垃圾焚燒爐的管壁表面防護

1、垃圾焚燒爐的管壁表面防護目前， 針對垃圾焚燒爐換熱部件管壁的熱腐蝕問題， 研究或采用的表面防護技術(shù)主要包括陶瓷貼片、堆焊、激光熔覆以及熱噴涂等。( 1)陶瓷貼片高SiC或A12O3含量的陶瓷片，具有非常好的高溫性能，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是用于熱腐蝕防護的理想材料。 將其排布安裝于熱交換管壁的向火面， 可以有效抵御高溫燃氣的熱腐蝕和沖蝕磨損， 從而延長管材的使用壽命。 該技術(shù)已在一些垃圾焚燒爐中進行了測試或?qū)嶋H應(yīng)用， 并取得了一定的成效。 但是， 陶瓷材料固有的脆性本質(zhì)，以及腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性，使得陶瓷貼片在應(yīng)用中對材料組分設(shè)計、制備工藝、 產(chǎn)品形態(tài)及安裝方式等均有極為嚴(yán)格的要求， 其實際性能表現(xiàn)和使用

2、壽命也存在著較大的不可預(yù)測性， 一旦個別貼片開裂或剝落則會導(dǎo)致整體防護層的快速失效。此外，陶瓷材料熱導(dǎo)率較低，阻隔了熱能的有效傳導(dǎo)，也降低了能源轉(zhuǎn)化效率； 同時， 阻礙傳熱會導(dǎo)致爐內(nèi)氣體溫度的升高， 從而加劇氣體通路上其它構(gòu)件的熱腐蝕。因此，該技術(shù)并未得到大范圍的實際推廣應(yīng)用。( 2)堆焊采用堆焊技術(shù)在管壁表面制備耐熱腐蝕的熔敷層是較為有效的技術(shù)手段之一，從上世紀(jì)90 年代開始已被采納并沿用至今，在早期垃圾焚燒爐水冷壁和部分過熱器的應(yīng)用中均體現(xiàn)出了較好的防護效果。其中，應(yīng)用最為成熟的是堆焊Inconel625 合金 (Ni-21Cr-9Mo-3.5Nb) 、 C-276M(Ni-18Cr-14

3、Mo-4W)、HC-2000(Ni-23Cr-16Mo-1.6Cu) 等。相比于熱噴涂涂層和陶瓷貼片等技術(shù)，堆焊熔覆層可以與基材形成牢固的冶金結(jié)合， 組織較均勻， 厚度可達幾厘米， 在適當(dāng)使用條件下其性能穩(wěn)定性和持久防護效果具有明顯的優(yōu)勢。然而， 實際施工時對焊接設(shè)備和技術(shù)的要求較高， 需嚴(yán)格控制熱輸入以避免焊穿或管材變形等問題，其施工效率較低，也導(dǎo)致成本較高。同時，原位修復(fù)也是堆焊技術(shù)難以克服的問題， 在進行二次堆焊修復(fù)時容易引起原始熔覆層組織脆化， 產(chǎn)生裂紋并擴展至基材造成整體失效， 這也造成了材料的大量浪費和使用成本的進一步提高，因此堆焊復(fù)修并不被廣泛推薦使用。此外，研究表明 Incon

4、el625 合金熔覆層的性能表現(xiàn)與服役溫度密切相關(guān)，在 400以下時，其抗熱腐蝕性能較為優(yōu)異且穩(wěn)定； 而當(dāng)服役溫度達到 400-420 以上時，熔覆層則基本失去防護效果16; 若使用溫度超過540，熔覆層腐蝕速率甚至高達0.2 n m/h。這極大地BM制了堆焊Inconel625合金的應(yīng)用，尤其是面對環(huán)境溫度較高的過熱器更是難以滿足使用需求。 而隨著垃圾焚燒技術(shù)的不斷發(fā)展， 對提高能源轉(zhuǎn)化效率、 限制二次污染排放等需求也越來越高， 進一步提高燃燒溫度以及降低施工成本已成為主流趨勢， 因此， 開發(fā)更為適宜的高性能低成本堆焊材料是該技術(shù)所面臨的迫切需要解決的問題。（ 3）激光熔覆激光熔覆是近些年來

5、發(fā)展極為迅速的一項表面技術(shù)， 已在諸多實際工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 相比于堆焊技術(shù)， 激光熔覆技術(shù)對母材的熱影響較小， 能夠有效改善管材焊接變形的問題。 同時， 熔敷稀釋率較低， 可以在有限涂層厚度下實現(xiàn)所設(shè)計的合金成分， 在降低材料使用的同時也提高了熱交換效率。 而激光熔覆極高的冷卻速率往往能夠得到晶粒極為細小均勻的熔敷層組織， 有利于提高熔敷層的抗熱腐蝕性能。 此外， 激光熔覆的施工效率高， 能夠顯著改善工時和勞動強度。對激光熔覆CoCrW原的Stellite6L合金進行研究發(fā)現(xiàn)，熔敷層表層產(chǎn)生均勻的細晶組織， 組織細化在提高強度的同時也有效改善了高溫性能。 盡管激光熔覆技術(shù)在解決垃圾焚燒

6、爐管壁熱腐蝕方面體現(xiàn)出了較為獨特的優(yōu)勢， 但仍然有一些難題限制了其實際應(yīng)用， 如高昂的設(shè)備投入、 復(fù)雜的施工工藝、 現(xiàn)場施工困難等。因此，目前該技術(shù)在本領(lǐng)域仍然以研究為主，并未投入實際應(yīng)用。（ 4）熱噴涂熱噴涂技術(shù)是材料表面工程領(lǐng)域中一個十分活躍的學(xué)科分支， 在解決實際構(gòu)件的熱腐蝕問題方面具有其較為獨特的技術(shù)優(yōu)勢， 因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 尤其是熱噴涂涂層在燃煤電站鍋爐“四管”上的成功應(yīng)用， 為同樣以燃燒發(fā)電為目的的垃圾焚燒爐熱交換管壁的熱腐蝕防護提供了較好的借鑒思路。近些年，針對熱噴涂技術(shù)和材料在垃圾焚燒爐中的研究開發(fā)及應(yīng)用已成為本領(lǐng)域關(guān)注的熱點， 也被認(rèn)為是解決管壁熱腐蝕問題最為有效和適宜

7、的技術(shù)手段之一。其中超音速火焰噴涂、大氣等離子噴涂、爆炸噴涂和電弧噴涂是幾種較為有代表性的技術(shù)方案。超音速火焰噴超音速火焰噴涂(Highvelocityoxygenfuel , HVOF具有焰流溫度相對較低、粒子飛行速度快等特點， 在制備高致密度低氧含量的金屬合金和金屬陶瓷涂層方面有較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢。 而涂層致密性和涂層組織均勻性對涂層的抗熱腐蝕能力影響顯著， 正是由于超音速火焰噴涂在制備高質(zhì)量金屬涂層方面的優(yōu)勢， 使得其成為國外研究垃圾焚燒爐管壁防護的首選和主推技術(shù)。 在取得大量研究成果的同時， 也在實際工程中獲得了較大范圍的推廣應(yīng)用， 大幅提高和延長了垃圾焚燒爐中水冷壁和過熱器等熱交換部

8、件的服役穩(wěn)定性和維修更換周期， 尤其是在過熱器等高溫部件的表面防護方面表現(xiàn)較為優(yōu)異， 有效解決了傳統(tǒng)表面堆焊技術(shù)在高溫?zé)岣g防護中的不足。目前，研究開發(fā)和使用的噴涂材料同樣以 Ni 基合金為主，包括Ni80Cr20 、Ni50Cr50、 Ni-18Cr-5Fe-5Nb-6Mo 、 Ni-17Cr-4Fe-3.5B-4Si 、 Cr3C2-NiCr 等。其中，Cr是最主要的合金元素，服役時涂層表面生成的Cr2O3在該類腐蝕環(huán)境和溫度下具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性及保護性， 能夠有效阻礙腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)部的滲透，而生成的尖晶石結(jié)構(gòu)相 (NiCr2O4) 也對涂層耐蝕性起到了有益的促進作用。然而， 盡管超音

9、速火焰噴涂在涂層性能方面表現(xiàn)較為出眾， 但其工藝成本也極為昂貴，包括設(shè)備投入較大、耗損配件更換頻繁、氣體消耗量驚人、粉末質(zhì)量要求較高以及涂層沉積率較低等， 這在很大程度上限制了其在實際使用中的進一步推廣， 尤其是成本要求更為苛刻的國內(nèi)市場。 因此， 在難以改變超音速火焰噴涂工藝成本高昂的現(xiàn)狀下， 尋求適宜的替代技術(shù)也是垃圾焚燒爐管壁熱腐蝕防護的發(fā)展趨勢之一。大氣等離子噴涂大氣等離子噴涂(Atmosphericplasmaspray , APS)乍為熱噴涂最具代表性的技術(shù)之一， 具有束流溫度高、 涂層質(zhì)量好、 材料適應(yīng)性廣等優(yōu)勢， 可以制備金屬、合金、 陶瓷及其復(fù)合材料等多種多樣的涂層， 這就為

10、管壁熱腐蝕的防護提供了更為寬泛的設(shè)計思路， 包括引入化學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定的陶瓷相等。 針對這一方面國內(nèi)外也開展了大量的研究工作，包括等離子噴涂NiCr、 NiCrSiB 、 NiCrAlY、NiCr-Cr3C2 、 ZrO2/Alloy625 等，對涂層組織與熱腐蝕行為的研究表明，在適宜噴涂參數(shù)下可以得到高質(zhì)量的表面涂層，其性能表現(xiàn)與超音速火焰噴涂涂層相近，能夠?qū)贌隣t熱交換部件管壁起到有效而穩(wěn)定的防護作用。但是， 該技術(shù)在向?qū)嶋H推廣時也同樣面臨相當(dāng)大的阻力， 如設(shè)備昂貴、 耗能大、 工藝復(fù)雜度高等， 研究表明等離子噴涂過程中影響涂層質(zhì)量的因素可達上百個， 這也對設(shè)備穩(wěn)定性和操作人員的技術(shù)經(jīng)驗

11、等提出了極高的要求。 因此， 等離子噴涂技術(shù)在垃圾焚燒爐管壁熱腐蝕方面目前仍然以研究為主， 并未得到大范圍的實際應(yīng)用。爆炸噴涂爆炸口賈涂(Detonationgun , D-gun)是熱噴涂技術(shù)中極具特色的一種噴涂技術(shù)， 高速爆轟波的產(chǎn)生賦予粉末粒子極高的飛行速度， 可以形成非常致密的涂層組織，降低涂層缺陷，有利于涂層耐熱腐蝕性能的提高。同時，其間歇性的噴涂方式對基體熱影響很小， 可以保證管材的力學(xué)性能不受影響。 因此在相似條件下，采用爆炸噴涂制備的涂層往往可以獲得比超音速火焰噴涂層更為優(yōu)異的耐蝕性能， 從而能夠?qū)贌隣t熱交換部件管壁起到更好的防護作用。 目前針對這一方面也開展了部分研究工

12、作，包括爆炸噴涂NiCr、 NiCr-Cr3C2 、 Cr/Ni50Cr50等。不過該技術(shù)實用性較低， 尤其是在國內(nèi)，主要原因來源于Praxair 公司對高效爆炸噴涂技術(shù)的封鎖， 國內(nèi)在此方面投入的研究也較為有限， 導(dǎo)致國內(nèi)現(xiàn)有裝備的穩(wěn)定性和工作效率較低， 難以滿足大規(guī)模工程應(yīng)用需求和保證穩(wěn)定的涂層質(zhì)量。電弧噴涂電弧噴涂(Arcspray , AS)憑借其設(shè)備簡單、操作靈活、沉積效率高、成本低廉等特點， 成為最適宜進行現(xiàn)場大面積施工的噴涂方法之一。 目前， 在燃煤電站鍋爐“四管”的防護領(lǐng)域，電弧噴涂Fe基、Ni基抗熱腐蝕和抗沖蝕涂層已成為最主要的表面防護方法之一， 大量應(yīng)用于國內(nèi)外實際工程中。

13、 然而由于工藝特點所限， 與前述幾種噴涂方法相比， 電弧噴涂涂層往往孔隙率和氧化物含量相對較高， 同時受制于拔絲工藝其涂層合金成分調(diào)整空間也相對較小， 這就導(dǎo)致電弧噴涂技術(shù)在腐蝕更為嚴(yán)苛的垃圾焚燒爐中的應(yīng)用受到了較大的限制， 也是相關(guān)研究人員未引起足夠重視的主要原因。 近年來， 借助于粉芯絲材技術(shù)的快速發(fā)展為涂層的成分設(shè)計提供了更大的選擇性， 而在大量系統(tǒng)性研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)， 通過向絲材中添加適量“脫氧”元素， 可顯著降低噴涂態(tài)氧化物的生成， 并有效改善涂 層抗熱腐蝕的能力。如本課題組率先開發(fā)的NiCrB系粉芯絲材，就是在NiCr基材料的基礎(chǔ)上添 加了適量有利于脫氧的B元素，從而使噴涂態(tài)NiC

14、rB涂層的氧含量降低到2%認(rèn) 下，顯著低于商用NiCrTi(45CT)涂層的9%對比研究表明，盡管NiCrB涂層中 的Cr含量(25%30%X于NiCrTi涂層(Cr： 43%-45%),但氧化物的降低去顯著 提高了其在類似垃圾焚燒爐工況下的抗熱腐蝕性能，如圖1所示。止匕外，進一步的對比研究還發(fā)現(xiàn)，電弧噴涂NiCrB涂層的抗熱腐蝕性能甚至接近或優(yōu)于超音速 火焰噴涂制備的Ni80Cr20和NiCrSiB涂層，這使得電弧噴涂也逐漸成為在該領(lǐng) 域應(yīng)用的可行性技術(shù)。因此，隨著合金成分設(shè)計的不斷優(yōu)化以及新型噴涂絲材的不斷開發(fā)，有望進一步提高電弧噴涂涂層的抗熱腐蝕性能。同時，充分發(fā)揮電弧噴涂成本低廉和適于原位施工的特點，該技術(shù)必將成為垃圾焚燒爐熱交換管壁防護的重要方法之0垃圾焚燒爐熱交換部件管壁的熱腐蝕防護需要從涂層性能、工藝便利性和施 工成本等多方面綜合考慮。通過對現(xiàn)有幾種表面防護方法的