摘要

垃圾焚燒飛灰因含有可溶性鹽通常會對煙氣凈化設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。

關鍵詞：垃圾焚燒電廠；飛灰；腐蝕；防護涂層

0前言

隨著我國經濟增長和城市化進程加快，生活垃圾數量逐年增多，垃圾焚燒發電作為垃圾減量化、無害化、資源化處理的首選技術，近年來發展十分迅速。垃圾焚燒利用熱能轉化為電能的同時，也會產生廢氣、飛灰、爐渣以及滲瀝液等不同形態的廢棄物，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^{[1, 2]}，依據《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014）規定：“生活垃圾焚燒飛灰應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]}，其粘附在金屬設備表面（如飛灰間設備、布袋除塵器和尾部煙道等）極易引發電化學腐蝕，腐蝕后不但影響設備壽命和外觀，還會增高系統氧含量，導致排放指標波動，引風機電耗增加，二噁英記憶效應增強^[6]，嚴重時造成設備被迫停爐檢修，影響電廠運營效能。因此，預防垃圾焚燒電廠飛灰腐蝕對延長煙道和設備的使用壽命，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電廠的布袋除塵器和反應塔，分別命名為布袋灰和反應塔灰，編號分別為BD和FYT；防護涂料為江蘇科輝環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.%的布袋灰和反應塔灰溶液。

2 結果與討論

2.1 飛灰理化性能分析

圖1是布袋飛灰和反應塔飛灰的XRD圖。由圖1可知，布袋和反應塔飛灰的主要物相組成相近，主要為NaCl、KCl、CaSO4、SiO2、CaO。經測布袋灰的含水率為10.07%，反應塔灰的含水率為8.98%，布袋灰的含水率高意味著其比反應塔灰更易導致設備腐蝕。圖2是布袋灰和反應塔灰的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構的疏松團聚體，這吻合其吸濕性強，含水率大的結果。兩種飛灰的主要元素為C、K、Na、Cl、O、Ca、S、Si、Mg等。值得關注的是，布袋灰中Cl的重量百分比高達32.35%，而反應塔灰中Cl含量僅為14.95%，高Cl含量意味著布袋灰的腐蝕性比反應塔灰更強^[7,8]。反應塔灰中Ca含量比布袋灰高，這可能與噴入脫酸劑Ca(OH)₂有關。

圖1布袋飛灰和反應塔灰的XRD圖

圖2 布袋灰(a)和反應塔灰(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。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。總體而言，裸板在布袋灰中的腐蝕電流高于反應塔灰中的腐蝕電流，即布袋灰更易引發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現，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測試結果

2.4 防護涂料的工程應用案例

垃圾焚燒電廠飛灰間通常是飛灰腐蝕的“重災區”，為了保持飛灰間設備和鋼構的美觀，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，發現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 結論

本文選取某垃圾焚燒電廠的布袋灰和反應塔灰進行了研究，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測試和實際工程應用中均表現出良好的防腐性能。

參考文獻

[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, 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準[S].

[4]繆建冬, 鄭浩, 陳萍, 等. 杭州地區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境風險評估 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2021.

[6]傅立珩, 杜海亮, 陸浩, 等. 記憶效應對垃圾焚燒爐濕式洗滌塔中二噁英濃度的影響及調控方法[J]. 環境衛生工程, 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. 不同環境條件下可溶性沉積鹽對金屬大氣腐蝕的影響[J]. 環境技術, 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，江蘇科輝環境科技有限公司，江蘇 南通 226019；

3，光大環保能源（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215101；

4，光大環保能源（惠東）有限公司，廣東 惠東 516300；

5，重慶市涪陵區三峰環保發電有限公司，重慶 408115）