窯尾袋除塵器腐蝕機理及防腐措施研究

魯果，屈荷葉，曹寧，何鵬飛

近年來，隨著國家對水泥行業(yè)的環(huán)保要求越來越嚴格，水泥廠相繼開展了窯尾除塵器技改工作，將原有電除塵器改造為布袋除塵器或電袋除塵器，以保證粉塵排放達標。但從設(shè)備運行情況來看，窯尾布袋除塵器普遍存在內(nèi)部腐蝕問題，影響了系統(tǒng)的使用壽命[1]。本文對窯尾袋除塵器腐蝕情況進行了分析，并提出了解決腐蝕問題的措施。

1 水泥窯尾袋除塵器腐蝕現(xiàn)狀

某5 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯窯尾低壓長袋脈沖除塵器于2009年投運，處理風(fēng)量960 000m3/h，入口煙氣溫度90℃，過濾風(fēng)速0.96m/s。目前，除塵器內(nèi)部存在嚴重的腐蝕問題，腐蝕位置主要在設(shè)備頂蓋門板處，如圖1所示。由于除塵器部分腐蝕位置已經(jīng)穿孔，導(dǎo)致外界冷風(fēng)進入除塵器內(nèi)部，形成煙氣結(jié)露，出現(xiàn)“糊袋”現(xiàn)象。同時，大量銹渣脫落進入布袋內(nèi)部，脈沖噴吹時加劇了濾袋的磨損，降低了濾袋的使用壽命，增加了系統(tǒng)維護成本。

圖1 窯尾袋除塵器內(nèi)部腐蝕情況

2 除塵器腐蝕機理分析

為實現(xiàn)節(jié)能減排，水泥生產(chǎn)線大多會配有余熱發(fā)電系統(tǒng)，水泥窯尾煙氣從預(yù)熱器C1口出來，經(jīng)余熱鍋爐到達窯尾除塵器入口，煙氣溫度范圍在90℃～180℃。正常運行工況下，窯尾除塵器的入口煙氣溫度接近溫度域的下限，遠低于濾袋的最高使用溫度，由于煙氣溫度遠低于酸露點溫度，使窯尾煙氣中所含的硫氧化物、氮氧化物、氨及氯離子等腐蝕性物質(zhì)發(fā)生凝結(jié)，從而形成腐蝕環(huán)境[2]。

2.1 水泥窯尾煙氣中的腐蝕物

2.1.1 煙氣中的硫氧化物排放

在生產(chǎn)水泥所產(chǎn)生的煙氣中，硫元素的來源主要有兩種途徑：煤粉中的硫和生產(chǎn)原料中的硫。生產(chǎn)水泥所使用的煤粉中含有硫化物和有機硫，經(jīng)分解爐和回轉(zhuǎn)窯，在高溫工況下分解產(chǎn)生SO2和SO3，并被分解爐中大量高活性的堿性化合物吸收生成硫酸鹽。生產(chǎn)水泥所使用的原料中，硫化物大部分為黃鐵礦和白鐵礦，以及少量的單硫化物，該類硫化物會在500℃～600℃發(fā)生氧化反應(yīng)生成SO2，對應(yīng)位置在C2或C3旋風(fēng)筒處。在正常工況下，大部分水泥廠可通過水泥工藝的自脫硫效應(yīng)來實現(xiàn)硫氧化物的減量排放，但當燃料或原料中的硫化物含量過高時，尾部煙氣中還會存在大量的SOX。

2.1.2煙氣中的氮氧化物排放

在水泥生產(chǎn)過程中，氮氧化物主要存在燃料型NOx和熱力型NOx兩種。燃料中含有的有機物和低分子含氮化合物在燃燒過程中經(jīng)熱分解、氧化作用，產(chǎn)生燃料型NOx；在水泥生產(chǎn)過程的高溫環(huán)境下，空氣中的氮氣會與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成熱力型NOx。水泥生產(chǎn)過程中必然會產(chǎn)生大量的氮氧化物。

2.1.3煙氣中的氨排放

水泥廠氨排放的來源主要有兩種，一種是水泥生產(chǎn)過程中排放的氨，主要是燃料燃燒、燃料和替代燃料燃燒產(chǎn)生的本底氨。研究發(fā)現(xiàn)，本底氨主要源自水泥原料、協(xié)同處理廢物中含有的氨基物質(zhì)，運行工況變化也會造成本底氨排放濃度的改變。在水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾的工況下，以生活垃圾作為替代燃料會大幅增加本底氨的排放[3]。另一種是SNCR脫硝系統(tǒng)過量噴射的氨。為滿足氮氧化物的環(huán)保排放要求，窯尾設(shè)置了SNCR脫硝系統(tǒng)，脫硝效率一般在30%～50%。SNCR系統(tǒng)的脫硝效率較低且噴嘴霧化效果不佳，導(dǎo)致部分氨未參與過程反應(yīng)，出現(xiàn)氨逃逸，造成窯尾煙氣中有氨的存在。

2.2 腐蝕機理探究

除塵器內(nèi)部的金屬腐蝕主要分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕[4]，本文將對這兩種腐蝕展開分析。

2.2.1 化學(xué)腐蝕機理

常用的布袋除塵器殼體材質(zhì)為Q235碳鋼，其化 學(xué)成分為：C≤0.20%，Mn≤1.4%，Si≤0.35%，S≤0.045%，P≤0.045%。除塵器正常運行時，煙氣中的酸性物質(zhì)主要以氣態(tài)形態(tài)存在，此時酸性氣體對碳鋼無腐蝕作用。當溫度降到煙氣露點以下時，會產(chǎn)生水分凝結(jié)，同時溶解硫氧化物和氮氧化物等，形成亞硫酸、硫酸及硝酸性腐蝕物質(zhì)，并在與碳鋼接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成亞硝酸鐵、亞硫酸鐵等。

2.2.2 電化學(xué)腐蝕機理

發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件是，具有電解質(zhì)并與不同活性金屬組成正負極。在潮濕的空氣環(huán)境中，鋼鐵表面會吸附一層薄薄的水膜，此時碳鋼中含有的碳元素與鐵元素分別構(gòu)成了電化學(xué)腐蝕的正、負極。當水膜呈較強酸性時，H+得電子析出氫氣，這種電化學(xué)腐蝕稱為析氫腐蝕，其反應(yīng)方程式為：

隨著氫氣的析出，水膜的pH值上升，當水膜呈弱酸性或中性時，能溶解較多氧氣，此時O2得電子而析出OH-，這種電化學(xué)腐蝕稱為吸氧腐蝕，是造成鋼鐵腐蝕的主要原因。吸氧腐蝕反應(yīng)方程式為：

Fe（OH）2會被O2進一步氧化生成Fe（OH）3，F(xiàn)e（OH）3脫去一部分水生成Fe2O3·nH2O，即鐵銹的主要成分。

2.2.3 腐蝕原因分析

水泥窯窯尾布袋除塵器產(chǎn)生腐蝕的位置主要有以下三處：（1）以檢修人孔門為中心向四周輻射，離人孔門越近，腐蝕越嚴重；（2）提升閥桿和穿孔相接觸的地方，存在腐蝕；（3）噴吹管與脈沖閥配合的管口，存在輕微腐蝕。除塵器內(nèi)部其他部位無明顯腐蝕情況產(chǎn)生。

以上三處腐蝕位置的漏風(fēng)率較高。漏風(fēng)會導(dǎo)致局部溫度降低，當溫度降低到煙氣露點以下時，析出的水分會吸收煙氣中的各種腐蝕性物質(zhì)，形成化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕反應(yīng)所需的溶液條件。

3 預(yù)防腐蝕的措施

解決煙氣腐蝕的關(guān)鍵措施是改進系統(tǒng)工藝和操作方法，盡量避免或減少冷凝現(xiàn)象。但在實際生產(chǎn)過程中，綜合考慮節(jié)能減排等因素，煙氣將全部用于余熱發(fā)電和物料烘干等，導(dǎo)致窯尾除塵器進口溫度低于酸露點溫度，且工藝溫度的改變不易實現(xiàn)。筆者結(jié)合工程實際，提出了以下可實施性高、能夠較好預(yù)防窯尾袋除塵器腐蝕的措施，供參考。

3.1 減少腐蝕性氣體排放

對設(shè)備本體所產(chǎn)生的硫氧化物、氮氧化物、氨等腐蝕性氣體，應(yīng)從源頭上對本底氨和硫的排放進行控制，如減少原料和替代燃料中的氨基及硫基物質(zhì)。其次，應(yīng)對SNCR系統(tǒng)進行噴氨優(yōu)化調(diào)整，提高SNCR脫硝效率，將NSR控制在1.3～1.6，并盡量降低氨逃逸量。

近兩年，水泥爐窯生產(chǎn)線開始逐步采用SCR脫硝工藝，SCR脫硝工藝不僅具有較高的脫硝效率，而且能夠有效減少氨逃逸[5]。目前已有高溫電除塵器+SCR脫硝技術(shù)的成功應(yīng)用實例，可保證煙氣出口NOx排放濃度＜50mg/m3（標）、氨逃逸＜3ppm，在降低氮氧化物排放和氨逃逸的同時，能夠較大程度地減少其對窯尾除塵器的腐蝕作用。

對于硫排放超標的水泥廠，通常采用煙氣尾端濕法脫硫工藝，但該工藝對減輕布置在前端的除塵器腐蝕沒有幫助。

3.2 除塵器本體改造

3.2.1 降低漏風(fēng)率

目前除塵器正常運行過程中的漏風(fēng)率一般在3%左右，降低漏風(fēng)率是預(yù)防窯尾局部腐蝕的關(guān)鍵。可采用內(nèi)換袋凈氣室結(jié)構(gòu)（見圖2），每個凈氣室設(shè)置1個人孔門，其相比于具有較多人孔門的頂開蓋凈氣室結(jié)構(gòu)（見圖3），能夠大幅降低人孔門漏風(fēng)的風(fēng)險。同時，還可將凈氣室及提升閥室人孔門全部更換為雙層人孔門結(jié)構(gòu)，在增加密封性的同時，提高系統(tǒng)保溫效果。人孔門所采用的密封條為易損件，使用較長時間后會產(chǎn)生老化現(xiàn)象，影響密封和保溫效果，因此應(yīng)將人孔門密封條列入除塵器維護內(nèi)容，定期檢修和更換。

圖2 內(nèi)換袋凈氣室結(jié)構(gòu)

圖3 頂開蓋凈氣室結(jié)構(gòu)

為提升閥桿運動部位的密封性，常規(guī)采用的是石墨盤根密封。在除塵器安裝調(diào)試過程中，需重點關(guān)注此部位，在調(diào)試時對石墨盤根壓蓋進行調(diào)整，保證提升閥桿與底座的密封效果。

3.2.2 除塵器保溫

施工過程中除了做好除塵器本體保溫外，還可以在除塵器頂部設(shè)置密閉防雨棚，進一步增強除塵器頂部的保溫效果。

3.2.3 采用優(yōu)質(zhì)的防腐涂層

表面防腐涂層保護就是在金屬與煙氣的接觸部位覆蓋一層涂料，阻隔腐蝕物質(zhì)與碳鋼的接觸，從而防止腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。敷設(shè)防腐涂層時，需要關(guān)注涂料與基體碳鋼的附著力，造成腐蝕的原因大多是防腐涂層脫落，失去了相應(yīng)的阻隔作用。常用的防腐油漆涂層為“環(huán)氧底漆+玻璃鱗片”。

不建議采用起陰極保護作用的防腐涂層。如，采用環(huán)氧富鋅漆作為窯尾除塵器底漆，其目的是將其與碳鋼組成陰極保護，但在電化學(xué)腐蝕作用下，底漆中的鋅元素很快被腐蝕消耗完，底漆的保護作用失效。此時碳鋼進一步被腐蝕，碳鋼中的鐵元素與碳元素組成新的原電池結(jié)構(gòu)，電化學(xué)腐蝕作用仍繼續(xù)進行，導(dǎo)致采用陰極保護防腐措施效果不佳。

4 結(jié)語

水泥窯窯尾布袋除塵器產(chǎn)生腐蝕的原因，主要是由于煙氣中的水蒸氣結(jié)露并吸收腐蝕性物質(zhì)，導(dǎo)致化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕以及局部防腐油漆的保護作用失效。為防止腐蝕，可從降低煙氣腐蝕物質(zhì)和改進除塵器本體兩方面采取措施，合理降低系統(tǒng)漏風(fēng)率，加強保溫效果。同時，采用必要的防腐措施，減輕低溫?zé)煔夤r時對除塵器的腐蝕，延長除塵器的使用壽命，降低系統(tǒng)維護成本。