氛下堿金屬硫酸鹽的高溫腐蝕，認為是腐蝕初期發生了選擇性氧化，隨后熔鹽導致合金內硫化，且氣氛中SO2轉換成的SO2與金屬氧化物發生反應破壞氧化膜，腐蝕產物有金屬氧化物、金屬硫化物以及尖晶石結構的氧化物。

02   金屬材料對腐蝕的影響

不同的金屬材料以及材料中添加不同元素都會表現出不同的耐腐蝕性。目前研究普遍認為鎳基合金的耐高溫腐蝕性優于鐵基合金，因此工程上常在金屬表面涂覆鎳基涂層來增加耐腐蝕性。

在合金鋼和不銹鋼中幾乎都有Cr的存在，因為Cr的存在容易在金屬表面形成致密的氧化膜，從而使金屬具有良好的抗高溫氧化性，但是一些研究表明在堿金屬氯鹽存在的情況下，高Cr合金并沒有表現出良好的耐腐蝕性，因為Cr比Fe和Ni更容易生成氯化物，且Cr氯化物轉換成氧化物所需的氧分壓更低，在氧化膜內側即可發生轉換，破壞了氧化膜的致密性和其與金屬基體的粘附性。不同Cr含量的Fe-Cr合金預氧化后在KCl鹽膜下的腐蝕，發現Cr含量越高腐蝕越慢，認為預氧化生成大的初始氧化膜中的Cr2O3能降低在KCl鹽膜下的腐蝕速率。

含Al材料由于在腐蝕初期更容易形成Al2O3保護膜，且Al2O3不易與熔鹽反應，因此富鋁材料表現出良好的耐腐蝕性。增加合金中鋁含量使合金表面形成Al2O3保護膜的一種常用方法是對合金進行滲鋁處理。研究20鋼和滲鋁20鋼在KCl鹽膜下的腐蝕，根據腐蝕動力學曲線可知滲鋁20鋼比未滲鋁20鋼表現出更好的耐腐蝕性。還有部分研究表明滲鋁處理的合金在其他混合鹽中的腐蝕依然表現出良好的耐腐蝕性。

垃圾爐受熱面常規表面防護措施

針對垃圾焚燒余熱鍋爐的腐蝕問題，國際上通常采用碳鋼+Inconel625復合管、熱噴涂、堆焊等方法來抑制或延緩腐蝕，提升材質抗腐蝕能力，主要是適合垃圾熱值比較高的情況。在國外垃圾焚燒廠，水冷壁采用鎳基材料堆焊極為普遍，特別是歐美國家，由于垃圾熱值高達9540kJ左右，水冷壁堆焊防腐幾乎是一個標配方案。

01   熱噴涂

熱噴涂技術是解決鍋爐四管磨損問題的一項工藝，包括很多工藝方法，按照熱源形式不同可大體分為四大類：火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂和超音速噴涂等。目前，火焰噴涂不銹鋼類材料在國內外電廠應用廣泛；但等離子噴涂和超音速噴涂在國內應用的不多。

熱噴涂技術因其強大的材料適應能力，在許多工況下具有卓越的耐磨損能力、耐腐蝕能力、耐高溫能力、絕緣能力等。但在垃圾焚燒條件下，熱噴涂技術因其較低的結合力（通常＜100MPa）和較高的孔隙率（通常＞1%），應用效果不太理想。但在歐美、日本也是有不少應用的。

02  堆焊

堆焊是指借助一定的熱源手段，將具有一定使用性能的合金材料熔敷在基體材料表面，賦予母材特殊使用性能或使零件恢復原有形狀尺寸的工藝方法，是重要的表面工程技術之一。

堆焊不同于一般焊接方法，主要是通過對基體表面進行改性，以獲得所需要的耐磨、耐熱和耐腐蝕等特殊性能；常用的堆焊類型有手工電弧堆焊、絲極或帶極埋弧堆焊、等離子弧堆焊和CMT（冷金屬過渡）堆焊，焊絲通常是采用具有超高的強度、抗疲勞特性及抗腐蝕性能的材料Inconel625。

發電廠水冷壁高溫腐蝕及其引起的泄漏情況，通過試驗及相關研究分析表明主要是高溫氯化腐蝕，通過采用Inconel625鎳基焊接材料堆焊防腐處理可以有效抑制或延緩水冷壁管高溫氯化腐蝕。

目前在中國市場，主流堆焊技術采用的是CMT堆焊技術。但在歐美市場，也有采用激光技術進行水冷壁制造的技術。但是采用堆焊技術成本高昂，并且堆焊制造效率很低，嚴重制約了鎳基材料在垃圾焚燒爐受熱面上的應用。

03   微熔焊技術

微熔焊技術是最近新研發的一種適用于垃圾焚燒爐過熱器、水冷壁或其他鍋爐受熱面鎳基材料處理的防腐工藝，該工藝熔覆涂層和金屬基體屬于冶金結合防護涂層。

微熔焊技術用一定的工藝參數在處理過程中可以使基體微熔或不熔，得到低稀釋率的熔覆層，熔覆層與基體結合十分牢固，而且這種結合是屬于冶金結合。

微熔焊技術采用的加熱技術向熔覆層輸入的能量幾乎剛好使預置層熔化，盡管此時基體尚未熔化，但從熔融的合金粉末可在基體表面浸潤可以說明，此時基體的表面溫度已經被加熱到合金粉末熔點以上的溫度(>1000°C)。在這樣高的溫度下Fe原子和Ni原子可以發生相互擴散，形成一定厚度的固溶體擴散層。而且界面結合處的成分過渡曲線不是一條陡變的垂直線，而是約有幾微米的過渡區，這一典型現象說明在熔覆層與基體的界面結合處存在一個區域很窄的共混，在涂層與基體之間形成了擴散轉移層，涂層與基體之間形成微冶金結合，結合強度高，不易脫落。

結 論

垃圾焚燒是當前處理生活垃圾的有效方法，它具有減容化、無害化和資源化特點。但是垃圾焚燒過程對焚燒爐受熱面的腐蝕相當嚴重，使受熱面使用壽命大大縮減、經常性的更換受熱面對垃圾焚燒爐安全運行造成了困擾。

針對垃圾焚燒爐的高溫腐蝕問題，通常采用在鍋爐管外壁熱噴涂、堆焊耐高溫、耐腐蝕的鎳基合金材料的方法。但熱噴涂盡管成本低廉，效果卻不夠理想；堆焊對鍋爐基材損傷嚴重并且施工效率低，很難滿足鍋爐受熱面批量生產的要求；采用鎳基合金微熔焊技術更加快速、高效，可以解決受熱面管的腐蝕問題，延長鍋爐受熱面的使用壽命。