模擬氣氛下硫酸露點的腐蝕試驗研究

趙欽新， 張知翔， 杜文智， 張智超

（1.西安交通大學 熱流科學與工程教育部重點實驗室，西安710049；2.西安熱工研究院有限公司，西安710032）

截止2009年底，我國年原煤產量達30.5×108t，發電原煤為15.72×108t.對于火力發電廠，排煙熱損失是鍋爐各項熱損失中最大的一項，占鍋爐總熱損失的80%或更高［1］.據調查，我國許多電站鍋爐的排煙溫度實際運行值都高于設計值20～50℃，達到130～150℃，大量的排煙余熱可以利用［2］.

當鍋爐煙氣中含有SO3時，與水蒸氣結合生成H2SO4蒸汽，會顯著提高煙氣的露點溫度，并在低溫受熱面上凝結形成酸液，導致管壁厚度減薄直至破裂.煙氣中的飛灰與酸液混合，以比干灰高得多的黏附力粘在受熱面管壁上，采用常規清灰方式不能將其有效清除，使受熱面被積灰堵塞，鍋爐被迫停運.因此，要進一步回收利用鍋爐的排煙余熱，必須突破煙氣露點的限制，研究出露點腐蝕機理及其防護和控制措施.

西安交通大學鍋爐研究所提出了一種獨立于運行系統的煙氣深度冷卻余熱回收系統［3］，其中一種煙氣冷卻器的布置方案如圖1所示.從圖1可看到：在除塵器前后均布置了換熱器，并利用除塵器去除積灰和腐蝕的協同作用，經過計算可降低煤耗1～3 g／（kW·h）.但是，此系統的尾部煙道受熱面存在著較大的低溫腐蝕風險，因此急需對其進行研究.過去的低溫腐蝕研究大多集中在現場試驗和浸泡試驗上［4－13］，現場試驗耗費大、時間長，而且浸泡試驗的結果不能令人信服，而實驗室的模擬試驗卻可以很好地解決此難題.

筆者以試驗為基礎，選取目前應用較為廣泛的Corten鋼、ND鋼、316L和GR2鋼為研究對象，以20號鋼和20G鋼作為對比鋼材，分別在43℃、55℃、65℃、75℃以及85℃下對6種鋼材進行了72h低溫腐蝕試驗.根據各鋼材在上述5個溫度下腐蝕層厚度的不同，得出腐蝕程度和溫度之間的關系，并對各鋼材的耐腐蝕性進行了對比.本文的研究成果對火力發電廠煙氣深冷裝置的開發有一定的指導意義，可為火力發電廠余熱利用提供一定的理論依據.

1 試驗裝置與方法

圖2為試驗系統示意圖.從圖2可知：各種氣體經過質量流量計后在混合器內混合，金屬試樣放置于管式加熱爐中，其溫控精度為±1℃，混合氣體在高溫管式爐中被加熱后腐蝕金屬試樣，經腐蝕后的氣體經過NaOH吸收后排放到大氣中.混合氣體的總流量為110mL／min.

圖1 煙氣冷卻器的布置方案Fig.1 Schematic diagram for deep cooling of flue gas

圖2 試驗系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

試驗所用的煙氣成分與內蒙古大唐國際托克托發電有限公司5號機組的煙氣成分相似.表1為煙氣的成分，表1中所列O2、N2、CO2以及SO2均采用標準氣體配置，而SO3和水蒸氣是根據稀溶液成分等于其飽和蒸汽成分的原理，采用稀H2SO4溶液在一定溫度下蒸發得到的.根據實際煙氣中SO3和水蒸氣的比例，配置質量分數為0.856%的稀H2SO4溶液，再根據煙氣中水蒸氣的分壓，設置電熱恒溫箱的溫度為58.6℃，用于得到相應的SO3和水蒸氣，SO3和水蒸氣是由N2帶出來的.由煙氣成分可得出水的露點為44℃，選取管式加熱爐的試驗溫度分別為35℃、43℃、55℃、65℃、75℃和85℃，腐蝕時間為72h.

為保證SO3和水蒸氣不凝結，將混合裝置也放在電熱恒溫箱中.連接電熱恒溫箱和管式加熱爐的硅膠管外纏有溫控裝置和保溫裝置，包括熱電偶、加熱帶以及保溫石棉繩，設置熱電偶的溫度為44℃，以保證煙氣在進入管式爐之前溫度高于水露點.

表1 煙氣的成分Tab.1 Flue gas composition %

試驗材料的化學成分列于表2.在試驗時，將材料切割成8mm×8mm×3mm，并依次經400號、600號、800號、1 000號和1 200號砂紙打磨，然后采用超聲波清洗機振蕩，采用丙酮溶液去除表面油漬后進行干燥保存.試驗結束后，用牙托粉將試樣澆鑄起來，再進行打磨和分析.

表2 試驗材料的化學成分Tab.2 Chemical composition of test materials %

2 試驗結果與分析

圖3為各材料金屬溫度與腐蝕層厚度間的關系.從圖3可以看出：各材料的腐蝕曲線均呈現先降低后升高再降低、再升高再降低的趨勢，不過各材料腐蝕曲線的轉折點有所不同，Corten鋼的第二個溫度降低點沒有出現，說明其不在本試驗范圍內，而且水露點以下的腐蝕速率大大高于水露點以上的腐蝕速率.第一個腐蝕最低點溫度：Corten鋼為75℃，GR2鋼為55℃，其余材料均為65℃；第二個轉折點溫度：Corten鋼未出現第二個轉折點溫度，GR2鋼的第二個轉折點溫度為70℃，其余材料均為75℃.

出現上述現象的原因主要是壁溫在水露點以下時，大量的水與酸凝結，再加上其他酸性氣體也溶于水中，因此腐蝕速率很高；壁溫在水露點以上時，只有濃硫酸凝結，因此腐蝕速率大大降低，且隨著壁溫的升高，凝結酸的濃度不斷增大，反應活性降低，而且酸量也減少，因此腐蝕速率隨著壁溫的升高而降低；當溫度繼續升高時，雖然酸量減少，硫酸濃度升高，但是由于壁溫的升高，因而提高了反應活性，所以其腐蝕速率隨著壁溫的升高而加大［12］.

圖4為各材料腐蝕層厚度對比.從圖4可以看出：GR2鋼的抗腐蝕能力最強，但是鈦鋼的成本太高；Corten鋼在65℃以下時，抗腐蝕性不強，65℃以上時耐腐蝕性較強；ND鋼與316L鋼的抗腐蝕能力均較強，但ND鋼的耐腐蝕性稍好于316L鋼；20號鋼與20G鋼由于不是耐腐蝕鋼，抗腐蝕能力均較弱，但20G鋼的耐腐蝕性強于20號鋼.綜合看，6種材料的耐腐蝕強度依次為：GR2鋼＞ND鋼＞316L鋼＞Corten鋼＞20G鋼＞20號鋼.

由于大部分材料在65℃時腐蝕較輕，且65℃以上的腐蝕也處于可接受的范圍，因此本文推薦冷卻裝置的最低工作溫度為65℃.此時，Corten鋼、ND鋼與316L鋼的抗腐蝕能力都很強，為了安全，推薦ND鋼與316L鋼，但由于ND鋼的價格比316L便宜很多，因此筆者推薦ND鋼為首選材料.

圖3 各材料金屬溫度與腐蝕層厚度間的關系Fig.3 Temperature vs.corrosion depth for various materials

圖4 各材料的腐蝕層厚度對比Fig.4 Comparison of corrosion depth among different materials

3 結 論

（1）Corten鋼、ND 鋼、316L鋼、20號鋼、20G 鋼和GR2鋼的腐蝕曲線都呈現先降低后升高再降低、再升高再降低的趨勢，但各材料腐蝕曲線的轉折點有所不同，Corten鋼的第二個轉折點不在本試驗范圍內.

（2）上述6種材料的抗腐蝕強度依次為：GR2鋼＞ND鋼＞316L鋼＞Corten鋼＞20G鋼＞20號鋼.

（3）推薦因煙氣冷卻器裝置的壁溫高于65℃，煙氣冷卻器的首選材料為ND鋼.

［1］武勇，康達，李永星，等.某電廠鍋爐排煙余熱利用系統改造［J］.鍋爐制造，2009（3）：4－6.WU Yong，KANG Da，LI Yongxing，et al.Renovation of draft ulaste heat utilizing system［J］.Boiler Manufacturing，2009（3）：4－6.

［2］徐雪源.鍋爐排煙溫度分析［J］.鍋爐技術，1999，30（3）：7－12.XU Xueyuan.Analysis of exhaust gas temperature［J］.Boiler Technology，1999，30（3）：7－12.

［3］趙欽新，張知翔，王海超，等.火電廠煙氣深度冷卻節能減排技術［C］／／首屆“中國工程院／國家能源局能源論壇”.北京：化學工業出版社，2010：1045－1054.

［4］何立波，左軍，林伯川，等.煙氣濕法脫硫系統中熱管的耐腐蝕實驗研究［J］.腐蝕科學與防護技術，2003，15（2）：111－112.HE Libo，ZUO Jun，LIN Baichuan，et al.Corrosionresistance evaluation of materials of heat pipe for system of wet desulfurization of flue gas［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2003，15（2）：111－112.

［5］曲逵，劉豐.熱管換熱器尾部受熱面腐蝕分析及耐腐材料合理選用研究［J］.能源研究與利用，2004（4）：9－10.QU Kui，LIU Feng.Analysis for the back heated side of heat－pipe heat exchanger and reasonable selection of corrosion－resistant material［J］.Energy Research and Utilization，2004（4）：9－10.

［6］馬艷紅，黃元偉.高硅對不銹鋼耐高溫濃硫酸腐蝕行為的影響［J］.上海金屬，1999，21（5）：27－33.MA Yanhong，HUANG Yuanwei.The influence of high silicon content on the corrosion behaviors of stainless steel in highly concentrated sulfuric acid［J］.Shanghai Metals，1999，21（5）：27－33.

［7］黃魁元.不銹鋼在硫酸中的腐蝕特性及緩蝕劑［J］.防腐蝕，2003（8）：8－10.HUANG Kuiyuan.The corrosion characteristics of stainless steel in vitriol and inhibitor［J］.Anti－corrosion，2003（8）：8－10.

［8］錢余海，李自剛，楊阿娜.低合金耐硫酸露點腐蝕鋼的性能和應用［J］.特殊鋼，2005，26（5）：30－34.QIAN Yuhai，LI Zigang，YANG A’na.Application and properties of low alloying sulfuric acid dew point corrosion－resistant steel［J］.Special Steel，2005，26（5）：30－34.

［9］HOLMES D R.Dewpoint corrosion［M］.Birmingham：Institution of Corrosion Science and Technology，1985：137－158.

［10］岑可法，樊建人，池作和，等.鍋爐和熱交換器的積灰、結渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算［M］.北京：科學出版社，1994：377－412.

［11］NELSON H W，KRAUSE H H，UNGAR E W，et al.A review of available information on corrosion and deposits in coal and oil－fired boilers and gas turbines［M］.New York：Pergamon Press，1958：47－66.

［12］REID W T.External corrosion and deposits：boilers and gas turbines［M］.New York：American Elsevier Publishing Company，Inc，1971：75－104.

［13］唐志永.濕法脫硫后燃煤電站尾部裝置腐蝕研究［D］.南京：東南大學環境工程系，2006.