余熱鍋爐省煤器壁腐蝕形成機(jī)理的研究

余熱鍋爐省煤器壁腐蝕形成機(jī)理的研究

在鋁廠和鋼渣的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的高堿耗。這些高堿耗具有溫度高、流量高的特點(diǎn)。為了提高屋頂?shù)睦寐?，防止污染，通常在爐尾放置殘余爐，以回收和利用高堿耗。通常，鋁廠的原料石油焦含有大量的腐蝕硫氧化物（通常為so2）。如果將還原爐中的氣、so2中的部分氧化，則將其分解為so3。如果so2和so3等酸性氣體通過(guò)加熱層在高溫下燃燒，這些酸氣體通過(guò)管道裝飾層中滲透，與管道氧化一起腐蝕和反應(yīng)，然后與管道金屬反應(yīng)，破壞冷容量和高溫的加熱表面。隨著煤氣機(jī)的流動(dòng)，煤氣機(jī)so3與蒸汽結(jié)合產(chǎn)生硫酸蒸汽，并在低溫表面上結(jié)露，形成硫酸溶液。硫酸溶液與堿性灰或金屬管道反應(yīng)產(chǎn)生的金屬管道反應(yīng)產(chǎn)生硫酸溶液。這種腐蝕通常發(fā)生在省煤器上，是一種低溫腐蝕。嚴(yán)重的情況下，省煤器部分可能發(fā)生爆管泄漏。省煤器管道損壞后，又開(kāi)始形成焦。焦結(jié)好后，由于省煤器管道換熱效果的削弱，殘余鍋爐的供水參數(shù)降低，最終燃燒鍋爐的輸出參數(shù)降低，嚴(yán)重影響了鍋爐效率。作者研究了我國(guó)某鋁廠余爐的低溫腐蝕，并討論了低溫腐蝕的形成和機(jī)制。1余熱鍋爐及省煤器管線腐蝕情況國(guó)內(nèi)某鋁廠碳素生產(chǎn)過(guò)程使用回轉(zhuǎn)式煅燒窯(見(jiàn)圖1)對(duì)石油焦進(jìn)行煅燒,原料石油焦供給量為30t/h,天然氣供應(yīng)量為100m3/h,一次風(fēng)量為1300～1400m3/h,二次風(fēng)量為2500m3/h,三次風(fēng)量根據(jù)煅燒窯的運(yùn)行狀況調(diào)整,測(cè)量值波動(dòng)較大不易統(tǒng)計(jì).天然氣燃燒供應(yīng)煉焦所需熱量,燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣,經(jīng)過(guò)煅燒窯后,攜帶煉焦所產(chǎn)生的高溫尾氣經(jīng)焚燒爐進(jìn)入余熱鍋爐.該鋁廠余熱鍋爐為杭州鍋爐廠制造的Q169/1200-100-1.6/300型余熱鍋爐,設(shè)計(jì)參數(shù)如下:主蒸汽壓力為1.6MPa、主蒸汽溫度為300℃、鍋爐蒸發(fā)量為100t/h,進(jìn)口煙氣溫度為1200℃,以上參數(shù)是依據(jù)煅燒窯出口煙氣參數(shù)條件設(shè)計(jì)的.余熱鍋爐尾部煙道布置脫硫塔脫除煙氣中的SO2,以達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn).原料石油焦及煅燒后石油焦的X射線熒光(XRF)分析結(jié)果示于表1.原料石油焦硫的含量高達(dá)5.17%,屬于高硫劣質(zhì)石油焦,經(jīng)過(guò)煅燒窯煅燒后,硫的含量降低至4.51%,因此,煅燒后必然有大量的含硫化合物進(jìn)入余熱鍋爐.該余熱鍋爐在運(yùn)行一段時(shí)間后,省煤器管壁發(fā)生腐蝕,腐蝕情況示于圖2.取省煤器樣管進(jìn)行斷面磨制,將金屬和焦體一起鏡面磨樣(圖3).采用日本電子(JEOL)公司JSM-6700F型掃描電鏡對(duì)斷面結(jié)焦及腐蝕形態(tài)進(jìn)行表征.結(jié)焦物質(zhì)的成分通過(guò)日本理學(xué)D/max2400X射線衍射儀(XRD)確定,管電壓為40kV,管電流為100mA,掃描范圍為10°～80°.試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行2次,樣品特征峰通過(guò)JADE5軟件包與標(biāo)準(zhǔn)峰進(jìn)行對(duì)比.2結(jié)果與討論2.1省煤器試樣腐蝕的檢測(cè)圖4為樣品的總體掃描電鏡(SEM)圖片、結(jié)焦與管壁分界面的SEM圖.圖5為省煤器樣管的X射線能譜儀(EDS)掃描結(jié)果.從圖4(a)和圖4(b)可以看出:省煤器樣管的管壁表面已發(fā)生低溫腐蝕.由圖5可知,在0～550μm段,對(duì)應(yīng)于管壁表面的結(jié)焦體,其主要元素為Fe、S和O,可以推斷,粘附在省煤器管壁表面的腐蝕部分主要是Fe、S和O的化合物;而550μm后是省煤器樣管金屬管壁,550μm以后樣管的S和O含量極少,Fe元素的含量極高.2.2高溫腐蝕.低溫腐蝕.省煤器樣管的SEM-EDS分析表明:腐蝕物質(zhì)的主要成分是S、O和Fe的化合物.為進(jìn)一步驗(yàn)證SEM的結(jié)果,并確定腐蝕層的具體成分,對(duì)省煤器管壁的腐蝕物質(zhì)取樣,并進(jìn)行XRD檢測(cè),結(jié)果示于圖6.從省煤器管壁腐蝕層的XRD結(jié)果可以看出,腐蝕層主要成分是FeSO4·H2O,且XRD結(jié)果與SEM結(jié)果一致.在原料石油焦的元素分析中,硫含量高達(dá)5.17%,鍛燒后石油焦的硫含量為4.51%,經(jīng)過(guò)煅燒窯形成的高溫尾氣中必然含有大量的SO2,高濃度SO2進(jìn)入余熱鍋爐時(shí)會(huì)對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行造成危害.在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,天然氣的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣,水蒸氣經(jīng)過(guò)煅燒窯進(jìn)入余熱鍋爐,而石油焦的提純過(guò)程由于處于還原性氣氛,基本不產(chǎn)生水蒸氣.大量的水蒸氣是余熱鍋爐中硫酸蒸汽形成的重要條件.經(jīng)過(guò)煅燒窯后,一部分SO2被氧化成SO3,煙氣中SO3的含量與石油焦原料、甚至原油中的硫含量都有很大關(guān)系.尾氣經(jīng)焚燒段進(jìn)入余熱鍋爐后,在高溫情況下,SO3或者SO2氣體不會(huì)或者輕微對(duì)金屬造成腐蝕.當(dāng)煙氣進(jìn)入省煤器后,由于省煤器區(qū)域溫度較低,SO3與煙氣中的水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸汽,隨著煙氣的流動(dòng)和管壁溫度的進(jìn)一步降低,當(dāng)管壁溫度降至硫酸蒸汽的露點(diǎn)溫度時(shí),硫酸蒸汽逐漸凝結(jié)在管壁,并開(kāi)始腐蝕管壁,即低溫腐蝕.低溫腐蝕發(fā)生后,硫酸蒸汽不斷在省煤器管壁凝結(jié),并腐蝕管壁形成FeSO4,FeSO4具有吸潮性,而天然氣燃燒過(guò)程產(chǎn)生大量水蒸氣進(jìn)入余熱鍋爐,FeSO4吸收煙氣中的水蒸氣生成FeSO4·H2O.低溫腐蝕形成的腐蝕層容易脫落,而煙氣的沖刷使得管壁的腐蝕層脫落并在其上形成新的腐蝕層,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中,由于低溫腐蝕的原因,管壁不斷減薄,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆管泄露.綜上所述,低溫腐蝕是影響鋁廠余熱鍋爐運(yùn)行的重要因素之一,提高省煤器管壁溫度或者使用抗腐蝕材料制成的省煤器管,可以防止硫酸蒸汽的凝結(jié),進(jìn)而防止低溫腐蝕的發(fā)生.3省煤器管壁腐蝕層原因分析(1)石油焦的高含硫量以及省煤器管壁溫度過(guò)低是引起低溫腐蝕最主