氯化钠及氯化钙混合盐对焚化炉寿命解读.doc

PAGE 1 氯化鈉及氯化鈣混合鹽對焚化爐壽命 之影響 民參部 組 長 魏家傑 摘 要 本研究分別以SB450、A24、A26等三種合金，沉積2mg/cm2之18 wt % 氯化鈉及82 wt % 氯化鈣混合鹽，於550℃靜滯空氣之恆溫爐中，進行2、4、6、12、24小時之高溫腐蝕，藉此了解混合鹽對此三種合金於高溫腐蝕反應之情形，及對焚化爐壽命之影響。結果顯示，沉積氯化鈉及氯化鈣混合鹽之高溫腐蝕結果，遠比無沉積化合物之腐蝕程度嚴重約5至8倍，且比沉積純氯化鈉之腐蝕程度嚴重約2.5至2.7倍。在實際應用上，若飛灰產生沉積鹽為氯化鈉及氯化鈣組成時，位於焚化爐第三煙道之過熱汽管組，鋼材即會遭受相當嚴重之高溫腐蝕。 一、前言 垃圾焚化廠[1]（垃圾資源回收廠），在燃燒廢棄物時，常因塑膠類之垃圾於高溫所釋放之氯氣，或與其他物質化合成氯化物，如氯化鈉及氯化鈣等，而使焚化爐及週遭設備遭受到各種氯化物高溫之腐蝕。文獻指出[2]，垃圾焚化廠之「飛灰」成分依取樣位置之不同，可分為： 1. 底灰：主要為Ca8Si5O18及SiO2。 2. 微細之反應灰：為CaCl2、Ca(OH)2?H2O及Ca(OH)2。 3. 浸漬過之反應灰：為CaO、CaCl2、Ca(OH)2?H2O及Ca(OH)2等。 另有文獻指出[3,4]，飛灰經「水洗前處理」後，可去除飛灰中90%以上的氯，40%的鈉和鉀，以及20%左右的鈣和硫。因垃圾焚化廠之飛灰中含有氯化鈉、氯化鈣、氫氧化鈣或氧化鈣等化合物，故其壽命則因前述燃燒所生之沉積物，而造成不同程度之高溫腐蝕。據文獻指出[5-7]，由於金屬鹵化物具低熔點與高揮發之特性，導致保護性氧化皮膜的破壞或無法生成，使得金屬在此高溫環境中受到嚴重的腐蝕。至於鹵化物之熱腐蝕特性，則會因鹵化物之種類、低熔點共晶生成物、反應溫度、沉積量、環境以及合金元素等因素影響，而有明顯不同的差異。 本研究以氯化鈉及氯化鈣混合之沉積鹽作為實驗之腐蝕環境，探討此兩種氯化物混合鹽於焚化爐中，因高溫腐蝕對焚化爐壽命之影響。為探討混合鹽對焚化爐之影響，實驗材料之選用考量以焚化爐實際使用之材料為主[8]，故選用高溫環境及商業使用上較為普遍之鐵鉻合金，以含鉻量由小到大之CNS 8696（JIS G 3103-1977）之SB450(以下簡稱為SB450)、CNS 5806（JIS G 3462-1978）之STBA24(以下簡稱A24)及STBA26(以下簡稱A26)等三種合金，做為實驗分析之材料。因焚化爐過熱器管集處(superheater tubes)之實際溫度約為554℃[8]，故選定550℃作為實驗溫度。經分析氯化鈉及氯化鈣之相圖，沉積 18 wt % NaCl及82 wt % CaCl2 混合鹽之共晶溫度為500℃，故選擇此比例之混合鹽作為高溫腐蝕之環境。 本研究另外以相同之高溫環境進行未噴覆沉積鹽試片之高溫腐蝕，及分別噴覆相同沉積量之純氯化鈉及純氯化鈣等二種不同沉積鹽之高溫腐蝕試驗做為基準，並藉以探討此三種狀況與本研究沉積混合鹽間之差異。再使用金相顯微鏡(OM)、掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)、電子微探儀(Electron Probe X-ray Microanalyzer, EPMA)等儀器觀察顯微組織，並使用X光繞射儀(XRD)鑑別分析生成物等方式分析比較，來探討飛灰對焚化爐壽命之影響。 二、焚化爐及飛灰組成簡介 垃圾焚化廠[8]爐體（即焚化爐）之使用壽命，與環境（如垃圾成份、燃燒室各部位之溫度），及選用之耐高溫腐蝕合金成份（Ni、Cr）等因素有直接關係。近年來國內外垃圾焚化廠已經成為處理一般家戶廢棄物及醫療、化學等有害事業廢棄物之可行有效技術之一，以下就北投垃圾焚化廠實際案例來介紹焚化爐。焚化爐相關部位名稱如圖一所示；燃燒氣體依箭頭指示之方向流動。各熱值條件下各部位溫度如表1所示。表2為各部位過熱器之材料表。從以上之資料顯示，垃圾焚化廠於過熱器管集所使用之材料大部分以STBA23-S、SUS310J1、SUS309J2為主，皆為鍋爐用鋼管及鐵鎳鉻系合金不銹鋼管。 日本垃圾焚化廠之相關文獻指出[9]，低熔點混合鹽或形成共晶低熔點之混合鹽，經常沉積在鍋爐水管牆（boiler tubes），其中熔鹽之金屬氯化物（Metal chlorides）於一般都市家戶廢棄物焚化廠中，經常可發現SnCl2、ZnCl2、PbCl2等氯化物，及偶爾被發現之NaCl、KCl、CaCl2、FeCl2等氯化物，或可形成共晶低熔點之混合鹽，及與Pb、Zn等重金屬混合之化合物，水管牆及過熱器管集處將受沉積物之影響。文獻指出[11]，焚化爐飛灰之組成以Si、Al、Ca等化物與易揮發之金屬氯化物為主，且Al、Ca、Fe、Si