工業(yè)鍋爐低溫腐蝕研究（安全）
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工業(yè)鍋爐低溫腐蝕研究（安全）
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'C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 中圖分類號：X933.2
文章編號：1673_257X(2016)06r0060_04 DOI: 10. 3969/j .issn .1673-257X. 2016. 06. 015
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。其損傷機理如下：
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、空氣預熱器、排風扇等低溫受熱面，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，進而加大引風機的電耗，不利于鍋爐正常運行。
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。
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：
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：
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。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。
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。
隨著過量空氣系數(shù)增大，露點溫度有所減低，當過量空氣系數(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。
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）。
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。
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。
目前多數(shù)有色金屬均已發(fā)展出相應的耐腐蝕合金材料，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，在提高材料力學強度的同時，仍保證石墨本身優(yōu)良的導熱性能（見表6）。
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80%～l0%。
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，d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。
