自身返堿重灰蒸汽煅燒爐爐體腐蝕的探討

邢成科，孟慶華

（1.連云港市招標投標中心，江蘇 連云港 222000；2.連云港堿廠，江蘇 連云港 222042）

連云港堿廠原有兩臺φ3200×20000mm自身返堿重灰蒸汽煅燒爐，爐體材質為Q235A，于1987年安裝，1990年投入使用。自2000年，爐體前部分開始出現(xiàn)腐蝕，腐蝕導致爐體漏堿、加熱管管架固定困難，加熱管頻繁損壞。從2006開始，先后進行了爐體外部加鋼板焊接、爐體內部加鋼板焊接、爐體前4m更換、爐內襯不銹鋼護板等一系列工作，但是依然無法解決爐體的腐蝕，2015年3月進行兩臺重灰煅燒爐整體更換。重灰爐爐體腐蝕不同于一般純堿設備的腐蝕，比較有特點和規(guī)律性，國內一些純堿生產(chǎn)企業(yè)也出現(xiàn)類似問題，甚至近幾年新安裝投用的自身返堿重灰爐在使用5～6年后也出現(xiàn)了同樣情況。所以爐體腐蝕研究和如何解決這個問題非常有必要。

本文主要結合連云港堿廠原有的兩臺自身返堿重灰蒸汽煅燒爐爐體腐蝕情況進行分析探討，找出對策，對國內類似重灰爐的使用提供一些幫助。

1 重灰爐爐體腐蝕的特點和規(guī)律

1.1 自身返堿煅燒爐爐體的結構

重灰生產(chǎn)的煅燒工序需要部分成品堿與水合后的一水堿充分混合后輸送至重灰爐內進行加熱處理，這樣可以避免“粘爐”的產(chǎn)生。自身返堿型重灰爐就是在爐體外側沿著爐體外壁，呈螺旋狀焊接方管做成返堿通道，利用爐體轉動時產(chǎn)生的落差，將爐尾的成品重灰沿著返堿通道輸送至爐頭，再與一水堿充分混合。自身返堿煅燒爐與外返堿煅燒爐相比較，其優(yōu)點是利用爐體轉動特點完成了返堿的輸送，取消了返堿刮板、預混器等設備，同時對爐體密封也有一定的好處，所以在國內得以大量使用。

自身返堿煅燒爐爐體按照物料輸送順序主要有進料段、混合段、加熱段、出料段四個部分。

圖1 爐體結構圖

1.2 腐蝕的具體情況

爐體的腐蝕開始不是很明顯，越到后期腐蝕越加劇，圖2、圖3是我廠煅燒爐檢修時爐體的狀況。

從圖2、圖3可以看出重灰爐爐體的腐蝕并不是爐體所有的部位都腐蝕，有一定特點和規(guī)律：①爐體的前部腐蝕嚴重，特別在從混合段開始向爐尾逐漸延伸，前4m處最為嚴重，在前滾圈后2m處，基本沒有腐蝕，爐尾處的爐體情況良好，沒有腐蝕現(xiàn)象；②前部爐體腐蝕有個非常顯著的特點，就是返堿道的正底部幾乎沒有腐蝕，而兩個返堿道之間腐蝕非常嚴重，越偏離返堿道腐蝕越嚴重，兩個返堿道中間的爐體很多處都已腐蝕透穿；③去掉加熱管后，在爐子內部可以很清晰看出腐蝕痕跡呈四條螺旋帶狀；④銹蝕的表面呈蜂窩狀。

圖2 爐體腐蝕圖

圖3 嚴重處已經(jīng)透穿

1.3 爐體腐蝕后對運行造成的影響

在爐體腐蝕的初期，由于不是太明顯，加上堿疤及堿塵覆蓋，很難在意。當腐蝕一段時間后，會出現(xiàn)以下幾個方面的影響：①加熱管管架脫落，這點是爐體腐蝕后造成的最嚴重的影響。管架與爐體安裝時是焊接制作，爐體腐蝕后管架固定失效，加熱管失去固定，導致了加熱管頻繁斷裂，而且管架后期安裝非常困難，需將加熱管完全拆除后方能實施。②混合段的抄板脫落。由于爐體腐蝕加上抄板自身的腐蝕，抄板脫落非常頻繁，造成的后果就是爐內物料混合不均勻，脫落后的抄板對后系統(tǒng)造成堵停和破壞。③爐體漏堿。這個問題不僅導致了物料的損耗，污染現(xiàn)場，而且漏堿部分經(jīng)常在滾圈附近，散落的物料落在托輪上時，造成了滾圈和托輪之間的潤滑失效，滾圈和托輪表面磨損加劇，同時造成煅燒爐上下竄動異常，難以調節(jié)。④對設備的安全運轉造成影響，如果腐蝕嚴重，在生產(chǎn)運行中，巨大的扭矩有可能造成爐體的斷裂，造成的后果是具有災難性的。

2 重灰爐爐體腐蝕的分析研究

2.1 前期國內類似情況及研究

自身返堿重灰蒸汽煅燒爐爐體的腐蝕不僅僅在連云港堿廠出現(xiàn)，國內其他堿廠也出現(xiàn)過類似的情況，甚至一些新建的堿廠在使用5～6年后也出現(xiàn)了同樣情況。在第十一屆純堿學術年會上，唐山堿廠《自返堿蒸汽煅燒爐在重灰生產(chǎn)中的完善和發(fā)展》的第4部分就提到了“頭部的加熱管、管架及爐殼體都腐蝕嚴重”；爐體的腐蝕在煅燒爐運行一段時間后，或多或少的出現(xiàn)了類似情況，大部分的觀點是爐頭溫度不夠，通過延長加熱管等方法來提高爐頭溫度，以此來減緩爐體的腐蝕，但是效果不是太明顯。重灰爐爐體腐蝕這種情況在外返堿的輕灰爐上沒有出現(xiàn)，所以爐體腐蝕的原因還需進一步深入分析和探討。

2.2 重灰爐爐體腐蝕的初步分析

研究重灰爐爐體腐蝕的原因，首先應該分析爐頭部分物料的組成成分。采用固相水合法生產(chǎn)重灰使用的是水合機，從水合機出來的一水碳酸鈉含有一定量的游離水，加上Na2CO3·H2O中的結晶水，含水量達到20%～24%左右。為防止爐內結疤，改善爐內物料的流動性，還需部分返堿，返堿比例大約控制在1.10～1.5的范圍內。返堿和一水碳酸鈉主要在爐內混合段充分混合。我廠重灰爐生產(chǎn)進汽壓力為1.0～1.25MPa，進汽溫度為200～250℃，進爐一水碳酸鈉溫度為80℃，出堿溫度為160℃。

通過查閱部分資料及結合現(xiàn)場情況分析，初步認為重灰爐爐體腐蝕除了和常規(guī)的腐蝕類同外，還與溫度、氨氣、物料含水量等額外的因素有關。

2.3 爐體腐蝕的化學分析

重灰爐通常采用碳鋼制作，爐體腐蝕后的產(chǎn)物多是Fe2O3，但是在煅燒爐內存在大量的水分，當水分過大，同時存在一定溫度時，爐體的腐蝕化學方程式為：

2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe（OH）2

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O＝4Fe（OH）3

在強堿性和有水存在的條件下，鐵和堿發(fā)生腐蝕反應：

2Fe＋4NaOH＋4H2O＝2Na2FeO4＋6H2

通過以上方程式可以看出，水的存在對爐體腐蝕產(chǎn)生了非常重要的影響。

在爐體外側，返堿道中的重灰約160℃，熱重灰沿著返堿道移動過程中可以將爐體加熱，內側上的水分不易凝結在爐壁上，減少水分和爐體接觸時間。另一個重要因素是重灰爐爐體保溫，特別是使用時間過久的煅燒爐，爐體保溫層如果沒有得到充分的重視，溫差過大也容易導致水分在兩個返堿道中間的區(qū)域凝結。這樣，爐體在上述化學反應中返堿道底部的腐蝕速度減慢，腐蝕降低；相反，兩個返堿道之間的區(qū)域腐蝕加劇，而且越是遠離返堿道的區(qū)域，腐蝕越是嚴重。

2.4 爐頭腐蝕比爐尾腐蝕嚴重的原因分析

為什么爐頭腐蝕較爐尾嚴重？這主要與重灰爐生產(chǎn)工藝有關，返堿和一水堿在爐頭混合段經(jīng)過抄板均勻攪拌后，再輸送到爐尾。爐頭混合堿水分很高，爐溫低，加熱時水蒸汽凝結在爐壁上；而爐尾的堿已加熱完畢，幾乎沒有水分，爐壁比較干燥，所以爐頭爐體比爐尾腐蝕嚴重。

2.5 后期爐體腐蝕加劇的原因分析

當爐體表面腐蝕后，表面形成了高低不平，呈蜂窩狀，在微觀下觀看，可以看到存在一些毛細現(xiàn)象，毛細中吸收了水和堿，這些都是腐蝕的“催化劑”，形成了惡性循環(huán)，加劇了爐體的腐蝕。同時蜂窩狀的高低面擴大了腐蝕面積，也加劇了后期腐蝕的速度。這就是為什么爐體腐蝕在后期速度比前期快很多的原因。

3 爐體腐蝕后的修理方法

通過以上分析和實際情況觀察，重灰爐爐體腐蝕除了和重灰生產(chǎn)的工藝有關，而且和自身返堿煅燒爐的爐體結構特點也有關。解決重灰爐爐體的腐蝕，最好的方法就是增強爐體的抗腐蝕性或者改變爐體的受熱狀況，保證爐體受熱均勻。自2004年以來，我廠在重灰爐修理中采取了各種方法，在此進行總結。

3.1 返堿道之間的爐體外覆板

在重灰爐最開始進行爐體修理中，主要是因為爐體腐蝕后出現(xiàn)了漏點，導致物料外撒。前期修理時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)漏點主要集中在兩個返堿道之間的區(qū)域，所以采用δ＝8mm厚的A3鋼板裁剪成返堿道之間區(qū)域相似的形狀進行焊接修理，焊接的初期較好，隨著外覆板與原爐體形成夾層，導致物料依然沖刷爐體和覆板，特別是覆板和爐體的焊縫處，經(jīng)常出現(xiàn)漏堿的現(xiàn)象。

3.2 更換腐蝕區(qū)域的爐體、加熱管、管架

隨著生產(chǎn)運行的推移，后期爐體的腐蝕逐步加劇，爐頭部分的加熱管管架脫落嚴重，加熱管失去了管架的固定，頻繁出現(xiàn)折斷的情況，最嚴重內排加熱管45根只剩下3根，影響了重灰的換熱效果。

通過對重灰蒸汽煅燒爐爐體腐蝕區(qū)域的分析和前期修理方案的對比，2006年決定對爐體進行更換處理，位置從前滾圈加強區(qū)至爐頭，共長4 000mm，重約5t。由于原爐體局部已腐蝕透穿，對接時無法施焊，所以在四處原爐體壁厚減薄處用厚度為10 mm的圓弧鋼板進行加強處理（即在新舊爐體對接口兩側無返堿道處進行包板補強），共計8m2。最后組焊爐體上的返堿道。在此次爐體更換的過程中，將抄板與爐體的焊接方式改為螺旋狀；將管架由原來的板式結構改為柵欄式管架。

3.3 爐體內部增加不銹鋼襯板、管架

此后爐體腐蝕繼續(xù)加劇，特別在前4m以后的區(qū)域腐蝕嚴重，在這種情況下，2011年進行了爐內增加316L不銹鋼襯板的方式進行重灰爐爐體加固，主要采用δ＝8mm厚的316L鋼板預制成內筒體，從爐頭更換至前滾圈的加強區(qū)處，鋼板上鉆φ30圓孔，將內筒體與舊爐體進行塞焊處理。頭部加熱管同步更換，尺寸不變。加熱管管架更換為316L材質。在使用4年后，2015年對該處進行了專門的檢查，發(fā)現(xiàn)不銹鋼襯板的焊口處完全開裂，分析認為是夾層的爐體受熱膨脹系數(shù)的不同以及爐體運轉時所產(chǎn)生的扭矩所致。

圖4 襯板焊接處開焊

4 自身返堿重灰爐設計制造與維修的建議

4.1 爐體前部8m采用不銹鋼316L制作

通過2011年在爐體的前部內襯不銹鋼鋼板的經(jīng)驗進行分析后可知，解決自身返堿重灰爐爐體腐蝕的辦法可以采用抗腐蝕強的材料制作爐體，316L材料對抗腐蝕性有著良好的效果，但從經(jīng)濟成本上考慮，整臺爐制作成不銹鋼材質，價格較高，且不銹鋼材質在強度方面存在一定的缺陷。所以可以將爐體前部容易腐蝕部分采用不銹鋼制作，長度大約為8m左右，超過前滾圈位置，但在滾圈底部需做加強處理。316L材質與Q235A材質焊接性能較差，降低爐體的安全性能，所以前部的不銹鋼爐體和后面碳鋼爐體可以采用法蘭聯(lián)接，后將接口處焊接，可以滿足使用要求。此區(qū)域內的管架也應采用316L材質制作。

4.2 改變重灰爐返堿道結構，保證爐體受熱均勻

針對以上分析可知，自身返堿的重灰爐返堿道內部的返堿溫度對減緩爐體腐蝕有一定的效果，結合這種情況，可以將重灰爐的返堿道結構在爐頭部分進行改變，例如：加寬返堿道的寬度，盡可能地將爐體全覆蓋，也可以在爐頭8m區(qū)域內將爐體全覆蓋。返堿道材質一般使用δ＝4mm厚的Q235A鋼板制作，增加寬度對于爐體的負荷沒有太大的影響，但是對減緩爐體的腐蝕起到很好的作用。

4.3 將加熱管回水外延至爐體返堿道之間的區(qū)域

利用回水的溫度影響爐體的表面溫度，降低水分附著，以此減緩爐體的腐蝕。

4.4 改變前部加熱管管架的固定方式

傳統(tǒng)煅燒爐制作時，加熱管管架是焊接在爐體內壁上，這種結構導致了爐體腐蝕或者管架腐蝕后，由于加熱管的阻礙，管架更換非常困難，而且同時還要去除加熱管。改進方案：①延長加熱管管架尺寸和安裝方式，將爐內焊接固定改為爐外桶體上螺栓聯(lián)接固定，從爐外可以完成管架的更換，無需拆除加熱管。②將原整體板式結構的加熱管管架改為板條制作的格柵狀的管架，從爐體外部安裝后，充分利用加熱管之間的縫隙，從爐體內部將各柵板焊接，完成管架的安裝。③增加內圈加熱管管架壓環(huán)。加熱管管架腐蝕最為嚴重的是最內層加熱管的管架，在我廠重灰爐后兩年的生產(chǎn)中，內排加熱管的固定基本依靠增加的內圈加熱管管架壓環(huán)，利用加熱管的間隙，用圓鋼將管架穿透爐體固定住，可以在一定程度上解決加熱管管架缺失的問題（如圖5）。

圖5 爐內增設的內圈加熱管管架壓環(huán)

重灰爐爐體的腐蝕與一般的腐蝕不同，主要是和爐體所存在的環(huán)境有很大的關系，本文的探討主要是集中在日常工作問題發(fā)生后的研究與分析，比較片面，一些深層次的問題還需更進一步的探討。通過這些工作主要為了解決重灰爐在生產(chǎn)中所出現(xiàn)的問題，在重灰爐制作和使用中能夠起到幫助。

［1］ 潘鴻恩，孫錫吾.純堿生產(chǎn)設備檢修和防腐［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1991

［2］ 王楚.純堿生產(chǎn)工藝與設備計算［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1995