垃圾焚烧余热锅炉过热器高温腐蚀原因分析及改造优化＊

龙吉生，严浩文，刘 建

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

垃圾焚烧发电技术因其具有良好的减量化、资源化和无害化的特点，成为我国广泛应用的一种城市生活垃圾无害化处理技术。根据《中国城市建设统计年鉴2020》，全国城市生活垃圾无害化处理能力为963 460 t/d，其中焚烧处理能力为567 804 t/d，城市生活垃圾焚烧处理能力占比达到58.9%，该占比相对于2019 年有进一步扩大，焚烧处理已发展成为我国最重要的城市生活垃圾处理技术［1］。

高温腐蚀是制约垃圾焚烧发电项目长周期稳定运行的关键因素之一［2］。随着垃圾分类推广实施，垃圾热值不断提升，以及为追求更高的发电效率，垃圾焚烧发电项目余热锅炉主蒸汽参数不断提高，高温腐蚀问题将越来越突出［3］。黄声和［4］以12Cr1MoVG 材料为例，分别研究了不同氧气分压力和不同烟气温度下，Fe2O3和Fe3O4氧化层增长速率；张炜等［5］研究了12Cr1MoVG 材料在不同碱金属混合熔盐中的热腐蚀行为。前人更多集中在高温腐蚀机理的研究，较少结合垃圾焚烧发电项目实际运行情况对过热器腐蚀爆管问题进行分析。

本研究以某垃圾焚烧发电项目余热锅炉为研究对象，综合实际运行爆管情况与理论计算结果，分析垃圾焚烧发电项目过热器腐蚀爆管原因，并针对性提出改造优化方案，为垃圾焚烧余热锅炉设计和运行提供有益借鉴。

2 余热锅炉过热器爆管位置及管壁测厚

2.1 原始设计方案及过热器爆管位置

本垃圾焚烧发电项目设计垃圾处理规模为2 250 t/d，原始设计入炉垃圾热值7 116 kJ/kg，配置3 台750 t/d 焚烧炉和3 台中温中压余热锅炉。余热锅炉为单锅筒、自然循环锅炉，采用悬吊结构，卧式布置，由3 个垂直膜式水冷壁烟道和1个水平烟道组成。余热锅炉基本技术参数见表1。

表1 余热锅炉基本技术参数Table 1 Basic technical parameters of the waste heat boiler

本项目原始设计方案中，水平烟道内依次布置前置蒸发器、高温过热器、中温过热器、两级低温过热器、后置蒸发器和三级省煤器。高温过热器出口4 排采用TP347H 材质，中间其余部分采用12Cr1MoVG 材质，顺流布置；中温过热器采用12Cr1MoVG 材质，逆流布置。

本项目中温过热器沿烟气流向共计布置16排，每排52 列管束。3 台炉曾多次在中温过热器位置发生腐蚀爆管。爆管前，锅炉蒸发量达到设计额定负荷，由于垃圾热值超出设计热值，过热器前入口烟温超过650 ℃，两级喷水减温量超过6.5 t/h。

根据项目检修记录，多次爆管位置分布在中温过热器第一排第22 列至第33 列，多集中在排管上半部分距离顶棚约1.5～1.8 m 的位置，余热锅炉结构如图1 所示，爆管位置如图2 所示。

图1 余热锅炉结构示意Figure 1 Structure schematic of the waste heat boiler

图2 爆管位置示意Figure 2 Schematic of the burst tube position

图3 为现场过热器爆管及腐蚀现场照片，可以看出，爆管区域管壁减薄严重，开口较大，断口呈腐蚀状，管内壁光洁，未见明显结垢现象，为典型高温腐蚀减薄爆管。

图3 腐蚀爆管照片Figure 3 Tube burst caused by corrosion

2.2 过热器管壁测厚

本项目余热锅炉原始设计方案中高温过热器沿烟气流向共计布置12 排，每排38 列管束，中温过热器沿烟气流向共计布置16 排，每排52 列管束。高温过热器和中温过热器原始管壁厚度均为5 mm。图4 和图5 分别为某台余热锅炉运行约6 个月高温过热器最后一排管壁和中温过热器第一排管壁距离顶棚高度1.75 m 位置的减薄（腐蚀）厚度，每根管子分别测试前、后、左、右4 组数据，数据为爆管前6 个月以及爆管时两次的测厚数据的平均值之差。

图4 高温过热器最后一排管壁6 个月减薄（腐蚀）厚度Figure 4 Reduced(corrosion)thickness of tube walls in the last row of high temperature superheater during six months

图5 中温过热器第一排管壁6 个月减薄（腐蚀）厚度Figure 5 Reduced(corrosion) thickness of tube walls in the first row of medium temperature superheater during six months

根据图4 和图5 高温过热器和中温过热器减薄（腐蚀）厚度对比分析，本项目6 个月高温过热器管壁减薄平均厚度为0.14 mm，最大减薄厚度为0.28 mm，而中温过热器管壁减薄平均厚度为0.67 mm，最大减薄厚度为1.10 mm。高温过热器管壁腐蚀速度明显低于中温过热器，这与本项目爆管情况统计十分吻合。根据爆管情况统计，本项目高温过热器未曾发生爆管事故，而中温过热器前两排多次发生爆管事故。

3 余热锅炉过热器腐蚀原因分析及改造优化

3.1 过热器壁温计算分析及改造对策

通过分析本项目改造前一年的运行报表数据可知，本项目平均入炉垃圾热值已经达到7 953 kJ/kg，实际平均入炉垃圾热值超过设计入炉垃圾热值的11.8%。

图6 所示为本项目改造前和改造后高温过热器、中温过热器区域烟温、蒸汽温度及壁温计算结果。改造前计算边界条件为本项目余热锅炉原始设计方案以及实际平均入炉热值（7 953 kJ/kg）。从图6（a）可以看出，烟气侧，高温过热器前入口平均烟温为666 ℃，中温过热器前入口平均烟温为590 ℃，中温过热器出口平均烟温为489 ℃；工质侧，中温过热器入口蒸汽温度为307 ℃，中温过热器出口蒸汽温度为410 ℃，经喷水减温，高温过热器入口蒸汽温度为374 ℃，高温过热器出口蒸汽温度为450 ℃。

图6 过热器区域烟温、蒸汽温度及管壁温度计算结果Figure 6 Temperatures calculation results of flue gas,steam and tube in the superheater area

爆管位置多位于中温过热器第一排烟道中间位置，这是由于烟道两侧烟气流速低、烟温低，中间流速高、烟温高［6］，两侧管壁温度热偏差见图7。本研究以苏联《锅炉机组热力计算——标准方法》（1973 年版）为基础，在考虑过热器管件吸热不均匀系数、结构不均匀系数、水力偏差系数等影响的情况下，经壁温计算（所述壁温均指管外壁温度，此壁温=管内蒸汽温度+管内壁温升+管壁金属热阻引起温升），高温过热器第一排壁温为428 ℃，最后一排壁温为493 ℃（管材质为TP347H），其中倒数第五排管壁温度为466 ℃（管材质为12Cr1MoVG）；中温过热器第一排壁温为472 ℃（管材质为12Cr1MoVG），最后一排壁温为341 ℃。根据彭耀鑫等［7］、张政等［8］的研究结果表明，当过热器壁温小于450 ℃时，腐蚀比较轻微；当过热器管壁温大于480 ℃时，腐蚀速度急剧加快。根据壁温计算分析，过热器壁温超温是本项目高温腐蚀爆管的主要原因之一。

图7 两侧管壁热偏差状态示意Figure 7 State schematic of the thermal deviation of the tube wall on both sides

为应对垃圾热值升高，严格控制过热器管壁温度，降低过热器高温腐蚀风险。本项目锅炉改造优化方案在第三烟道增设26 片W 型水冷屏，总面积达450 m2。通过热力计算，可实现过热器前入口烟温降低约73 ℃，高温过热器入口烟温可降至593 ℃。同时，为进一步降低中温过热器管壁温度，将中温过热器优化为顺流布置。改造后高温过热器和中温过热器区域烟温、蒸汽温度及壁温计算结果如图6（b）所示。

改造前和改造后的热力计算结果如表2 所示。

表2 改造前和改造后的热力计算结果Table 2 Thermal calculation results before and after alteration

从图6 和表2 可以看出，经改造优化后，烟气侧，高温过热器前入口平均烟温为593 ℃，中温过热器前入口平均烟温为543 ℃，中温过热器出口平均烟温为355 ℃；工质侧，中温过热器入口蒸汽温度为345 ℃，中温过热器出口蒸汽温度为410 ℃，经喷水减温，高温过热器入口蒸汽温度为404 ℃，高温过热器出口蒸汽温度为450 ℃。经壁温计算，高温过热器第一排壁温为437 ℃，最后一排壁温为479 ℃（管材质为TP347H），其中倒数第五排管壁温度为462 ℃（管材质为12Cr1MoVG）；中温过热器第一排壁温为384 ℃（管材质为12Cr1MoVG），最后一排壁温为441 ℃。从壁温计算可以看出，经改造后，材质12Cr1MoVG 承受的最高壁温为462 ℃，相对于改造前下降约10 ℃，材质TP347H 承受的最高壁温为479 ℃，相对于改造前下降约14 ℃，壁温下降效果显著。

通过壁温计算结果对比分析，高温过热器最后一排壁温（493 ℃，TP347H 材质）高于中温过热器第一排壁温（472 ℃，12Cr1MoVG 材质），且高于高温过热器倒数第五排管壁温度（466 ℃，12Cr1MoVG 材质）。同时，结合项目爆管情况统计以及过热器区域管壁测厚情况分析判断：①TP347H 材质的高温耐腐蚀性能明显优于12Cr1MoVG 材质；②12Cr1MoVG 材质在壁温高于472 ℃时，耐腐蚀性能明显下降，腐蚀速度急剧加快；③TP347H 材质在壁温约为493 ℃及以下温度区域仍能具有良好的耐腐蚀性能。

3.2 速度场模拟分析及改造对策

本研究以本项目余热锅炉原始设计方案为原型进行CFD 数值模拟研究，数值模拟边界条件为入炉垃圾热值7 953 kJ/kg，处理规模750 t/d，余热锅炉结构尺寸为：炉排长度为14.8 m，炉排宽度为8.8 m，炉排倾角15°，前拱倾角25°，前拱水冷壁下集箱标高18.530 m，后拱倾角38°，后拱水冷壁下集箱标高12.450 m，炉顶集箱标高36.015 m。数值模拟采用ICEM 来建立模型并对其进行网格划分，本项目垃圾焚烧炉及余热锅炉网格示意如图8所示。

图8 焚烧炉及余热锅炉网格示意Figure 8 Grid schematic of the incinerator and waste heat boiler

本项目改造前和改造后余热锅炉炉膛中心线处截面的速度云图见图9。从图9（a）可以看出，垃圾焚烧产生的高温烟气经3 个垂直水冷壁烟道后进入水平烟道，高温烟气冲刷受热面上部区域趋势明显。这是因为一方面烟气经3 个垂直水冷壁烟道后，在惯性作用下，上半部分流速高于下半部分流速；另一方面，烟气温度越高烟气密度越低，高温烟气呈现向上集中的趋势。高温烟气快速冲刷受热面的位置与本项目过热器爆管位置均为受热面上部分区域，依据速度场模拟情况判断，烟道内流场冲刷不均匀导致局部冲刷加剧是引起本项目过热器腐蚀爆管的另一主要原因。

为改善水平烟道内流场冲刷不均匀现象，改造优化方案中，在第一、二烟道隔墙和第二、三烟道隔墙末端设计折焰角结构。图9（b）为设置折焰角结构后余热锅炉炉膛中心线处截面的速度云图。对比图9（a）和图9（b）可知，增设折焰角后二烟道和三烟道内流场得到明显改善，烟气分布更加均匀，有助于减小三烟道后墙附近的烟气上冲速度，从而改善水平烟道上下偏流现象，减弱高温烟气对水平通道前部区域（前置蒸发器、高温过热器和中温过热器）上半部分受热面的冲刷。

图9 余热锅炉炉膛中心截面速度分布云图Figure 9 Velocity distribution contour of the furnace center section of the waste heat boiler

3.3 其他腐蚀影响因素分析

垃圾焚烧余热锅炉高温腐蚀包括气相腐蚀和熔盐腐蚀。一方面，生活垃圾成分复杂，燃烧的烟气中含有大量的氯化物，根据张云鹏等［9］的研究，氯化物、Cl2与Fe、Fe2O3发生一系列化学反应生成FeCl3，而FeCl3熔点为303 ℃，易挥发。随着燃烧不断生成HCl、Cl2，气相腐蚀反应将一直持续进行，而且反应速率随着反应温度的升高而加快；另一方面，垃圾焚烧产生的烟气中含有大量的飞灰，飞灰沉积物附着、堵塞受热面，不仅影响传热性能，而且管壁外黏结的碱金属硫酸盐与管壁氧化层反应生成复合硫酸盐，复合硫酸盐呈熔化或半熔化状态时，对过热器管壁具有强烈的腐蚀作用。

根据腐蚀机理分析，燃烧烟气成分中氯化物浓度、受热面积灰程度、积灰中碱金属硫酸盐的浓度和过热器区域的烟气温度均是影响过热器高温腐蚀的重要因素。此部分并非本次研究重点，不做过多的介绍。

3.4 改造效果

对比改造前和改造后运行报表统计数据，额定负荷运行下，高温过热器前入口烟温实际降低约70～80 ℃，与理论计算结果一致。改造后运行6个月，对中温过热器第一排管壁测厚发现，管壁整体减薄速度相对于改造前明显降低，达到改造预期效果。改造前、后中温过热器第一排管壁距离顶棚高度1.75 m 位置的减薄（腐蚀）厚度对比如图10 所示。

图10 改造前、后中温过热器第一排管壁6 个月减薄（腐蚀）厚度对比Figure 10 Comparison of the thickness （corrosion）reduction before and after renovation of the tube walls in the first row of the medium temperature superheater during six months

4 结论

1）过热器区域管壁超温和烟道内流场冲刷不均匀，是过热器高温腐蚀的重要影响因素。为降低高温腐蚀，应通过增加蒸发受热面面积、高温及中温过热器采用顺流布置等手段严格控制高温过热器和中温过热器管壁温度。同时，应在烟道内设计折焰角结构改善流场，降低局部冲刷不均匀性的影响。

2）TP347H 材质的高温耐腐蚀性能明显优于12Cr1MoVG 材质。12Cr1MoVG 材质在壁温高于472 ℃时，耐腐蚀性能明显下降；TP347H 材质在壁温约为493 ℃及以下温度区域仍能具有良好的耐腐蚀性能。

3）对于垃圾焚烧余热锅炉过热器区域，当壁温高于465 ℃建议管壁采用耐腐蚀性能不低于TP347H 的不锈钢材质或其他防腐工艺，例如堆焊等。

4）垃圾焚烧发电项目余热锅炉设计时，应通过合理布置蒸发受热面，严格控制过热器入口烟温在600 ℃以下；应合理配置高、中、低三级过热器面积，严格控制过热器的壁温，并根据壁温计算情况，合理选择各级过热器材质。其中，对于主蒸汽温度450 ℃及以上的垃圾焚烧余热锅炉，为控制高温过热器和中温过热器管壁温度，建议高温过热器和中温过热器均采用顺流布置。