醫療廢物焚燒裝置煙氣換熱器腐蝕分析

(中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

醫療廢物焚燒裝置煙氣換熱器腐蝕分析

楊麗莉 李曉海 鄭博文

(中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

某醫療廢物焚燒裝置長期運行過程中，換熱器出現腐蝕現象，通過換熱管取樣樣品的宏觀與微觀觀察分析，得出：換熱管的主要腐蝕形式為應力腐蝕、縫隙腐蝕和磨損腐蝕及高溫熔鹽腐蝕。針對設備的上述腐蝕形態，給出了防腐蝕建議，并根據防腐蝕建議，采取了相應的設備改進措施。

醫療廢物 換熱器 腐蝕

0 前言

醫療廢物是醫院、診所、衛生防疫、保健、檢驗等與其他醫療衛生單位及有關單位產生的廢棄物的總稱。由于醫療廢物中含有大量的傳染性病原微生物、病菌、病毒、具有空間傳染、急性傳染和潛伏性傳染等特征，其病毒菌的危害是普通城市生活垃圾的幾十倍甚至數百倍，對人類的身體健康和社會公共衛生安全造成嚴重威脅，因此，醫療廢物的無害化處理顯得十分重要。

焚燒作為一種有效地醫療廢物處理方法，受到人們的廣泛關注。由于醫療廢物成分復雜且含有塑料、橡膠等物質，其燃燒后會產生大量有害氣體。如HCl、SOX、NOX等。為了控制排入大氣中的氣態污染物濃度在(GB18484-2001)《危險廢物焚燒污染控制標準》規定的范圍內，須對煙氣中的有害物質進行凈化。其中，換熱器作為煙氣凈化系統的一個重要設備，其作用是將煙氣進行冷卻。由于該過程處于高溫、酸性介質環境，設備須承受不同的物理、化學、機械等熱負荷。設備與管道的腐蝕一方面存在放射性物質泄漏安全與環境污染問題，另一方面會造成嚴重的經濟損失。因此，換熱器的防腐蝕是一個不容忽視的問題。

1 換熱器的工作介質與條件

某廠焚燒裝置采用熱解焚燒工藝處理醫療廢物，處理能力為5t/a，長期運行過程中，換熱器出現腐蝕、泄漏現象。該換熱器選用水冷與空冷相結合的不銹鋼管殼式換熱器，材質為1Cr18Ni9Ti，上段為水冷，下段為空冷，兩段通過法蘭進行對接。煙氣走管程，冷卻水和空氣走殼程。煙氣的主要成分有HCl、SOX、NOX、灰塵等。進口溫度約800℃，出口溫度約400℃，設備運行一年后，腐蝕嚴重，出現泄漏現象。圖1為換熱器的簡單示意圖。

圖1 換熱器示意圖

圖2 樣品SEM形貌圖

圖3 樣品金相分析圖

2 換熱管的宏觀與微觀分析

2.1 宏觀檢查

管板表面和換熱管內表面呈鐵銹紅色，腐蝕最嚴重的地方為水冷和空冷對接處，即水冷換熱管的底端和空冷換熱管的頂端。水冷管的頂端并未發現明顯腐蝕。空冷管頂端較為嚴重，出現晶粒突出，流線型裂紋及縱向槽、溝。且距管口3～4mm的角焊縫處，腐蝕嚴重的換熱管管端已斷裂，少數換熱管內壁存在裂紋。此外，換熱管中間段內壁有附著物沉積。

2.2 微觀分析

腐蝕較嚴重的換熱管內表面，從表觀上可以看到不同形式的裂紋。從管上取腐蝕最嚴重的部位制樣，進行SEM掃描。圖2為樣品的SEM形貌。由圖可知：腐蝕產物疏松多孔，已不存在致密的鈍化保護層，因此，氧容易進入表層產生腐蝕。

取腐蝕較為嚴重的列管截面，制成金相試樣在電子顯微鏡下觀察，由圖3可知：該腐蝕形式為應力腐蝕，腐蝕類型為穿晶型。

3 原因分析

通過宏觀、微觀觀察，可判斷，換熱管腐蝕情況主要有如下幾種形式：縫隙腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕和高溫熔融腐蝕。

3.1 應力腐蝕

換熱器在運行過程中，應力、溫度較高，其應力主要源于拉應力和熱應力，拉應力來自焊接、冷加工等產生的殘余應力。熱應力則來自于管子與殼體間的溫差，管板、殼體的軸向、徑向溫差及由于流場分布不均或由于結垢引起的局部溫差變化。該設備中管殼程壓力差只有0.05MPa，故工作壓力很小，且換熱器焊后也經過了整體熱處理，所以，加工應力也不大。但由于管程溫度很高且溫差很大，因而，熱應力是主要來源[1]。

應力腐蝕開裂與環境相關，開裂是應力與環境共同作用的結果。而且往往是由特定離子引起的。對奧氏體不銹鋼來講，若介質中存在氯離子，很容易發生腐蝕開裂。由于煙氣中含有HCl、SO2等酸性氣體，系統運行過程中，每次開停車都不可避免產生一些酸性氣體的冷凝液，并流入管端周圍的環隙處，滯留不動并得以濃縮，再加上介質溫度很高，故具備了應力腐蝕開裂的環境條件。這也是兩管段間嚴重腐蝕而頂端水冷管不發生腐蝕的原因。

3.2 縫隙腐蝕

由于該換熱器水冷段和空冷段以法蘭形式對接，因此，上段的水冷管和下段的空冷管的法蘭對接處存在間隙，長期運行過程中，煙氣中夾雜的顆粒物會沉積于間隙處并在金屬表面形成狹小縫隙，當系統停車時，煙氣中的酸性氣體(HCl, SO2等)會結露并滯留在管段間縫隙處，由于縫內溶液處于滯留狀態，溶解氧耗盡后得不到補充，而縫外溶解氧可得到補充，從而使縫內外形成濃差電池，縫內金屬離子大量溶解，縫外氯離子不斷遷入以保持中性，隨著縫內金屬氯化物的水解，pH值下降，進一步促進兩段對接處金屬的溶解、腐蝕。此外，管子與管板間的焊縫處也易發生縫隙腐蝕。

3.3 磨損腐蝕

管程采用水冷管和空冷管相對接的方式，對接處存在一定間隙，在煙氣的高速沖擊下，兩段相接處會產生湍流，湍流使介質與金屬的表面接觸更加頻繁，并在金屬表面附加一個切應力，從而造成磨損腐蝕。由于煙氣中含有煙塵，會增強切應力的力矩，使腐蝕加劇。

3.4 高溫熔融鹽腐蝕

煙氣中的HCl在露點以下對不銹鋼腐蝕嚴重，超過露點，腐蝕反而下降，直到260℃以上，HCl氣體與鋼鐵的高溫反應又激烈增加，不銹鋼在260℃以下鹽酸露點以上的溫度區間耐干氯化氫腐蝕。在400～600℃范圍內，氯化氫與金屬反應最為活躍。該裝置中，換熱器內煙氣中的氯容易與Fe生成的FeCl3和FeCl2等低熔點化合物，并以液相存在于附面溶池中，與管壁進行高溫熔融鹽腐蝕[2]。此外，煙氣中含有一些類似ZnCl2、PbCl2等易揮發的低熔點化合物，在設備運行過程中，會以液態形式粘附在換熱管內表面上，從而造成高溫熔融腐蝕并堵塞換熱管。

4 建議

(1) 由于醫療廢物焚燒裝置換熱器的介質環境為高溫煙氣，設備遭受的腐蝕形態主要有高溫腐蝕及酸性氣體冷凝誘發的應力腐蝕，縫隙腐蝕等。因此，設備選材時既要考慮到材料的抗高溫腐蝕性，又要考慮材料的抗應力腐蝕、孔蝕性、耐磨性及機械性等。

(2) 焊接時，盡量選用塑性好、純度高、抗裂紋性能好的焊絲及焊接材料。換熱管與管板間采用焊接法，焊接處的殘余應力和熱應力集中，可能引起應力腐蝕和腐蝕疲勞，從而使設備發生泄漏，一方面，焊接時需打磨管端，清理焊接區域的污物，另一方面，從焊縫質量要求出發，內孔焊結構[3]是一種較好的選擇，該技術解決了管子與管板接頭處應力腐蝕和縫隙腐蝕的問題。

(3) 結構設計上應盡量避免死角、縫隙，以消除氯離子的滯留、局部濃縮。

(4) 采用犧牲陽極保護法[4]，管板采用碳鋼襯不銹鋼板。在氯離子存在的介質環境中，碳鋼為陽極，不銹鋼為陰極，利用碳鋼對不銹鋼起到了陰極保護作用。從而減緩換熱管與管板連接處的腐蝕。

(5) 向爐內添加防腐劑，選擇一些能與灰中成分形成高熔點化合物的添加劑，使其不生成低熔點復合氯化鹽、硫酸鹽，減輕換熱管內壁的熔融鹽腐蝕。通常選用CaO, MgO等化合物，一方面可中和酸性氣體，減輕酸性氣體對設備的腐蝕，另一方面可減輕設備材料的熔鹽腐蝕。

5 改進措施及效果

綜合考慮上述建議，該焚燒設施對設備進行了整改，在水冷段和空冷段間增加了不銹鋼空腔，避免了冷凝液的滯留，減輕設備腐蝕。此外，在換熱器頂部裝一吹掃系統，設備停車后，對換熱器進行吹掃，可避免煙氣的冷凝和溶液的滯留。設備改進后，運行正常，未發現腐蝕泄漏現象。

6 結語

換熱器是焚燒爐腐蝕最為嚴重的設備之一，設計時，應從材料、結構、焊接、工藝等各方面進行綜合考慮，同時，設備運行過程中，應盡量減少設備停車次數，從而減少因煙氣冷凝對設備造成的腐蝕。

[1] 王軍. 中溫換熱器失效分析[J]. 河南化工. 2002.7: 44.

[2] 左軍, 陳恩鑒等. 垃圾焚燒爐過熱器的高溫腐蝕與研究概況[J].鍋爐技術, 2002, 33(3): 26.

[3] 張作為. 犧牲陽極法在換熱器防腐中的應用[J]. 化工裝備技術. 2000, 21(4): 53.

[4] 宋曉磊. 管殼式換熱器管-管板的連接及失效形式[J]. 科技情報開發與經濟. 2007, 17(24): 286.

The Corrosion Analysis of Heat Exchanger for Medical Waste Incinerator

YANG Li-li, LI Xiao-hai, ZHENG Bo-wen
(China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China )

By means of macro-inspection ,metallographic analysis，scanning electron microscope, the corrosion reasons of the incinerator’s heat exchanger are analyzed, it was shown that the major reasons are stress corrosion，crevice corrosion, wear corrosion, high temperature molten salt corrosion. Aiming at these corrosion behavior, give some advices of corrosion protection, and improve the equipment.

medical waste; heat exchanger; corrosion

TG174

A

楊麗莉 (1982－) ，女，山西朔州人，學士，助理研究員，主要研究方向為固體廢物焚燒技術。