摘要

垃圾焚燒飛灰因含有可溶性鹽通常會對煙氣凈化設(shè)備帶來嚴重的腐蝕問題。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料斗上試用專用防護涂料評估實際防腐效果。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效果。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒電廠；飛灰；腐蝕；防護涂層

0前言

隨著我國經(jīng)濟增長和城市化進程加快，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，也會產(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準》（GB18485-2014）規(guī)定：“生活垃圾焚燒飛灰應(yīng)按危險廢物進行管理”^[3]。垃圾焚燒飛灰一般為灰白色或深灰色細小顆粒，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)電化學腐蝕，腐蝕后不但影響設(shè)備壽命和外觀，還會增高系統(tǒng)氧含量，導(dǎo)致排放指標波動，引風機電耗增加，二噁英記憶效應(yīng)增強^[6]，嚴重時造成設(shè)備被迫停爐檢修，影響電廠運營效能。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行效率具有重要意義。

1 試驗

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專用涂料。

1.2 試驗方法

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型電化學工作站測試Q235裸板和涂裝雙組分耐飛灰腐蝕專用防護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，飛灰顆粒極易團聚，形成表面粗糙且具有孔隙結(jié)構(gòu)的疏松團聚體，這吻合其吸濕性強，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^[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，當濕度為50%時，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，當溫度為20.5℃時，飛灰的吸水率隨著環(huán)境濕度的升高而升高；當濕度高于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，當飛灰濃度為1 wt.%時腐蝕電流較大，說明腐蝕速率較快；當飛灰濃度增加至2.5wt.%時，腐蝕電位向正向移動且腐蝕電流略有上升，這與鋼板表面生成鈍化膜有關(guān)。當飛灰濃度增至5wt.%時，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數(shù)量級，這說明涂裝飛灰腐蝕防護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個月就需要進行重新涂裝。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專用防護涂料對某垃圾焚燒電廠飛灰螯合間的打包機料斗進行試驗，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專用涂料在飛灰間打包機料斗上的使用效果

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測試和實際工程應(yīng)用中均表現(xiàn)出良好的防腐性能。

參考文獻

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[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準[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]. 浙江理工大學學報（自然科學版）, 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)境風險評估 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2021.

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[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，南通大學化學化工學院，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）