燃煤電廠脫硫系統(tǒng)設(shè)備腐蝕與防護(hù)技術(shù)

張立超

(國(guó)能寧夏鴛鴦湖第一發(fā)電有限公司，銀川 750001)

0 引 言

目前，SO2是造成我國(guó)大氣污染以及酸雨的主要原因，其中燃煤電廠SO2排放量約占全國(guó)SO2排放量的50%，并且所帶來的危害呈逐年遞增趨勢(shì)，因此電力企業(yè)必須予以重視。由于電廠在生產(chǎn)中會(huì)伴隨一些有毒氣體，這些氣體會(huì)通過相關(guān)的設(shè)備管路，具有很強(qiáng)的腐蝕性，并且由于吸收塔的入口處和內(nèi)腔的溫度相差很大，長(zhǎng)期處于酸性和堿性的交替狀態(tài)。從這一點(diǎn)可以看出，在電廠的脫硫設(shè)備在運(yùn)行的過程中存在著極易腐蝕的問題，所以必須采取相應(yīng)的措施來進(jìn)行優(yōu)化。

1 煙氣脫硫設(shè)備的腐蝕機(jī)理

1.1 設(shè)備的腐蝕環(huán)境

鍋爐排放的廢氣中含有大量的腐蝕性、酸性氣體，如SO2、SO3、 NOX等。在正常條件下，鍋爐中所排出的煙氣溫度較高，但是其濕度較低，而在一般情況下不會(huì)對(duì)鍋爐等金屬設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，但是樂器在脫硫脫硝的過程中，由于煙氣的整體溫度是低于濕度的飽和點(diǎn)，因此其中的水蒸汽就會(huì)凝結(jié)成為液態(tài)水與SO2、SO3等酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硫酸、亞硫酸等酸溶液，從而導(dǎo)致設(shè)備的腐蝕[1]。煙氣露點(diǎn)溫度與煙氣組分及含水量有關(guān)，露點(diǎn)較高時(shí)，水汽較容易凝結(jié)。但是由于煙氣中的SO2、SO3、 NOX等成分的存在，會(huì)使露點(diǎn)溫度升高，從而導(dǎo)致酸露點(diǎn)溫度超過100 ℃。鍋爐的煙氣在經(jīng)過換熱器的情況下，鍋爐的原煙通常冷卻到80～110℃，再進(jìn)入吸收塔中進(jìn)行石灰石漿的脫硫，使煙氣的溫度降到40～50 ℃；脫硫后的煙氣通過除霧器排出吸收塔，，在后續(xù)的過程中也會(huì)產(chǎn)生一系列的腐蝕物質(zhì)，然后發(fā)生沉淀現(xiàn)象，從而導(dǎo)致設(shè)備的腐蝕。

圖1 脫硫系統(tǒng)的工藝流程

1.2 腐蝕的主要現(xiàn)象和腐蝕機(jī)理

1.2.1 化學(xué)腐蝕

電場(chǎng)鍋爐煙氣中含有部分腐蝕性介質(zhì)，在一定溫度下它會(huì)與鋼鐵發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，從而生成一種可溶性的鐵鹽。在這種情況下就會(huì)導(dǎo)致電廠的鍋爐金屬設(shè)備受到腐蝕部分設(shè)備無法正常工作，其具體的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

Fe+SO2+H2O=FeSO3+H2

Fe+SO2+O2=FeSO4

2HC1+Fe=FeC12+H2

如果在生產(chǎn)過程中有氫氣擴(kuò)散到了金屬內(nèi)部，會(huì)發(fā)生以下的化學(xué)反應(yīng):Fe3C+2H2=3Fe+CH4

這會(huì)使得過路系統(tǒng)那一步的碳鋼出現(xiàn)脫碳，金相組織被破壞。

電化學(xué)腐蝕:濕法脫硫金屬表面有水及電解質(zhì)，形成原電池而產(chǎn)生電流，使金屬表面逐漸銹蝕。特別在焊接點(diǎn)處更易發(fā)生。

陽極(氧化):Fe→Fe2++2e

陰極(還原):O2+2H2O+4e=4OH-

Fe2++2OH=Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

Fe(OH)2+2Fe(OH)3=Fe3O4+4H2O

以上兩類反應(yīng)同時(shí)發(fā)生在防腐層脫落的金屬表面。

1.2.2 晶間腐蝕

石灰石一石膏工藝的漿液是一種堿性的溶液，它在吸收SO2后會(huì)產(chǎn)生可溶性的硫酸鈣和硫酸鈣[2]。它的溶液滲透到表面防腐層的毛細(xì)孔中，在停止使用后，由于其本身的干燥，會(huì)形成晶體狀的鹽，而體積膨脹則會(huì)引起設(shè)備本身的腐蝕物質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力，從而造成脫皮、粉化、疏松或開裂。特別是在干濕交替的情況下，晶體鹽的體積會(huì)增大數(shù)十倍，使腐蝕加劇。

1.2.3 磨損腐蝕

在煙氣脫硫中，固體脫硫劑與設(shè)備的表面發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了摩擦，并通過不斷的更新表面而使其越來越薄，從而加快了系統(tǒng)的腐蝕。

2 脫硫設(shè)備的防腐方法

2.1 材料的選擇原則

為了提高脫硫裝置的抗腐蝕能力，材料的選用是關(guān)鍵，首先所選用的防腐蝕材料必須能夠耐高溫，并能在煙氣中長(zhǎng)時(shí)間使用而不會(huì)發(fā)生老化、開裂、有一定的強(qiáng)度和韌性；第二，所選用的材料應(yīng)容易傳遞熱量，并且不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的溫差而產(chǎn)生起殼和剝落。在脫硫裝置的防腐方面，必須符合以下幾點(diǎn)：耐腐蝕材料對(duì)水蒸汽、SO2、HCI、O2及其它氣體滲透率低，耐酸、堿腐蝕，具有較強(qiáng)的抗氧化性與耐熱性、耐磨性，可以很好的與基體粘合。

2.2 適用于電廠脫硫設(shè)備的防腐材料

2.2.1 合金鋼和復(fù)合鋼板

有關(guān)研究顯示，常規(guī)的不銹鋼和抗酸鋼無法有效地保護(hù)電廠脫硫系統(tǒng)，而鎳基合金則是更好的耐酸性材料。國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家都在使用鎳基合金來保護(hù)電廠的脫硫裝置。相對(duì)于其它的防腐蝕材料，鎳基合金在施工安全、耐腐蝕、耐壓等方面都有很大的優(yōu)越性，只是成本相對(duì)較高[3]。

2.2.2 膠泥和磚板襯里

磚板襯里主要是在金屬裝置的內(nèi)部涂一層耐腐蝕膠泥，以防止腐蝕介質(zhì)與設(shè)備之間的接觸，使電廠脫硫裝置免受腐蝕。另外，由于磚板襯里具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的抗腐蝕性能，因而被廣泛使用。1950年，我國(guó)發(fā)明了磚板襯里技術(shù)，經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還開發(fā)出了大量?jī)r(jià)格低廉、但質(zhì)量?jī)?yōu)良的磚板與膠泥。目前國(guó)內(nèi)電廠脫硫裝置所用的磚板主要為鑄石板和花崗巖。然而，該裝置也存在諸多缺陷，如施工周期長(zhǎng)、設(shè)備笨重、抗震能力差等。

2.2.3 橡膠裝置

橡膠是日常生活中常用的一種材料，它的價(jià)格相對(duì)低廉，而且它的化學(xué)組成也相對(duì)穩(wěn)定，因而在許多地區(qū)得到了廣泛的使用。丁基橡膠具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，丁基橡膠的主要原材料為異丁烯、異戊二烯、氯甲烷、AlCl3催化劑，具有較低的滲透率，所以能有效地阻止水蒸氣、氧氣、二氧化硫等污染物的擴(kuò)散，不易磨損，并能有效地保護(hù)電廠的脫硫設(shè)備。丁基橡膠的生產(chǎn)配方和技術(shù)條件見表1。

表1 丁基橡膠生產(chǎn)配方及技術(shù)條件

2.2.4 玻璃鋼

玻璃鋼是一種可以使用很長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)合型材料，其具有較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，這種材料在應(yīng)用過程中具備較好的絕緣性能，強(qiáng)度也較高，而且耐腐蝕玻璃鋼，因此可以根據(jù)材料的特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，迅速成形，維護(hù)也比較容易。在1970年， 電廠的脫硫開始使用玻璃鋼材料，但是由于加入了乙烯樹脂玻璃鋼的材料，整體耐腐蝕性能得到了大大增強(qiáng)，而且出現(xiàn)了較大直徑的玻璃鋼材料，玻璃鋼的使用范圍也逐漸擴(kuò)大，在電廠的脫硫設(shè)備中也有較好的使用[4]。與世界上其它發(fā)達(dá)國(guó)家比較來說，國(guó)內(nèi)可用于電廠脫硫設(shè)備的玻璃鋼種類數(shù)量較少，且缺少評(píng)價(jià)方法和技術(shù)，從而制約了玻璃鋼制產(chǎn)品在電廠脫硫裝置中的應(yīng)用。

2.2.5 高性能的防腐蝕涂料

高性能的防腐蝕涂料是一種較為優(yōu)良的防腐蝕材料，能夠在極強(qiáng)的腐蝕性環(huán)境下工作。通過對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高性能防腐蝕涂料多為鱗片涂料。而鱗片涂料是以極薄的耐腐蝕性鱗片為主要原料，再以耐蝕樹脂為粘合劑，將二者組合而成的高效腐涂料，其結(jié)構(gòu)優(yōu)良，具有很好的防滲性。采用該鱗片涂料制成的鱗片襯層，其耐腐蝕能力強(qiáng)，施工周期短，操作簡(jiǎn)單，使用壽命較長(zhǎng)，維修成本也比較低。因此，這一技術(shù)得到了許多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，在此基礎(chǔ)上，他們開發(fā)出了許多優(yōu)良的防腐涂料，在電廠的脫硫設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 電廠脫硫設(shè)施的防腐以及防護(hù)措施

3.1 濕煙囪法

在電廠中，脫硫設(shè)備襯里一般都是采用的無機(jī)材料，如果是處于較為潮濕的環(huán)境中就會(huì)發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致襯里的使用壽命下降，因此在使用大約4～5年后就需要更換新的襯里，因此這種材料的抗腐蝕性能較差。目前國(guó)內(nèi)使用的是 WFGD設(shè)備，在此設(shè)備中，通常使用316L碳鋼等高強(qiáng)度耐腐蝕材料作為襯里的基礎(chǔ)加工材料。而在國(guó)外的一些發(fā)達(dá)地區(qū)，通常都是采用合金貼墻紙的技術(shù)，這種工藝的合金具有非常好的耐腐蝕性能，盡管采用濕煙囪工藝取得了很好的效果，但其對(duì)所采用的材料和工藝都有著較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范?，F(xiàn)階段我國(guó)的濕煙囪法設(shè)計(jì)方面仍存在一定的漏洞，而且技術(shù)方面人不成熟，因此很難解決煙囪雨的問題，因而不能推廣使用濕煙囪法。若要采用濕煙囪法，則要結(jié)合電廠的實(shí)際情況，全面考慮下列影響因素：首先，要考慮到電廠在使用中的具體能力；其次，分析煙囪的設(shè)計(jì)方案，并考慮是否可以采用這種方法；最后，要綜合考慮電廠的具體地理位置和周邊環(huán)境。在適宜的條件下采用濕煙囪法既能對(duì)電廠脫硫裝置起到防腐和防護(hù)的效果，又能有效地防止煙氣的外溢，最大限度地減少低腐蝕溶液與有害氣體對(duì)脫硫裝置帶來的腐蝕和污染。

3.2 煙塔合一法

20世紀(jì)80年代，煙塔合一法的發(fā)明與應(yīng)用最早在德國(guó)開展。所謂的“煙塔合一”，就是對(duì)煙氣脫硫，通過管道輸送到冷卻塔，最終與塔中的空氣一起排入大氣。為了達(dá)到較好的防腐蝕效果，通常將此工藝用于脫硫裝置的防腐處理，這一工藝大大簡(jiǎn)化了原有的煙氣系統(tǒng)，減少了脫硫裝置的施工和加工的費(fèi)用，不但能夠在一定程度上保護(hù)環(huán)境，而且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)具備一定規(guī)模的電廠，都選擇采用煙塔合一法進(jìn)行防腐蝕處理。煙塔合一工藝中，需要選用優(yōu)良的耐蝕材料作為煙塔內(nèi)襯的主要應(yīng)用材料，通常選用復(fù)合鋼板。這種材質(zhì)有很好的抗腐蝕性能，316L的碳鋼和鎳基合金都是很好的材質(zhì)。除以上所列的一些材料之外，玻璃鋼也可用于煙筒的襯里，并有較好的防腐蝕作用。除此之外，玻璃鋼在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用過程中可以始終維持較好的使用效果，成本也很低，也能成功適用于煙塔合一法，幫助脫硫裝置在惡劣的工作條件下不被腐蝕。

目前，國(guó)內(nèi)大部分的電廠都會(huì)采用316L鎳基合金來進(jìn)行脫硫裝置的防腐防護(hù)處理，不過由于成本太高，大部分情況下都會(huì)選用更便宜的耐腐蝕材料。從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度來看，高性能的防腐蝕涂料是目前最好的防腐蝕材料，主要有不銹鋼和玻璃鱗片兩種，玻璃鱗片的使用范圍很廣，它的耐腐蝕性也很強(qiáng)。但在實(shí)際操作中，這種材料容易出現(xiàn)磨損和脫落，使用壽命不長(zhǎng)，并且一旦脫落就需要立即進(jìn)行二次涂刷，否則會(huì)造成設(shè)備的腐蝕和破損。此外，使用玻璃鱗片進(jìn)行脫硫裝置的防腐操作時(shí)要注意的是：使用玻璃鱗片前，必須對(duì)其進(jìn)行充分、細(xì)致的偶聯(lián)劑處理，以免少量的腐蝕性微粒會(huì)滲入到襯里，對(duì)設(shè)備的基體帶來損害。同時(shí)，在涂抹時(shí)，要去除玻璃鱗片上的氣泡，以保證其良好的防腐蝕性能。最后采用真空攪拌法，科學(xué)有效地調(diào)配玻璃鱗片的調(diào)料，確保其粘合性能。

4 結(jié)束語

電廠脫硫裝置長(zhǎng)期處于高溫的環(huán)境下工作，受到的腐蝕和損耗都非常大，如果不能采取科學(xué)有效的措施進(jìn)行防腐和防護(hù)，就會(huì)導(dǎo)致脫硫設(shè)備出現(xiàn)損壞甚至報(bào)廢的情況，從而影響到整個(gè)電廠運(yùn)行的安全穩(wěn)定。因此，各發(fā)電企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)脫硫設(shè)備的防腐蝕和保護(hù)，一方面加快技術(shù)研究，減少氣體給設(shè)備帶來的損害，另一方面要選用具有成本效益的材料，盡量增強(qiáng)設(shè)備的耐腐蝕性能，保證電廠的正常運(yùn)行。