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嚴凱1,2
（1.江西科技師范大學，江西南昌330013；2.江西省材料表面重點實驗室，江西南昌330013）
摘要：隨著城市生活垃圾數量的增加，環境面臨的壓力也在日益增加。垃圾焚燒發電技術已經發展成為處理城市生活垃圾的主要方式之一。然而，在城市固體廢物中，成分復雜多變，其中氯元素含量較高，極易引發嚴重的高溫腐蝕現象。“雙碳”目標的提出以及垃圾分類政策的不斷推動，焚燒發電鍋爐中面臨的更加嚴峻的高溫腐蝕問題。文章對當前垃圾焚燒發電鍋爐中的高溫腐蝕現象及“雙碳”背景下遇到的問題進行梳理，總結相應的優化措施，尋求提高發電鍋爐使用壽命，降低發電廠成本。
0引言
隨著工業化步伐的加快以及現代城市化進程的加速，市民在享受城市生活便利的同時，也產生了大量的城市固體廢物即城市生活垃圾。妥善處理城市固體廢物對提升城市居民的生活質量、緩解環境壓力至關重要。從目前來看，城市固體廢物處理方法主要采取回收利用、衛生填埋、堆肥、垃圾焚燒發電四種方法[1]。其中，由于垃圾焚燒發電法能夠做到迅速處理，減量化程度高達90%，產生相對較少的環境污染，合理資源化地將廢物轉化為綠色能量，被國內外大量使用[2]。然而，在垃圾焚燒過程中，會釋放出HCl、SO2、CO等腐蝕性氣體，以及熔融鹽的產生，這會引起嚴重的高溫腐蝕問題，降低焚燒發電鍋爐的服役壽命，影響焚燒發電鍋爐的正常運行[3]。同時在“雙碳”目標下和生態環保政策的發布，焚燒產生的可吸入顆粒物、飛灰、二噁英、苯類等污染物，也亟須得到控制。基于此，對目前引起焚燒發電鍋爐腐蝕的幾個因素，結合“雙碳”，對發電鍋爐可能面臨的高溫腐蝕問題進行分析，并提出工藝優化措施，確保焚燒發電鍋爐的正常運行，降低發電廠的維護成本。
1焚燒發電鍋爐中高溫腐蝕現象
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。目前市場上投入應用的垃圾焚燒發電鍋爐，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”的機制[5-6]。一般認為，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性質不穩定，且具有較高的飽和蒸氣壓，在高溫下易揮發。因此，在生成金屬氯化物后，隨著腐蝕的繼續進行，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，并在氧氣壓力較高區域被氧化，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輸送的循環輸送過程。大量數據表明，金屬氯化物的生成，使得焚燒發電鍋爐設備組成金屬損失嚴重，容易引起水冷壁減薄、發電鍋爐過熱器管路爆炸等生產事故，增加了焚燒發電鍋爐的維護成本。
1.2高溫熔鹽腐蝕
城市生活垃圾成分相當復雜，有機物含量高，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]。當燃燒氣體中的揮發性氯化物進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，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，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。在高溫環境下，熔融鹽會形成液相，而液相化學反應，往往要比固相反應快得多，從而進一步加快熔融鹽腐蝕速率[8]。研究表明，高溫熔鹽腐蝕機制主要遵循兩種：一種是基于金屬氯化物，硫酸鹽化機制，管壁沉積的金屬氯化物與煙氣氣氛中的SO2或者SO3反應，生成HCl與Cl2，其中HCl可以進一步生成Cl2，從而進一步腐蝕金屬[6]；另一種是高溫熔融的堿金屬氯化物與金屬氧化物發生反應，將覆蓋在金屬表面的Fe、Cr和Al等元素形成的具有保護性氧化物分解。在破壞金屬保護性氧化膜的同時，釋放出Cl2，進一步發生氣相腐蝕，從而引起器件頻繁失效，影響焚燒發電鍋爐的正常工作[3]。
2焚燒發電鍋爐中的腐蝕問題及優化措施
2.1“雙碳”背景下發電鍋爐中的腐蝕問題
基于推動構建人類命運共同體的擔當和實現可持續發展的內在要求，我國于2020年9月提出“雙碳”目標的戰略決策，力爭2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”目標。
“雙碳”背景下，能源結構調整，資源循環利用，加快降低碳排放步伐，是實現“雙碳”目標的關鍵[9]。目前，我國能源結構仍舊主要以煤炭為主，亟需尋找路徑。“雙碳”政策要求提升重點行業的能源利用效率，控制煤炭消費增長，發展綠色低碳技術的研發和推廣，大力發展生物質等可再生能源，建設多元互補的綜合能源供給體系[10-11]。垃圾焚燒發電是一項經濟的發電技術，在“雙碳”目標下，勢必推動垃圾焚燒發電技術應用和發展。此外，在能源轉型、低碳可持續發展不斷提高的過程中，實行垃圾分類是發展綠色低碳經濟的重要踐行。生活垃圾分類具有社會、經濟、生態等效應，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備，減少土地資源的消耗，改善居民生活環境[9]。我國自2019年起，全國各個城市開始逐步精準實施生活垃圾分類。然而，隨著近年來強制垃圾分類政策推進，垃圾焚燒發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，加劇了發電鍋爐中的高溫腐蝕，導致垃圾焚燒發電鍋爐故障率增加。此外，HCl誘導的高溫腐蝕行為會隨著氣體中HCl的含量增加加速。而在醫用垃圾中，其Cl元素含量遠超其他垃圾，醫療廢物焚燒轉化Cl含量高達2.33%～2.64%，甚至更高。因此，隨著垃圾的分類的進行，這也可能加重垃圾焚燒鍋爐工作環境的負擔。
垃圾焚燒發電領域具有上百年的發展歷史，雖然已經形成了相對的穩定模式，但是仍然存在一些問題。根據聯合國政府氣候變化專門委員會（IPCC）定義，焚燒生物質不納入碳排放估算，生活垃圾焚燒發電被認定作為生物質發電屬于可再生資源。然而，根據生態環境部工程評估中心發布稱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，容易產生二噁英、苯烯等有毒有機物，難以處理，易造成環境污染。盡管當前已有環保措施和相應技術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，而當焚燒溫度達到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提升發電鍋爐腐蝕性能的優化措施
隨著垃圾焚燒發電技術的不斷應用和推廣，由于發電效益的要求，垃圾焚燒鍋爐工質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生。為保證設備的正常運行，降低生產成本，提高發電效率，高溫腐蝕防護措施也經歷了不斷的創新和發展。目前已經建立了很多降低高溫腐蝕的方法，對垃圾焚燒鍋爐防護措施，主要分為一級措施和二級措施[5]。
一級措施主要是通過優化焚燒發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，為減少發電鍋爐高溫腐蝕，大量焚燒發電廠已經開始采取混合燃燒的方式，進行協同處置[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，捕獲堿金屬元素使其避免沉積在鍋爐管壁，而適當的二氧化硫存在，能夠明顯抑制HCl誘導的氣相腐蝕[14]。因此垃圾焚燒時添加富含硫和鋁硅酸鹽的燃料，或將富含硫元素的煤與生活垃圾混燒，不僅可以提高熱值，提高發電效率，還能緩解發電鍋爐的腐蝕。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，優化焚燒發電鍋爐燃燒條件，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和二次風噴嘴調節，確保過量的空氣系數使得燃燒產生的煙氣均勻，減小爐膛口的溫度和煙氣速度的穩定，防止嚴重的局部腐蝕[15]。
二級措施是從材料選擇角度進行，一方面著手開發出新型的高性能防腐蝕材料，另一方面采取相應的輔助措施改善現有材料性能以減少高溫腐蝕對焚燒發電鍋爐的影響，延長發電鍋爐的使用壽命。多種耐腐蝕材料已經在發電焚燒鍋爐上進行了測試和應用[16]。目前應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℃左右也能具有優異的高溫強度和耐腐蝕性能。此外，諸如高速氧燃料（HVOF）熱噴涂、激光熔覆、堆焊等的涂層系統被開發和應用在先進的垃圾焚燒鍋爐中。其中，傳統的熱噴涂和堆焊涂層具有技術成熟和成本低的優點，適用于中容量的焚燒發電鍋爐，而激光熔覆層的高強度，和基體之間的高冶金結合強度，更適合用于大容量的焚燒發電鍋爐。因此，對不同參數的垃圾焚燒發電鍋爐，應該根據實際情況，采用適當的工藝提升焚燒發電鍋爐的腐蝕性能。
3結語
生活垃圾焚燒發電在實現城市生活垃圾的安全處置、減少污染的同時，作為綠色技術更能降低碳排放，是實現“雙碳”目標的必然趨勢。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，垃圾中氯元素含量會增加，容易引發嚴重的高溫腐蝕，導致垃圾焚燒發電鍋爐將面臨新的挑戰。因此，需要采取相應的防護措施，提高發電鍋爐高溫腐蝕性能，確保焚燒發電鍋爐的正常運行。本文介紹了焚燒發電鍋爐中的高溫腐蝕現象和目前常見的高溫腐蝕防護方法。垃圾焚燒發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，目前主要的保護措施是通過優化工藝，降低腐蝕因素的不利影響，以及尋求具有優異的抗腐蝕性材料并采用相應的輔助措施，延長焚燒發電鍋爐的使用壽命。
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