垃圾焚燒電廠的飛灰腐蝕及防護(hù)涂層應(yīng)用

摘要

垃圾焚燒飛灰因含有可溶性鹽通常會(huì)對煙氣凈化設(shè)備帶來嚴(yán)重的腐蝕問題。本文選取某垃圾焚燒電廠的布袋灰和反應(yīng)塔灰進(jìn)行研究，分析了兩種飛灰的物相組成、微觀形貌和潮解特性，測試了飛灰腐蝕防護(hù)專用涂料涂裝后的Q235B鋼板和裸板在不同飛灰溶液下的Tafel曲線，通過在某垃圾焚燒電廠飛灰螯合間打包機(jī)料斗上試用專用防護(hù)涂料評估實(shí)際防腐效果。研究表明：兩種飛灰均由KCl、NaCl、SiO₂、CaSO₄、CaO等晶相組成，顆粒易吸濕形成疏松多孔的團(tuán)聚體，吸水率隨溫濕度的升高而升高；布袋灰Cl含量、吸水率和腐蝕速率顯著高于反應(yīng)塔灰；飛灰腐蝕防護(hù)專用涂料提高了Q235B鋼板的腐蝕電位，顯著降低了腐蝕電流，對飛灰腐蝕具有良好的防護(hù)效果。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒電廠；飛灰；腐蝕；防護(hù)涂層

0前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)增長和城市化進(jìn)程加快，生活垃圾數(shù)量逐年增多，垃圾焚燒發(fā)電作為垃圾減量化、無害化、資源化處理的首選技術(shù)，近年來發(fā)展十分迅速。垃圾焚燒利用熱能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生廢氣、飛灰、爐渣以及滲瀝液等不同形態(tài)的廢棄物，其中飛灰含有二噁英、呋喃及Hg、Pb、Cd、Cu、Cr及Zn等重金屬有害物質(zhì)^{[1, 2]}，依據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）規(guī)定：“生活垃圾焚燒飛灰應(yīng)按危險(xiǎn)廢物進(jìn)行管理”^[3]。垃圾焚燒飛灰一般為灰白色或深灰色細(xì)小顆粒，具有密度低、比表面積大、孔隙率高、含鹽量高、弱酸性、吸水性強(qiáng)等特性^{[4, 5]}，其粘附在金屬設(shè)備表面（如飛灰間設(shè)備、布袋除塵器和尾部煙道等）極易引發(fā)電化學(xué)腐蝕，腐蝕后不但影響設(shè)備壽命和外觀，還會(huì)增高系統(tǒng)氧含量，導(dǎo)致排放指標(biāo)波動(dòng)，引風(fēng)機(jī)電耗增加，二噁英記憶效應(yīng)增強(qiáng)^[6]，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備被迫停爐檢修，影響電廠運(yùn)營效能。因此，預(yù)防垃圾焚燒電廠飛灰腐蝕對延長煙道和設(shè)備的使用壽命，提高垃圾焚燒電廠的運(yùn)行效率具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

飛灰取自某垃圾焚燒發(fā)電廠的布袋除塵器和反應(yīng)塔，分別命名為布袋灰和反應(yīng)塔灰，編號分別為BD和FYT；防護(hù)涂料為江蘇科輝環(huán)境科技有限公司提供的雙組分飛灰腐蝕防護(hù)專用涂料。

1.2 試驗(yàn)方法

將飛灰放入真空干燥箱中110℃干燥直至兩次稱量的質(zhì)量基本不變視為干燥完成，計(jì)算含水率。通過X射線衍射儀（XRD）分析晶相組成，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀形貌，通過X-射線能量色譜儀（EDS）測試微區(qū)元素組成。采用CHI660E型電化學(xué)工作站測試Q235裸板和涂裝雙組分耐飛灰腐蝕專用防護(hù)涂料樣板的防腐性能。Tafel測試電位掃描速率為0.001V/s，電解液為1wt.%、2.5wt.%、5wt.%的布袋灰和反應(yīng)塔灰溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰理化性能分析

圖1是布袋飛灰和反應(yīng)塔飛灰的XRD圖。由圖1可知，布袋和反應(yīng)塔飛灰的主要物相組成相近，主要為NaCl、KCl、CaSO4、SiO2、CaO。經(jīng)測布袋灰的含水率為10.07%，反應(yīng)塔灰的含水率為8.98%，布袋灰的含水率高意味著其比反應(yīng)塔灰更易導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。圖2是布袋灰和反應(yīng)塔灰的SEM和EDS圖。如圖所示，飛灰顆粒極易團(tuán)聚，形成表面粗糙且具有孔隙結(jié)構(gòu)的疏松團(tuán)聚體，這吻合其吸濕性強(qiáng)，含水率大的結(jié)果。兩種飛灰的主要元素為C、K、Na、Cl、O、Ca、S、Si、Mg等。值得關(guān)注的是，布袋灰中Cl的重量百分比高達(dá)32.35%，而反應(yīng)塔灰中Cl含量僅為14.95%，高Cl含量意味著布袋灰的腐蝕性比反應(yīng)塔灰更強(qiáng)^[7,8]。反應(yīng)塔灰中Ca含量比布袋灰高，這可能與噴入脫酸劑Ca(OH)₂有關(guān)。

圖1布袋飛灰和反應(yīng)塔灰的XRD圖

圖2 布袋灰(a)和反應(yīng)塔灰(b)的SEM和EDS圖

2.2 飛灰的潮解與腐蝕

圖3和圖4給出了溫度、濕度對飛灰吸水率的影響。如圖3，當(dāng)濕度為50%時(shí)，隨著溫度的升高，飛灰的吸水率總體呈增加趨勢，其中，反應(yīng)塔灰的吸水率受溫度的影響更加明顯。如圖4，當(dāng)溫度為20.5℃時(shí)，飛灰的吸水率隨著環(huán)境濕度的升高而升高；當(dāng)濕度高于40%，其吸水率趨于飽和，濕度的增加對其影響減弱。比較而言，環(huán)境濕度對飛灰吸水率和潮解特性的影響更顯著。

圖3 濕度為50%飛灰吸水率隨溫度的變化

圖4 溫度為20.5℃飛灰吸水率隨濕度的變化

2.3 電化學(xué)表征

圖5是裸板和涂層樣板在不同濃度飛灰溶液中的Tafel曲線，其分析結(jié)果見表1。對裸板而言，當(dāng)飛灰濃度為1 wt.%時(shí)腐蝕電流較大，說明腐蝕速率較快；當(dāng)飛灰濃度增加至2.5wt.%時(shí)，腐蝕電位向正向移動(dòng)且腐蝕電流略有上升，這與鋼板表面生成鈍化膜有關(guān)。當(dāng)飛灰濃度增至5wt.%時(shí)，腐蝕電位下降，腐蝕電流顯著提高，說明鈍化膜活化，腐蝕速率增加?？傮w而言，裸板在布袋灰中的腐蝕電流高于反應(yīng)塔灰中的腐蝕電流，即布袋灰更易引發(fā)腐蝕且腐蝕速率更快。

對涂有專用防護(hù)涂料的涂層樣板而言，隨著飛灰溶液濃度的增加，涂層樣板的腐蝕電流緩慢增加。通過比較涂層樣板和裸板的腐蝕電位和腐蝕電流發(fā)現(xiàn)，所有涂層樣板的腐蝕電位均高于裸板，腐蝕電流均比裸板小一個(gè)數(shù)量級，這說明涂裝飛灰腐蝕防護(hù)專用涂料顯著提高了Q235鋼板在飛灰溶液中的防腐性能。

圖5 裸板(a)和涂裝防護(hù)涂層的樣板(b)在不同飛灰溶液中的Tafel曲線

表1 Tafel測試結(jié)果

2.4 防護(hù)涂料的工程應(yīng)用案例

垃圾焚燒電廠飛灰間通常是飛灰腐蝕的“重災(zāi)區(qū)”，為了保持飛灰間設(shè)備和鋼構(gòu)的美觀，一般每隔3個(gè)月就需要進(jìn)行重新涂裝。本文采用江蘇科輝環(huán)境科技有限公司的雙組分飛灰腐蝕防護(hù)專用防護(hù)涂料對某垃圾焚燒電廠飛灰螯合間的打包機(jī)料斗進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6。2021年10月完成對灰斗的涂裝，2022年9月和2023年8月分別進(jìn)行回訪，發(fā)現(xiàn)料斗外部涂料總體保持完好，說明該涂料對抑制飛灰的腐蝕具有良好效果。

圖6 雙組分耐飛灰腐蝕防護(hù)專用涂料在飛灰間打包機(jī)料斗上的使用效果

3 結(jié)論

本文選取某垃圾焚燒電廠的布袋灰和反應(yīng)塔灰進(jìn)行了研究，比較并分析了兩種飛灰的物相組成、微觀形貌、潮解特性以及對Q235B鋼的腐蝕作用以及飛灰腐蝕防護(hù)專用涂料的防腐效果。兩種飛灰均由KCl、NaCl、SiO₂、CaSO₄、CaO等晶相組成，顆粒易吸濕形成疏松多孔的團(tuán)聚體，吸水率隨溫濕度的升高而升高。布袋灰Cl含量、吸水率和腐蝕速率顯著高于反應(yīng)塔灰。涂裝雙組分飛灰腐蝕防護(hù)專用涂料提高了Q235B鋼的腐蝕電位，顯著降低了腐蝕電流，在Tafel測試和實(shí)際工程應(yīng)用中均表現(xiàn)出良好的防腐性能。

參考文獻(xiàn)

[1]侯霞麗. 生活垃圾焚燒飛灰特性對二噁英生成影響的研究 [D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2015.

[2]Lou Y, Jiang S, Du B, et al. Leaching morphology characteristics and environmental risk assessment of 13 hazardous trace elements from municipal solid waste incineration fly ash [J]. Fuel, 2023, 346: 128374.

[3]GB 18485-2014. 生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]繆建冬, 鄭浩, 陳萍, 等. 杭州地區(qū)生活垃圾焚燒飛灰基本特性分析 [J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2018, 39(05): 642-650.

[5]許鵬. 堿活化垃圾焚燒飛灰制備綠色磚材工藝及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2021.

[6]傅立珩, 杜海亮, 陸浩, 等. 記憶效應(yīng)對垃圾焚燒爐濕式洗滌塔中二噁英濃度的影響及調(diào)控方法[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2020, 28(06):71-75.

[7]Yao N, Zhou X, Liu Y, et al. Synergistic effect of red mud and fly ash on passivation and corrosion resistance of 304 stainless steel in alkaline concrete pore solutions [J]. Cement and Concrete Composites, 2022, 132: 104637.

[8]杜鋼, 李光茂, 朱晨, 等. 不同環(huán)境條件下可溶性沉積鹽對金屬大氣腐蝕的影響[J]. 環(huán)境技術(shù), 2021,39(05):94-100.

作者介紹

陳維旺²，羅小棟³，周建富³，陽洪良⁴，彭宏⁵，陸洪彬¹

（1，南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南通 226019；

2，江蘇科輝環(huán)境科技有限公司，江蘇 南通 226019；

3，光大環(huán)保能源（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215101；

4，光大環(huán)保能源（惠東）有限公司，廣東 惠東 516300；

5，重慶市涪陵區(qū)三峰環(huán)保發(fā)電有限公司，重慶 408115）