模擬氣氛下硫酸露點(diǎn)的腐蝕試驗(yàn)研究

趙欽新， 張知翔， 杜文智， 張智超

（1.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049；2.西安熱工研究院有限公司，西安710032）

截止2009年底，我國(guó)年原煤產(chǎn)量達(dá)30.5×108t，發(fā)電原煤為15.72×108t.對(duì)于火力發(fā)電廠，排煙熱損失是鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，占鍋爐總熱損失的80%或更高［1］.據(jù)調(diào)查，我國(guó)許多電站鍋爐的排煙溫度實(shí)際運(yùn)行值都高于設(shè)計(jì)值20～50℃，達(dá)到130～150℃，大量的排煙余熱可以利用［2］.

當(dāng)鍋爐煙氣中含有SO3時(shí)，與水蒸氣結(jié)合生成H2SO4蒸汽，會(huì)顯著提高煙氣的露點(diǎn)溫度，并在低溫受熱面上凝結(jié)形成酸液，導(dǎo)致管壁厚度減薄直至破裂.煙氣中的飛灰與酸液混合，以比干灰高得多的黏附力粘在受熱面管壁上，采用常規(guī)清灰方式不能將其有效清除，使受熱面被積灰堵塞，鍋爐被迫停運(yùn).因此，要進(jìn)一步回收利用鍋爐的排煙余熱，必須突破煙氣露點(diǎn)的限制，研究出露點(diǎn)腐蝕機(jī)理及其防護(hù)和控制措施.

西安交通大學(xué)鍋爐研究所提出了一種獨(dú)立于運(yùn)行系統(tǒng)的煙氣深度冷卻余熱回收系統(tǒng)［3］，其中一種煙氣冷卻器的布置方案如圖1所示.從圖1可看到：在除塵器前后均布置了換熱器，并利用除塵器去除積灰和腐蝕的協(xié)同作用，經(jīng)過(guò)計(jì)算可降低煤耗1～3 g／（kW·h）.但是，此系統(tǒng)的尾部煙道受熱面存在著較大的低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此急需對(duì)其進(jìn)行研究.過(guò)去的低溫腐蝕研究大多集中在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)上［4－13］，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)耗費(fèi)大、時(shí)間長(zhǎng)，而且浸泡試驗(yàn)的結(jié)果不能令人信服，而實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)卻可以很好地解決此難題.

筆者以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，選取目前應(yīng)用較為廣泛的Corten鋼、ND鋼、316L和GR2鋼為研究對(duì)象，以20號(hào)鋼和20G鋼作為對(duì)比鋼材，分別在43℃、55℃、65℃、75℃以及85℃下對(duì)6種鋼材進(jìn)行了72h低溫腐蝕試驗(yàn).根據(jù)各鋼材在上述5個(gè)溫度下腐蝕層厚度的不同，得出腐蝕程度和溫度之間的關(guān)系，并對(duì)各鋼材的耐腐蝕性進(jìn)行了對(duì)比.本文的研究成果對(duì)火力發(fā)電廠煙氣深冷裝置的開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義，可為火力發(fā)電廠余熱利用提供一定的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)裝置與方法

圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.從圖2可知：各種氣體經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)后在混合器內(nèi)混合，金屬試樣放置于管式加熱爐中，其溫控精度為±1℃，混合氣體在高溫管式爐中被加熱后腐蝕金屬試樣，經(jīng)腐蝕后的氣體經(jīng)過(guò)NaOH吸收后排放到大氣中.混合氣體的總流量為110mL／min.

圖1 煙氣冷卻器的布置方案Fig.1 Schematic diagram for deep cooling of flue gas

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

試驗(yàn)所用的煙氣成分與內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限公司5號(hào)機(jī)組的煙氣成分相似.表1為煙氣的成分，表1中所列O2、N2、CO2以及SO2均采用標(biāo)準(zhǔn)氣體配置，而SO3和水蒸氣是根據(jù)稀溶液成分等于其飽和蒸汽成分的原理，采用稀H2SO4溶液在一定溫度下蒸發(fā)得到的.根據(jù)實(shí)際煙氣中SO3和水蒸氣的比例，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.856%的稀H2SO4溶液，再根據(jù)煙氣中水蒸氣的分壓，設(shè)置電熱恒溫箱的溫度為58.6℃，用于得到相應(yīng)的SO3和水蒸氣，SO3和水蒸氣是由N2帶出來(lái)的.由煙氣成分可得出水的露點(diǎn)為44℃，選取管式加熱爐的試驗(yàn)溫度分別為35℃、43℃、55℃、65℃、75℃和85℃，腐蝕時(shí)間為72h.

為保證SO3和水蒸氣不凝結(jié)，將混合裝置也放在電熱恒溫箱中.連接電熱恒溫箱和管式加熱爐的硅膠管外纏有溫控裝置和保溫裝置，包括熱電偶、加熱帶以及保溫石棉繩，設(shè)置熱電偶的溫度為44℃，以保證煙氣在進(jìn)入管式爐之前溫度高于水露點(diǎn).

表1 煙氣的成分Tab.1 Flue gas composition %

試驗(yàn)材料的化學(xué)成分列于表2.在試驗(yàn)時(shí)，將材料切割成8mm×8mm×3mm，并依次經(jīng)400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)、1 000號(hào)和1 200號(hào)砂紙打磨，然后采用超聲波清洗機(jī)振蕩，采用丙酮溶液去除表面油漬后進(jìn)行干燥保存.試驗(yàn)結(jié)束后，用牙托粉將試樣澆鑄起來(lái)，再進(jìn)行打磨和分析.

表2 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of test materials %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為各材料金屬溫度與腐蝕層厚度間的關(guān)系.從圖3可以看出：各材料的腐蝕曲線均呈現(xiàn)先降低后升高再降低、再升高再降低的趨勢(shì)，不過(guò)各材料腐蝕曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)有所不同，Corten鋼的第二個(gè)溫度降低點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)，說(shuō)明其不在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，而且水露點(diǎn)以下的腐蝕速率大大高于水露點(diǎn)以上的腐蝕速率.第一個(gè)腐蝕最低點(diǎn)溫度：Corten鋼為75℃，GR2鋼為55℃，其余材料均為65℃；第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度：Corten鋼未出現(xiàn)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度，GR2鋼的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度為70℃，其余材料均為75℃.

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是壁溫在水露點(diǎn)以下時(shí)，大量的水與酸凝結(jié)，再加上其他酸性氣體也溶于水中，因此腐蝕速率很高；壁溫在水露點(diǎn)以上時(shí)，只有濃硫酸凝結(jié)，因此腐蝕速率大大降低，且隨著壁溫的升高，凝結(jié)酸的濃度不斷增大，反應(yīng)活性降低，而且酸量也減少，因此腐蝕速率隨著壁溫的升高而降低；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，雖然酸量減少，硫酸濃度升高，但是由于壁溫的升高，因而提高了反應(yīng)活性，所以其腐蝕速率隨著壁溫的升高而加大［12］.

圖4為各材料腐蝕層厚度對(duì)比.從圖4可以看出：GR2鋼的抗腐蝕能力最強(qiáng)，但是鈦鋼的成本太高；Corten鋼在65℃以下時(shí)，抗腐蝕性不強(qiáng)，65℃以上時(shí)耐腐蝕性較強(qiáng)；ND鋼與316L鋼的抗腐蝕能力均較強(qiáng)，但ND鋼的耐腐蝕性稍好于316L鋼；20號(hào)鋼與20G鋼由于不是耐腐蝕鋼，抗腐蝕能力均較弱，但20G鋼的耐腐蝕性強(qiáng)于20號(hào)鋼.綜合看，6種材料的耐腐蝕強(qiáng)度依次為：GR2鋼＞ND鋼＞316L鋼＞Corten鋼＞20G鋼＞20號(hào)鋼.

由于大部分材料在65℃時(shí)腐蝕較輕，且65℃以上的腐蝕也處于可接受的范圍，因此本文推薦冷卻裝置的最低工作溫度為65℃.此時(shí)，Corten鋼、ND鋼與316L鋼的抗腐蝕能力都很強(qiáng)，為了安全，推薦ND鋼與316L鋼，但由于ND鋼的價(jià)格比316L便宜很多，因此筆者推薦ND鋼為首選材料.

圖3 各材料金屬溫度與腐蝕層厚度間的關(guān)系Fig.3 Temperature vs.corrosion depth for various materials

圖4 各材料的腐蝕層厚度對(duì)比Fig.4 Comparison of corrosion depth among different materials

3 結(jié) 論

（1）Corten鋼、ND 鋼、316L鋼、20號(hào)鋼、20G 鋼和GR2鋼的腐蝕曲線都呈現(xiàn)先降低后升高再降低、再升高再降低的趨勢(shì)，但各材料腐蝕曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)有所不同，Corten鋼的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)不在本試驗(yàn)范圍內(nèi).

（2）上述6種材料的抗腐蝕強(qiáng)度依次為：GR2鋼＞ND鋼＞316L鋼＞Corten鋼＞20G鋼＞20號(hào)鋼.

（3）推薦因煙氣冷卻器裝置的壁溫高于65℃，煙氣冷卻器的首選材料為ND鋼.

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