陳令章, 張宇航, 冉燊銘, 曾 潔通信作者

1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 611731

2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司, 四川 自貢 643001

0 引言

隨著國家對環(huán)保的重視,鋼鐵企業(yè)對氣體污染物的改造治理需求變得十分迫切。鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量可燃廢氣,主要有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦化尾氣、蘭炭尾氣,部分廢氣還摻雜有高濃度酸性氣體,鋼鐵企業(yè)通過自備燃?xì)忮仩t可有效利用可燃廢氣進(jìn)行發(fā)電,廢氣經(jīng)鍋爐燃燒和工藝處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程的特殊性,自備燃?xì)忮仩t能否長期穩(wěn)定運(yùn)行對鋼鐵企業(yè)安全生產(chǎn)十分重要。

空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)作為燃?xì)忮仩t的重要設(shè)備之一,對鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要?？疹A(yù)器一般布置在鍋爐尾部煙道,處于鍋爐煙氣低溫區(qū)域,若煙氣中含S等酸性元素,鍋爐長期低負(fù)荷運(yùn)行,很容易發(fā)生低溫腐蝕。

本文對某鋼鐵企業(yè)燃?xì)忮仩t管式空預(yù)器產(chǎn)生低溫腐蝕的原因進(jìn)行了分析,并給出預(yù)防措施,對鋼鐵行業(yè)的安全生產(chǎn)及節(jié)能減排具有重要意義。

1 鍋爐低溫腐蝕及原因分析

1.1 鍋爐基本參數(shù)

燃?xì)忮仩t為超高溫亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、單爐膛鍋爐,燃料為焦化尾氣,燃料參數(shù)如表1所示,燃料中摻有高濃度酸性氣體。由于本項(xiàng)目煙氣中粉塵含量極少,空預(yù)器采用管式預(yù)熱器,錯(cuò)列、臥式布置,管子采用螺旋槽管,管內(nèi)為空氣流通通道,煙氣經(jīng)管外流通并換熱,空預(yù)器具體布置形式如圖1所示。

圖1 空預(yù)器布置圖

表1 燃料參數(shù)

空預(yù)器采用上、下級分級布置,因燃料成分中含S,為防止低溫腐蝕,上級空預(yù)器換熱管采用ND鋼,下級空預(yù)器采用碳鋼外鍍搪瓷。

1.2 空預(yù)器運(yùn)行現(xiàn)狀

鍋爐在投運(yùn)一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)含氧量低,排煙溫度低,無法滿負(fù)荷運(yùn)行。在停爐檢修期間經(jīng)鍋爐檢修人員檢查后,確認(rèn)下部空預(yù)器靠近冷風(fēng)端入口處泄露(見圖1空預(yù)器布置圖左下方標(biāo)注處)、腐蝕嚴(yán)重,用戶將腐蝕嚴(yán)重的管子取樣并進(jìn)行了試驗(yàn)分析。試驗(yàn)樣管為同一根管道的冷端、熱端各取一截。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及分析結(jié)果

1.3.1 樣品宏觀外貌

如圖2所示,未被腐蝕搪瓷管表面無穿孔、腐蝕坑,整體色澤均勻,但有較多白點(diǎn),判斷搪瓷管表面可能存在雜質(zhì)或孔隙。同時(shí)在光照條件下,可以觀察到明顯的針孔存在。所測搪瓷層厚度均大于300 μm,滿足NB/T 47049要求。

圖2 未腐蝕搪瓷管外貌

如圖3～4所示,受腐蝕搪瓷管表面有較多大小不一的圓形穿孔及圓形腐蝕坑,其中較大口徑穿孔主要集中在管子冷風(fēng)入口端一側(cè)。結(jié)合受腐蝕搪瓷管表面形態(tài)及鍋爐燃料含S的特點(diǎn),判斷受腐蝕管道表面存在低溫露點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。搪瓷管表面溫度越低的區(qū)域,越易發(fā)生凝露現(xiàn)象,也越容易發(fā)生硫酸露點(diǎn)腐蝕。

圖3 腐蝕搪瓷管表面清灰后外貌

圖4 受腐蝕搪瓷管外貌

沿著冷風(fēng)入口方向,越進(jìn)入空預(yù)器內(nèi),搪瓷管內(nèi)的空氣溫度越高,對應(yīng)的搪瓷管壁面溫度也越高,發(fā)生露點(diǎn)腐蝕概率逐漸降低,所以發(fā)生腐蝕的區(qū)域主要集中在靠近冷風(fēng)端進(jìn)口下部區(qū)域(壁面溫度最低區(qū)域),詳見圖1標(biāo)注區(qū)域,而同一根管子的出口端區(qū)域(壁面溫度高)表面則相對良好。

1.3.2 樣品化學(xué)成分分析

搪瓷管材料為Q215A,從現(xiàn)場取回的樣管基材化學(xué)成分如表2所示,化學(xué)成分滿足GB/T 700規(guī)定的Q215A要求。

表2 樣管化學(xué)成分 單位:%

圖5為區(qū)域取環(huán)狀管樣(帶搪瓷)及灰樣。

圖5 取樣區(qū)域

如圖6所示,環(huán)狀管樣(帶搪瓷)搪瓷層截面有大量氣孔和一些球狀物,推測搪瓷存在氣孔及搪瓷粉未融合燒結(jié)缺陷。部分氣孔或未熔合區(qū)域尺寸極大,最高的大于351 μm,這種缺陷嚴(yán)重降低搪瓷層質(zhì)量。

圖6 搪瓷層表面形貌

如圖7所示,灰樣表面不規(guī)則,整體較為松散。檢測結(jié)果顯示灰樣表面成分主要為C、O、S、Fe,成分含量如表3所示。結(jié)合鍋爐燃料特點(diǎn),判斷灰中存在硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物,判斷樣管腐蝕形式主要為硫酸露點(diǎn)腐蝕[1-3]。煙氣硫含量較高,是導(dǎo)致管子腐蝕的主要因素之一。

圖7 灰樣表面形貌

表3 灰樣主要成分分析結(jié)果 單位:%

1.3.3 結(jié)果分析

1)燃料中的硫含量影響。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)工況為100%焦化尾氣和高濃度酸性氣體(主要為H2S,98.6 mol%)。其中的硫化物燃燒后會(huì)轉(zhuǎn)化成SO2,氧氣充足時(shí)又部分轉(zhuǎn)化為SO3,煙氣中SO3濃度越高則煙氣中酸的露點(diǎn)溫度越高。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度時(shí),SO3即會(huì)結(jié)合H2O在搪瓷管上凝結(jié)形成硫酸,硫酸與金屬基體及煙氣中飛灰反應(yīng),導(dǎo)致發(fā)生腐蝕和沾污,這個(gè)過程即低溫硫腐蝕和低溫沾污[4-6]。

Fe3O4+4H2SO4→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O

3Fe+4H2SO4+2O2→FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O

低溫腐蝕的程度取決于燃?xì)庵辛蚝康母叩?SO3濃度高,酸露點(diǎn)也高,空預(yù)器冷端搪瓷管上凝結(jié)的H2SO4也多。此外,煙氣露點(diǎn)也受煙氣中水分含量的一定影響,其趨勢是呈隨水分含量增大而有所提高[7-8]。

2)空預(yù)器不同區(qū)域腐蝕差異?？疹A(yù)器管泄漏點(diǎn)主要集中在下級空預(yù)器搪瓷管下半部分靠近冷風(fēng)入口區(qū)域,此區(qū)域是冷空氣剛進(jìn)入空預(yù)器的地方。根據(jù)該項(xiàng)目煙氣成分計(jì)算出酸露點(diǎn)溫度約為135 ℃,鍋爐在50%負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí),空預(yù)器出口排煙溫度低于135 ℃,若長期低負(fù)荷運(yùn)行,在空預(yù)器下部靠近出口處區(qū)域會(huì)存在煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度的情況,進(jìn)而產(chǎn)生了低溫硫腐蝕,而空氣出口端區(qū)域附近煙氣溫度高,基本未發(fā)生明顯腐蝕,說明環(huán)境條件尤其是溫度對空預(yù)器管腐蝕的影響較大。

3)低溫積灰的影響。除低溫硫腐蝕外,該項(xiàng)目下級空預(yù)器搪瓷管發(fā)生了輕微的低溫積灰現(xiàn)象,是因?yàn)闊煔庵酗w灰除形成松散堆積外,還會(huì)受到H2SO4、H2O 的凝結(jié)作用。當(dāng)H2SO4凝結(jié)在搪瓷管表面時(shí),一方面滲入搪瓷表面,溶解搪瓷管基材(Fe),另一方面在毛細(xì)管效應(yīng)、慣性效應(yīng)和攔截效應(yīng)等作用下不斷捕捉飛灰顆粒并與其某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),最終生成酸性粘結(jié)灰,而灰垢的松散結(jié)構(gòu)又易吸附H2SO4、H2O,這樣不斷沉積蔓延。由于堆積的灰垢導(dǎo)熱差,被積灰覆蓋處溫度就相對更低,進(jìn)而加速搪瓷的腐蝕穿孔[9-10]。

4)搪瓷管穿孔的影響。下級空預(yù)器搪瓷管發(fā)生穿孔后,管內(nèi)較低溫度的空氣會(huì)與管外的煙氣直接交互,進(jìn)一步降低穿孔附近管子壁溫,此時(shí)如果部分壁溫介于低酸露點(diǎn)30～50 ℃范圍內(nèi),將加劇管子露點(diǎn)腐蝕,形成更多新的穿孔。

5)搪瓷管表面質(zhì)量的影響。搪瓷的腐蝕速率在稀硫酸中最大,隨著硫酸濃度增加,浸析度反而減少,濃硫酸對搪瓷的浸蝕作用很弱。一般電站鍋爐預(yù)熱器長時(shí)間接觸的硫酸濃度在70%～85%,搪瓷熱管工作于這種環(huán)境下的優(yōu)越耐酸腐蝕性能是顯而易見的。但是當(dāng)鋼管表面搪瓷層存在較多氣孔或未熔合時(shí),會(huì)降低搪瓷的有效厚度,當(dāng)搪瓷存在較多不連續(xù)性區(qū)域時(shí),則會(huì)無法阻擋煙氣與管子基體接觸,無法起到保護(hù)作用,使管道不能按照預(yù)期正常運(yùn)行。

本次分析得出因搪瓷管表面灰垢中硫含量較常規(guī)灰高,結(jié)合其腐蝕形貌和垢層成分分析,判斷造成搪瓷管泄露的主要原因是硫酸露點(diǎn)腐蝕。此外,搪瓷層表面存在氣孔,同時(shí)截面檢查搪瓷層發(fā)現(xiàn)靠近金屬側(cè)有未熔合的搪瓷粉顆粒,這可能是導(dǎo)致空預(yù)器管道在短期內(nèi)腐蝕穿孔的重要因素之一。

2 預(yù)防措施

通過以上分析,為提高燃?xì)忮仩t管式空預(yù)器的使用壽命,可以采取以下預(yù)防措施。①在空預(yù)器入口加裝暖風(fēng)器,提高冷風(fēng)入口溫度,降低低溫腐蝕概率。②鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)排煙溫度相應(yīng)降低,在空預(yù)器低溫區(qū)域煙氣溫度可能低于酸漏點(diǎn),造成低溫硫腐蝕,因此鍋爐盡量避免長期低負(fù)荷運(yùn)行。③在綜合成本考慮的情況下,空預(yù)器低溫易腐蝕區(qū)域基管材料采用不銹鋼或不銹鋼鍍搪瓷,提高抗腐蝕能力。④搪瓷管質(zhì)量嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測,保證管子鍍搪瓷質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。⑤可安裝吹灰裝置,定期對管式空預(yù)器受熱面進(jìn)行吹掃。

該項(xiàng)目管式空預(yù)器按照以上預(yù)防措施進(jìn)行了改造,易腐蝕區(qū)域基管全部換成不銹鋼管,空預(yù)器進(jìn)口端加裝暖風(fēng)器以便提高空預(yù)器冷風(fēng)端入口溫度,并讓用戶注意鍋爐盡量避免長期低負(fù)荷運(yùn)行。該項(xiàng)目在改造完成投運(yùn)一段時(shí)間后,停爐期間經(jīng)檢查空預(yù)器易腐蝕區(qū)域管子無明顯腐蝕,實(shí)施效果良好,大大提高了空預(yù)器壽命。

3 結(jié)束語

燃?xì)忮仩t空預(yù)器腐蝕是由多種原因造成的,本文分析及驗(yàn)證了燃?xì)忮仩t空預(yù)器腐蝕原因及預(yù)防措施是否有效,及時(shí)發(fā)現(xiàn)空預(yù)器運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象并提前做好預(yù)防措施,提高空預(yù)器使用壽命,降低自備燃?xì)忮仩t的事故率,對鋼鐵行業(yè)廢氣利用及安全生產(chǎn)具有重要意義,對降低環(huán)境污染具有積極作用。