工業(yè)鍋爐低溫腐蝕研究

陸 倩

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院 南通 226001）

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工業(yè)鍋爐低溫腐蝕研究

陸 倩

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院 南通 226001）

摘 要：隨著鍋爐節(jié)能要求日趨嚴格，鍋爐排煙溫度降低，尾部低溫受熱面腐蝕嚴重。本文通過理論公式計算，研究燃料類型、過量空氣系數(shù)以及燃料含硫量對酸露點溫度的影響，確定燃料含硫量對酸露點溫度影響最為明顯，硫元素含量下降2%，酸露點溫度下降30℃以上。因此，燃料脫硫與防腐材料的合理利用，可以在保證合理的排煙溫度和鍋爐條件下，避免低溫腐蝕發(fā)生。

關(guān)鍵詞：低溫腐蝕 酸露點 燃料脫硫 耐腐材料

1 鍋爐低溫腐蝕問題

在GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》中定義煙氣露點腐蝕，為燃料燃燒時燃料中的硫和氯類物質(zhì)形成二氧化硫、三氧化硫和氯化氫，低溫（露點及以下）遇水蒸氣形成酸從而對金屬造成的腐蝕［1］。其損傷機理如下：

1） 煙氣中的硫或氯→SO2（SO3）或HCl

稀硫酸蒸汽在鍋爐尾部換熱設(shè)備壁面溫度低于露點溫度時，會凝結(jié)在換熱器壁面上產(chǎn)生酸腐蝕，主要發(fā)生在鍋爐的省煤器、空氣預(yù)熱器、排風(fēng)扇等低溫受熱面，表現(xiàn)為大面積的寬淺蝕坑，形態(tài)取決于硫燃燒后凝結(jié)時形成的酸性產(chǎn)物。此外，煙氣中飛灰粘結(jié)在結(jié)露的受熱面上和腐蝕剝落的鐵銹粘附形成堵灰，堵塞了煙氣通道，增加煙氣阻力，進而加大引風(fēng)機的電耗，不利于鍋爐正常運行［2］。

然而，考慮到鍋爐本身的運行效率，以及余熱鍋爐、冷凝鍋爐等新型節(jié)能鍋爐的推廣使用，需要將鍋爐尾部排煙溫度控制在較低的溫度范圍內(nèi)，因此，正確計算煙氣的酸露點溫度，設(shè)計合理的鍋爐排煙溫度，對鍋爐運行時兼顧經(jīng)濟性與安全性至關(guān)重要。

2 低溫腐蝕露點理論計算

鍋爐低溫腐蝕的酸露點研究方法較為多樣，主要采用理論計算（公式法和圖表法），由于工程經(jīng)驗不同，相關(guān)系數(shù)或者曲線形式也不盡相同，本文研究中主要運用實踐多年的公式1973年蘇聯(lián)標準估算酸露點［3］。

計算鍋爐酸露點前，首先需要確定水露點溫度，即尾部煙氣中水蒸氣的冷凝溫度，一般結(jié)合飽和蒸汽性質(zhì)，通過水蒸氣所占分壓或者體積份額計算得出，本文通過計算煙氣中各組分的組成，確定水蒸氣體積份額，進而計算出鍋爐煙氣水露點溫度：

理論空氣量：

各成分體積：

水露點計算：

式中：

Tw——水蒸氣露點，單位℃；

γH2O——水蒸氣份額。

在此基礎(chǔ)上，通過公式1973年蘇聯(lián)標準（簡稱為73公式）進一步計算酸露點溫度：

式中：

Ts——酸露點，單位℃；

β——與過量空氣系數(shù)相關(guān)，常用125；

3 影響酸露點溫度的主要因素

針對目前南通市多臺鍋爐的實際運行狀況，結(jié)合選定的酸露點估算方法，本文重點比較燃料類型、燃料含硫量、過量空氣系數(shù)這三個重要因素對鍋爐酸露點的影響，從而為鍋爐使用單位推薦合理的排煙溫度，保證鍋爐安全的基礎(chǔ)上高效運行。

3.1 燃料類型對酸露點的影響

表1是南通市常用三大類燃料——二類煙煤、柴油以及天然氣中各類元素的質(zhì)量組成及低熱值：

表1 各類燃料質(zhì)量組成及低熱值

根據(jù)TSG G0002—2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》第二章第九條，排煙處過量空氣系數(shù)如下要求：層燃燃煤工業(yè)鍋爐過量空氣系數(shù)不大于1.65，正（負）壓燃油（氣）鍋爐過量空氣系數(shù)則在1.15～1.25之間［4］。因此比較不同燃料影響時，結(jié)合不同爐型設(shè)計特點，選取燃煤鍋爐過量空氣系數(shù)為1.65，燃油（氣）鍋爐過量空氣系數(shù)為1.2，計算得到結(jié)果見表2。

圖1 不同類型燃料對應(yīng)露點

表2 不同類型燃料對應(yīng)露點

比較計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各類燃料中氫、硫元素含量明顯不同，酸露點差距也較為明顯，使用天然氣作為燃料時，由于氫元素含量較高，煙氣中水蒸氣體積份額較大，水露點溫度相對較高，達到56℃，但硫元素含量較低，且不受到灰分因素影響，因此最終天然氣鍋爐的酸露點低于燃煤與燃油鍋爐，僅為75℃，說明在相近的排煙溫度條件下，天然氣鍋爐受到低溫腐蝕侵害較小。

3.2 過量空氣系數(shù)對酸露點的影響

考慮鍋爐的運行狀態(tài)不同，分別按照過量空氣系數(shù)1.3、1.6、1.9、2.2計算燃煤鍋爐的酸露點溫度，見表3。

表3 不同過量空氣系數(shù)對應(yīng)露點

隨著過量空氣系數(shù)增大，露點溫度有所減低，當(dāng)過量空氣系數(shù)從1.3增加大2.2，水露點溫度從43℃降低到34℃，酸露點溫度從132℃降低到123℃，均降低9℃左右，見圖2，與不同燃料酸露點溫度差距達到60℃相比，過量空氣系數(shù)對酸露點影響較小，且增大過量空氣系數(shù)對鍋爐運行效率將產(chǎn)生不利影響。

圖2 不同過量空氣系數(shù)對應(yīng)露點

3.3 燃料含硫量的影響

針對燃煤鍋爐，按照表4調(diào)整碳元素、硫元素的比例，不考慮對燃料低熱值的影響，過量空氣系數(shù)仍然按照1.3計算，分析燃料中硫元素含量對于酸露點溫度的影響（見表5）。

表4 燃煤碳、硫元素比例調(diào)節(jié)

表5 不同硫元素含量對應(yīng)露點

計算結(jié)果表明，燃料中硫元素的含量是影響酸露點溫度變化的關(guān)鍵，當(dāng)燃料中硫元素含量從2.94%降低到0.94%，水露點溫度基本保持在43℃左右，但酸露點溫度卻從146℃迅速降低到112℃，溫度變化達到30℃，見圖3，說明合理降低燃料的含硫量有利于降低酸露點溫度，保證鍋爐在較低的排煙溫度條件下，仍能有效避免低溫腐蝕問題。

圖3 不同硫元素含量對應(yīng)露點

4 常用耐腐蝕材料

除了對燃料進行脫硫處理這項有效措施以外，此外還有提高省煤器入口管壁溫度、選用耐腐蝕材料制作省煤器、增加中間聯(lián)箱等方式，來改善排煙尾部的低溫腐蝕問題。因此，尾部受熱面的耐腐蝕研究同樣重要。為解決材料腐蝕問題，可以從三個方面著手：1）材料本身，即合理選材，如提高金屬純度，添加合金元素或進行熱處理；2）界面方面，包括表面處理及涂、鍍層技術(shù)；3）環(huán)境方面，添加緩蝕劑及消除、減輕機械作用和生物作用等，圖4是常用的耐腐蝕材料分類。

圖4 常用耐腐蝕材料分類

目前多數(shù)有色金屬均已發(fā)展出相應(yīng)的耐腐蝕合金材料，尤其是鎳基合金和鈦合金，適用于高溫工作的易腐蝕區(qū)域，但這類金屬合金價格較為高昂，大量應(yīng)用于冷凝鍋爐低溫受熱面將造成制造成本的大幅增長，而常用的低溫受熱面材料不銹鋼與鑄鋁，前者導(dǎo)熱系數(shù)較低，且不耐氯離子腐蝕，后者則需要采取一定表面處理工藝，耐磨性能相對較差。對金屬材料無法同時滿足導(dǎo)熱佳、耐磨好以及經(jīng)濟性等低溫受熱面使用要求的現(xiàn)狀，具有針對性的石墨非金屬材料研究相應(yīng)發(fā)展。

石墨設(shè)備在氯堿、磷酸鹽、氫氟酸、硫酸等化工工業(yè)中的優(yōu)良防腐性能得到充分證明。常用人造石墨在隔絕空氣焙燒保溫石墨化處理過程中，有機物氣態(tài)逸出，材料呈現(xiàn)多孔性能，無法滿足容器使用要求，因此需要采取多遍樹脂浸漬和固化工藝，填塞石墨孔隙，加工成新型浸漬不透性石墨，在提高材料力學(xué)強度的同時，仍保證石墨本身優(yōu)良的導(dǎo)熱性能（見表6）。

表6 不同材料高溫導(dǎo)熱系數(shù)

通過充分利用材料的耐腐蝕性能，將鍋爐尾部排煙溫度降低至酸露點溫度以下，可以充分利用煙氣排放的余熱，提高工業(yè)鍋爐的運行熱效率。研究表明，采用石墨材料加裝鍋爐尾部低溫受熱面，將工業(yè)鍋爐排煙溫度降低至90℃以下，可以提高鍋爐運行熱效率8%～10%［5］。

5 總結(jié)

本文針對鍋爐尾部低溫受熱面腐蝕問題，按照理論酸露點計算方法，比較燃料類型、過量空氣系數(shù)以及燃料含硫量對酸露點溫度的影響，并分析目前低溫受熱面材料的選取，得到以下結(jié)論：

1）燃料種類不同，酸露點溫度差異可以達到60℃，天然氣鍋爐與燃煤鍋爐相比，由于燃料中氫元素含量較高、硫元素含量較低，水露點溫度高而酸露點溫度低。

2）過量空氣系數(shù)對酸露點溫度影響較小，α從1.3增加到2.2，露點溫度僅降低9℃，且會反作用于鍋爐運行效率。

3）燃料中硫元素的含量明顯酸露點溫度變化，含硫量降低2%左右，酸露點溫度下降超過30℃，因此采取燃料脫硫措施是降低酸露點，避免低溫腐蝕的有效措施。

4）通過選擇合理的受熱面耐蝕材料，可以在保證鍋爐安全運行的基礎(chǔ)上，通過降低排煙溫度利用余熱，提高鍋爐運行效率。

參考文獻

［1］ GB/T 30579—2014 承壓設(shè)備損傷模式識別［S］.

［2］ 張基標，郝衛(wèi)，趙之軍，等.鍋爐煙氣低溫腐蝕的理論研究和工程實踐［J］.動力工程學(xué)報，2011，10：730-733.

［3］ 蔣安眾，王罡，石書雨，等.鍋爐煙氣酸露點溫度計算公式的研究［J］.鍋爐技術(shù)，2009，5：11-17.

［4］ TSG G0002—2010 鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程［S］.

［5］ 徐慎忠，劉文卜，陸倩.石墨換熱元件與天然氣冷凝鍋爐的研發(fā)［C］.2012年全國特種設(shè)備安全與節(jié)能學(xué)術(shù)會議，2012.

Study on Low-temperature Corrosion of Industrial Boiler

Lu Qian
（Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute Nantong 226011）

AbstractWith the increasing requirements of boiler energy saving， the flue gas temperature was reduced，and the low temperature corrosion in tail heating surface was serious. In this paper， the influence of fuel type， excess air ratio and fuel sulfur content on the dew point temperature was researched by theoretical formula. It was pointed that the fuel sulfur content could significantly affect acid dew point temperature. If the sulfur content decreased 2%，the acid dew point temperature dropped more than 30℃. Therefore， the rational use of fuel desulfurization and anticorrosion material， can avoid low temperature corrosion under the reasonable condition of exhaust temperature.

KeywordsLow-temperature corrosion Acid dew point Fuel desulfurization Corrosion-resistant materials中圖分類號： X933.2

文獻標識碼：B

作者簡介：陸倩（1987～），女，碩士，工程師，從事特種設(shè)備檢驗工作。

收稿日期：（2015-11-03）

文章編號：1673-257X（2016）06-0060-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.015