(中國中元國際工程公司，北京 100089)

燃?xì)忮仩t房煙氣的腐蝕與防治

史大鳴 李春林

(中國中元國際工程公司，北京 100089)

隨著節(jié)能減排工作的深入，燃?xì)忮仩t的排煙溫度會越來越低，煙氣冷凝水的腐蝕問題將日益突出。本文分析煙氣冷凝水腐蝕的原因，提出了防止腐蝕的措施。

燃?xì)忮仩t 冷凝水 酸腐蝕 氧腐蝕

1 問題的提出

為改善大氣環(huán)境質(zhì)量，北京市自上世紀(jì)末開始將燃煤鍋爐房改造為燃?xì)忮仩t房工作(簡稱“煤改氣”)，近幾年隨著西氣東輸，烏魯木齊、石家莊等城市也陸續(xù)開始煤改氣工作。這些煤改氣工作為我國的環(huán)境做出了較大的貢獻。但在改造過程中也出現(xiàn)一些煙氣腐蝕等問題，具體表現(xiàn)為：有些燃?xì)忮仩t房的煙道產(chǎn)生大量冷凝水，排放至地面或排水溝，在地面和排水溝內(nèi)沉積大量紅褐色的腐蝕產(chǎn)物；更為嚴(yán)重的燃?xì)忮仩t的尾部受熱面產(chǎn)生大量冷凝水并伴有紅褐色的腐蝕產(chǎn)物，造成鍋爐尾部受熱面的腐蝕，影響鍋爐的安全運行。本文針對煙氣腐蝕的原因進行分析，并提出防治措施。

2 煙氣腐蝕的原因分析

2.1 煙氣的成分

天然氣中主要成分為甲烷(CH4)，占90%以上，燃燒后產(chǎn)生水和二氧化碳，加上空氣中氧和氮，所以煙氣中的主要成分為H2O、CO2、O2、N2，其他成分還有NOx、SO2、CO等。天然氣的組分是變化的，但同一氣田的天然氣組分變化范圍不大，表1是北京某供熱廠2011年采暖季所用天然氣組分之一。

表1 北京天然氣成分之一

表2 煙氣組分表

2 煙氣中水的冷凝

當(dāng)煙氣的溫度低于其露點溫度時，煙氣中的水蒸氣開始冷凝。煙氣的露點溫度與煙氣中酸性氣體的含量有很大關(guān)系，天然氣為清潔燃料，幾乎不含S元素，忽略酸性氣體的影響，煙氣的露點溫度隨煙氣中水蒸汽含量的增加而增加，隨過量空氣系數(shù)的增加而減少。表2中煙氣組分的露點溫度大約為55℃。實際中天然氣中含有微量的硫元素，煙氣中也會含有微量的SO2和SO3，煙氣中SO3對煙氣露點溫度影響很大，造成實際煙氣露點溫度大于計算值(忽略天然氣中的S)。

燃?xì)忮仩t在設(shè)計時已采用合適的排煙溫度(均高于煙氣的露點溫度)以防止鍋爐尾部的低溫腐蝕。但在實際運行中由于以下情況造成排煙溫度低于露點溫度。

1) 有些采暖鍋爐房是直供系統(tǒng)，即熱水鍋爐的出水直接送入最終熱用戶，中間無換熱設(shè)施。這類鍋爐的設(shè)計進/出水溫度為70/95℃，建筑物散熱器采暖溫度設(shè)計的供回水溫度為95/70℃，兩者的設(shè)計參數(shù)是匹配的。但在實際中采暖供水的最高溫度不足70℃，回水溫度大約50℃，甚至更低。即：鍋爐的進水溫度低于設(shè)計值，造成鍋爐的排煙溫度低于設(shè)計值。另外，在采暖期中熱用戶的供水溫度隨室外溫度的變化而變化，在采暖季的初末期，最終熱用戶的供水溫度只有40-50℃，回水溫度可能低于30℃，造成鍋爐的排煙溫度大大低于設(shè)計值，也將低于煙氣的露點溫度，造成煙氣中水蒸汽的凝結(jié)。在北京采用直供系統(tǒng)的燃?xì)鉄崴仩t大部分存在煙氣中水蒸汽冷凝問題，造成煙道甚至鍋爐尾部受熱面的腐蝕。

2) 節(jié)能減排是大勢所趨，是當(dāng)前工作的重點，各單位均在采取各類的節(jié)能措施，降低排煙溫度，回收煙氣余熱是供熱行業(yè)一項重要的節(jié)能措施；同時天然氣是清潔燃料，其價格不菲，回收煙氣中的余熱將給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。很多鍋爐的煙道上加裝了煙氣節(jié)能器，新建的大型燃?xì)忮仩t、排煙溫度較高的鍋爐都加裝了煙氣節(jié)能裝置；已建的大中型燃?xì)忮仩t房也在紛紛采取措施加裝煙氣節(jié)能裝置。煙氣節(jié)能器的加熱介質(zhì)均為煙氣，被加熱介質(zhì)有的采用熱網(wǎng)回水、有的采用熱網(wǎng)的部分回水，有的采用熱網(wǎng)補水，有的被加熱水循環(huán)使用----煙氣加熱循環(huán)水、采用熱泵技術(shù)提取循環(huán)水的熱量。煙氣節(jié)能器被加熱介質(zhì)的品質(zhì)不同，煙氣的排煙溫度也不同，有的高達90℃，確保在煙氣露點以上，有的低至30℃，對煙氣的余熱吃干榨盡。只要排煙溫度低于煙氣的露點溫度都會產(chǎn)生冷凝水，對節(jié)能器及煙道造成腐蝕。

3 煙氣冷凝水的腐蝕

隨著煙氣中水蒸汽的冷凝，煙氣中的CO2、O2等氣體也會溶解到水中，若水中只有CO2，沒有其它酸性氣體，水中的pH值為4.3。若煙氣中有SO2、NOx等酸性氣體，也會溶解在冷凝水中，成為水中的酸性物質(zhì)，導(dǎo)致pH值的進一步降低。有資料報道，燃?xì)忮仩t煙氣冷凝液的pH值約為4，低的可達3.2。

3.1 冷凝液的酸腐蝕

周六晚上不上晚自習(xí)，我和沐子約好了去零食批發(fā)市場進貨。琳瑯滿目的食品，我剛挽起袖子準(zhǔn)備大干一場時，就接到了葉子因為無聊而邀約我看電影的電話。也許這一通電話，是她約了無數(shù)人未果后才打給我的，但于我而言，已是極致的幸福了。顧不得向沐子告別，我朝電影院匆匆奔去。

溶入冷凝液的CO2形成弱電解質(zhì)----H2CO3，H2CO3分解為H+和HCO3-。

H2CO3是一種弱酸，在水中電離的H+不多，但冷凝液是比較純凈的水，含鹽量小，緩沖性差，即使像H2CO3這樣的弱酸也會使PH值有較大的下降，當(dāng)純水中CO2為1mg/L時，純水的PH值由7.0降至5.5。同時隨著H+在腐蝕中不斷消耗式2-2的電離平衡被打破，反應(yīng)向右進行，不斷電離出H+供腐蝕反應(yīng)使用，隨著H2CO3的消耗，更多的CO2與水結(jié)合形成H2CO3，直至CO2消耗完畢。CO2腐蝕的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)方程式如下：

CO2腐蝕的腐蝕產(chǎn)物是易溶的，不會沉積在金屬表面，所以CO2腐蝕是均勻腐蝕，不會形成保護膜，而且會破壞金屬表面形成的鈍化膜。

CO2不僅對鐵產(chǎn)生腐蝕，同時對金屬銅也會產(chǎn)生腐蝕，當(dāng)只有CO2時，會對銅管產(chǎn)生脫鋅腐蝕；當(dāng)CO2和O2同時存在時，對銅管中的金屬銅也會產(chǎn)生腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物是易溶的Cu2+。

3.2 煙氣冷凝液的氧腐蝕

溶入冷凝液中氧氣會對金屬產(chǎn)生氧腐蝕，腐蝕的形式是氧去極化腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物隨著載體材質(zhì)的不同而不同。若煙道為普通碳鋼制造，其腐蝕產(chǎn)物是鐵的氧化物，其反應(yīng)方程式如下：

以上反應(yīng)的產(chǎn)物Fe2+在水中會與相關(guān)物質(zhì)進一步進行反應(yīng)，其過程：

以上腐蝕產(chǎn)物中，F(xiàn)e(OH)2在有氧的條件下是不穩(wěn)定的，可以轉(zhuǎn)變?yōu)棣?FeOOH、γ-FeOOH或Fe3O4，α-FeOOH的顏色是黃色的，γ-FeOOH的顏色是橙色的，F(xiàn)e3O4的顏色是黑色的；Fe(OH)3是表示三價鐵的氫氧化物，化學(xué)組成實際上并不像其化學(xué)式那么簡單，常常是各種含水氧化鐵的混合物，可以寫成Fe2O3·nH2O或Fe2O3，F(xiàn)e2O3又有α- Fe2O3和γ- Fe2O3之分，α- Fe2O3的顏色是磚紅至黑色，γ-Fe2O3的顏色是褐色。煙氣排出的冷凝水的顏色一般是紅褐色，且腐蝕越嚴(yán)重，顏色越深。

冷凝液的氧腐蝕屬于潰瘍腐蝕，腐蝕發(fā)生后在金屬的表面形成一個個鼓包，鼓包的表面是黃褐色到磚紅色，由上述的各種氧腐蝕產(chǎn)物組成，去除這些腐蝕產(chǎn)物后，金屬的表面是一個個腐蝕坑。氧腐蝕一旦形成，就很難阻止腐蝕過程的繼續(xù)，其原因是在腐蝕點上，由于腐蝕產(chǎn)物的阻擋，水中溶解氧擴散到這一點的速度減慢，形成了腐蝕點四周O2的濃度大于腐蝕點上O2的濃度，腐蝕點四周成為陰極，腐蝕點(金屬表面某點)成為陽極，陽極(Fe)的腐蝕中被消耗，其產(chǎn)物----Fe2+會緩慢地通過腐蝕產(chǎn)物向溶液中擴散，與溶液中的相關(guān)物質(zhì)繼續(xù)反應(yīng)，產(chǎn)生新的腐蝕產(chǎn)物，氧腐蝕這樣繼續(xù)下去。

氧腐蝕的影響因素很多，影響凝結(jié)水氧腐蝕的因素主要有：pH值、溶解氧濃度、溫度等，簡單地說，pH值越小，腐蝕速度越快；氧濃度越大腐蝕速度越大，水溫越高，腐蝕速度快。

3 煙氣腐蝕的防治

燃?xì)忮仩t的煙道、煙囪及煙氣節(jié)能器的材質(zhì)大部分為碳鋼，煙氣低溫腐蝕的問題日益暴露，煙道及煙囪的防腐問題逐漸受到重視，紛紛在尋找合適的防腐方式。

1) 選擇合適的排煙溫度

提高排煙溫度可以有效防止煙氣中水蒸汽的凝結(jié)，從而避免煙氣冷凝水的腐蝕。燃?xì)忮仩t的設(shè)計排煙溫度一般都在120℃以上，有的蒸汽鍋爐設(shè)計排煙溫度高達250℃，在這種情況下，煙氣不會產(chǎn)生冷凝水。為了節(jié)能，在燃?xì)忮仩t的煙道上一般加裝煙氣節(jié)能器以回收余熱，如果煙氣節(jié)能器的出口煙溫達到90℃以上，或煙道/煙囪煙氣側(cè)壁溫大于煙氣露點10℃以上，煙氣水蒸汽很難凝結(jié)。為了節(jié)約能源和經(jīng)濟運行，降低排煙溫度和回收煙氣中水蒸汽的汽化潛熱是大勢所趨，選擇合適排煙溫度防止煙氣水蒸汽冷凝是不現(xiàn)實的。

2) 采用不銹鋼材質(zhì)

不銹鋼的種類很多，化學(xué)成分也各異，共同的特點是含鉻量較大，一般都在12%以上，鉻是一種比鐵更為活潑的元素，在氧化性介質(zhì)環(huán)境下很容易與氧反應(yīng)，在合金表面產(chǎn)生一種具有保護性的薄膜----鈍化膜，而且這層鈍化膜被破壞后，還能再次生成新的鈍化膜。鎳的加入可以提高再次生成鈍化膜的速度，提高防腐性能。奧氏體不銹鋼是在18%鉻鐵素體型不銹鋼中加入鎳、錳、氮等奧氏體形成元素而獲得的鋼種系列，其中18%鉻-8%鎳型是最基本的一類，具有良好的塑性、韌性和加工成型性能，以及良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能。

0Cr18Ni9(304不銹鋼)是18-8型奧氏體不銹鋼，對氧化性酸有較好的耐腐蝕性，在60%硝酸中100℃以下的腐蝕速度不大于0.1mm/a，在常溫下，在4%以下或80%以上的硫酸中的腐蝕速率不大于0.1mm/ a，在乙酸中80℃以下的腐蝕速度不大于0.1mm/a。

00Cr17Ni14Mo2(316L不銹鋼)屬于18-8型奧氏體不銹鋼的衍生鋼種，添加有2～3%的Mo元素，與304不銹鋼相比耐腐性更好，適合于在含有Cl-的環(huán)境中，在Cl-濃度在5x10-4(體積分?jǐn)?shù))以下，pH值在4.5以上具有良好的耐腐蝕性。

采用不銹鋼作為煙道或煙囪的材料，可以單獨使用，即煙道/煙囪整體采用不銹鋼，但這種方式成本高。為降低成本，可采用貼壁紙工藝----采用薄壁合金板材作為碳鋼的襯里，合金板材的典型使用厚度僅為1.6mm。

3) 玻璃鱗片襯里

鱗片襯里是以耐酸樹脂為主要基料，以薄片狀填料為骨料，添加各種功能添加劑混配成膠泥狀防腐材料，再經(jīng)專用設(shè)備或人工按一定施工規(guī)程涂覆在被防護基體表面而形成的防腐蝕保護層。鱗片襯里防腐在北京一熱、山東黃臺發(fā)電廠等電廠煙氣濕法脫硫中的煙道和事故漿罐中得到了應(yīng)用，效果良好。

防腐用玻璃鱗片可分為低溫玻璃鱗片和高溫玻璃鱗片，低溫玻璃鱗片具有優(yōu)良的耐水汽的滲透性、耐化學(xué)性、耐腐蝕性等特點，使用溫度一般低于100℃。高溫玻璃鱗片具有優(yōu)良的耐高溫性能，其使用溫度可達160℃。玻璃鱗片襯里的施工質(zhì)量對其防腐性能影響很大，若施工質(zhì)量把控不嚴(yán)，宜產(chǎn)生起氣泡、脫落等問題。一般應(yīng)從環(huán)境溫度的控制、噴丸前的表面檢查、噴丸要求、刷底漆、不同涂層的施工要領(lǐng)、中間檢查(外觀檢查、厚度檢查、硬度檢查、打診檢查、漏電檢查、黏結(jié)強度檢查等)、缺陷的修補等方面進行質(zhì)量控制。

4) 玻璃鋼

玻璃鋼(FRP)是一種由基體材料和增強材料兩個基本組分，并添加各種輔助劑而制成的復(fù)合材料，常用的基體材料有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂等，常用增強材料有碳纖維、玻璃纖維、有機纖維等。根據(jù)基體材料不同，可分為環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼和呋喃玻璃鋼，環(huán)氧玻璃鋼的耐稀酸、稀堿性能好，與鋼板的黏結(jié)力強、抗?jié)B性能好、固化時收縮率低等特點，適應(yīng)溫度一般在100℃以下；酚醛玻璃鋼的耐酸性能好，與基體黏結(jié)力強、抗?jié)B性能一般，使用溫度在120℃以下，不耐氧化性介質(zhì)和堿性介質(zhì)。呋喃玻璃鋼耐酸、堿性能好，抗?jié)B能力一般，與基體黏結(jié)力弱，成型收縮率大，使用溫度在150℃以下，不耐氧化性介質(zhì)。

玻璃鋼可單獨成型使用，也可襯在基體表面進行防腐。20世紀(jì)90年代沈陽某冶煉廠采用玻璃鋼襯在水泥煙囪中，使用效果良好；20世紀(jì)80年代美國制造了當(dāng)時世界上最高的自支撐式玻璃鋼煙囪(高度51.8m)；玻璃鋼防腐在電廠濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的煙道上應(yīng)用廣泛。

5) 橡膠襯里

橡膠具有很好的耐腐蝕性能，但強度差，無法單獨使用，將其貼合在金屬或混凝土內(nèi)壁可以形成很好的表面防腐層。橡膠襯里具有對基體結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強、襯膠方式靈活、耐腐蝕性好、價格便宜等優(yōu)點；但它也有缺點，使用不當(dāng)會出現(xiàn)鼓泡、裂紋和脫落現(xiàn)象，首先其耐熱性較差，一般硬質(zhì)橡膠的使用溫度為90℃以下，軟質(zhì)橡膠位-25℃~80℃。其次膨脹系數(shù)大，硬質(zhì)橡膠的膨脹系數(shù)要比金屬大3~5倍，若溫度變化大，容易使襯膠開裂或膠層與基體脫離，第三襯里容易被硬物損傷。

采用橡膠襯里防腐的施工質(zhì)量相當(dāng)重要，對橡膠的質(zhì)量要嚴(yán)格把關(guān)，對襯里的外觀、尺寸規(guī)格、厚度、針孔、硬度以及黏結(jié)的連續(xù)性進行質(zhì)量控制，特別要處理好管件連接處的質(zhì)量。襯好膠的產(chǎn)品嚴(yán)禁再進行電焊工作，對襯膠后產(chǎn)品進行電焊不僅破壞襯膠防腐層，還可能引起火災(zāi)。

4 結(jié)束語

隨著節(jié)能減排工作的深入，燃?xì)忮仩t的排煙溫度會越來越低，煙氣冷凝水的腐蝕問題將日益突出，煙氣系統(tǒng)的防腐工作越來越重要。采用不銹鋼防腐，幾乎沒有日常維修工作，使用壽命長，投資大；采用襯里防腐，投資低，日常維修維護工作較大，每年大約有5%的維修維護工作，使用壽命也受限制，5-10年將需要更換。

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The Prevention of the Gas-fired Boiler’s Corrosion

SHI Da-ming, LI Chun-lin
(China IPPR International Engineering CORP., Beijing, 100089, China)

With the development of energy conservation, exhaust gas temperature of boiler will be lower and lower, so corrosion of flue gas’s condensate will become increasingly prominent. This thesis analyzes the reasons, and proposes measures to prevent corrosion.

gas-fired boiler; condensing water; acid corrosion; oxygen corrosion

TG174

A

史大鳴 (1956－) ，男，河南西平人，高級工程師，從事給排水工程設(shè)計與研究。