選煤廠的鋼結構設備平臺腐蝕因素分析及預防措施

邱思

（天地科技股份有限公司，北京100013）

0 引 言

選煤廠鋼結構設備平臺隨著服役時間的增加，機械設備和鋼結構主體出現不同程度的腐蝕，給安全生產造成一定的隱患。鋼結構材料的腐蝕與其所處的環境（介質成分、pH 值和電導率等） 密切相關，煤粉中的可溶性物質（含Na＋，K＋，Mg2＋，Ca2＋，Cl－，NO3－，SO42－等離子的物質） 進入洗選用水中，導致腐蝕性離子含量不斷增加，加劇鋼材的電化學腐蝕；同時隨著環境溫度的升高，腐蝕進一步加劇[1]。煤化度較低的煤，電導率較大，當煤的粒度較小時，其與鋼的接觸面增加，在水力作用下，更容易形成腐蝕小坑，促使腐蝕層剝離，加速碳鋼銹蝕[2]。鋼鐵在酸性介質中，容易發生析氫腐蝕，隨著pH 值的增加，發生吸氧腐蝕的幾率增大。pH 值同時影響到煤泥水的絮凝效果，在酸性條件下，有機高分子絮凝劑絮凝效果相對較優，在中性或堿性條件下，有機和無機凝聚劑復配使用，絮凝效果相對較優[3]。為提高水洗選用水的利用率，降低煤泥水對環境的影響，目前選煤廠煤泥水實現了閉路循環[4]。循環水常被用作車間的清掃用水，增加了鋼材與腐蝕性介質接觸的頻率[5]。造成選煤廠鋼結構設備平臺腐蝕的因素很多，本文從煤灰分中無機元素的含量變化，洗選用水的pH 值、電導率變化的角度進行分析，根據上述3 個因素，從涂層防護的角度給出鋼材料防腐蝕措施，以方便各選煤廠根據洗選用水的特點，合理的選擇藥劑和在選煤廠設計和維護時做好防腐蝕措施。

1 實驗部分

（1） 采集不同選煤廠洗選用清水水樣，洗選前的煤樣，洗選用的藥劑。

（2） 按GB/T 1574-2007 煤灰成分分析方法測定煤樣中的硅、鋁、鐵、鈦、鈣、鎂、硫、鉀、鈉等元素的含量。

（3） 用去離子水將不同選煤廠的凝聚劑和絮凝劑分別配制成200 mg/L 的溶液，測定單一藥劑水溶液的電導率。

（4） 采用pH 計（METTLER TOLEDO，測量范圍0~ 14，準確度±0.01） 測定清水水樣的pH值；采用電導率儀（METTLER TOLEDO，測量范圍0.01~200 mS/cm，準確度±0.5%） 測定清水水樣和藥劑水溶液的電導率。

2 結果與討論

2.1 煤灰分中元素相對含量

不同選煤廠煤灰分中元素相對含量如圖1 所示。

由圖1 可知，10 個不同選煤廠煤灰分均含有金屬和非金屬元素，非金屬元素中氧、硅元素占比較大，硫磷相對較少；金屬元素以鋁、鐵和鈣為主，鎂、鈦、鉀和鈉次之，其中二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦為酸性氧化物，三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉則為堿性氧化物。煤的灰分系指煤中所有可燃物質完全燃燒以及煤中礦物質在一定溫度下產生一系列分解、化合等復雜反應后剩下的殘渣。煤灰主要來自煤中的礦物質，其通常以有機和無機兩種形態存在，以硫為例，有機硫主要來自成煤植物中的蛋白質和微生物的蛋白質，煤中無機硫主要來自礦物質中各種含硫化合物，一般又分為硫化物硫和硫酸鹽硫兩種，有時也有微量的單質硫，研究發現末煤矸石中含有硫元素[5]，末煤矸石因粒度小，泥化現象嚴重，部分硫元素更容易轉移到水中，這與前期研究的末煤系統黃鐵礦含量較塊煤系統多[6]相吻合。煤中以無機形態存在的物質與水接觸時，在一定的條件下，部分可溶性礦物質溶解于水中，浸出一定的陽離子和陰離子，可改變溶液的pH 值和電導率，部分陰離子具有很強的腐蝕性，將金屬表面的鈍化膜破壞，加劇基體金屬的腐蝕，電導率代表承載電流的能力，當腐蝕形成后，電導率高的水溶液會加劇金屬發生電化學腐蝕。

圖1 不同選煤廠煤灰分中元素相對含量Fig.1 Relative content of elements in coal ash from different coal preparation plants

2.2 洗選用清水的pH

不同選煤廠用清水的pH 值如圖2 所示。

圖2 不同選煤廠用清水的pH值Fig.2 The pH value of clean water used in different coal preparation plants

由圖2 可知，顯示10 個不同選煤廠洗選用清水的pH 值處在7.2～8.3，選煤用水的pH 值很重要。pH 值過低，會腐蝕設備和管道，pH 值過高，不利于煤泥水絮凝沉降；不同的絮凝劑，只能在一定的pH 值范圍使用，pH 值過大或過小都會影響藥劑的效果，非離子的聚丙烯酰胺在pH 值為9時，絮凝效果較好，陰離子和陽離子的聚丙烯酰胺在pH 值為5 左右時絮凝效果較好[7]。因此選煤用水的pH 值應與天然水保持一致，一般天然水的pH 值在6~9，多數呈弱堿性。同時GB50359-2016《煤炭洗選工程設計規范》規定了選煤用水的水質指標，pH 值6～9，總硬度（以碳酸鈣計），水洗≤500 mg/L，浮選≤143 mg/L；懸浮物含量，生產清水≤50 mg/L，循環水≤80 g/L；懸浮物粒度，灑水除塵≤0.3 mm，其余≤0.7 mm。從pH 值角度看，所取的選煤廠清水均符合設計規范要求。

2.3 洗選用清水的電導率

不同選煤廠用清水的電導率如圖3 所示。

圖3 不同選煤廠用清水的電導率Fig.3 Conductivity of clean water used in different coal preparation plants

由圖3 可知，10 個不同選煤廠洗選用清水的電導率從高到低的順序依次為A＞E＞I＞J＞B＞H＞C＞F＞D＞G，其中A、E、I、J 4 個選煤廠用清水的電導率大于2 000 uS/cm，電導率越高，說明水中含有導電的離子就越多，通常含有鈣離子、鎂離子、氯離子和硫酸根等離子[8]，氯離子和硫酸根離子對于鋼材料而言，屬于腐蝕性離子，且隨著濃度的增加，腐蝕性會逐漸增強[5]。鋼材料在電導率大的介質中，在無緩蝕劑作用的情況下，其發生電化學腐蝕的傾向較大。

2.4 洗選用藥劑的電導率

調研的選煤廠，均采用凝聚劑和絮凝劑聯合使用，為提高藥劑效果，先加凝聚劑后加絮凝劑，兩者添加量由煤泥量的大小決定，合理的藥劑量有利于煤泥的聚合沉淀，提高脫水效率，促進循環水的澄清。在自然pH 值下，煤泥水中帶負電荷的顆粒居多，加入煤泥水中的凝聚劑迅速電離出帶正電的離子，中和了顆粒表面的負電荷，使顆粒發生凝聚。向煤泥水中加入絮凝劑（具有吸附作用的高分子化合物），絮凝劑分子鏈有很多活性基團，能同時吸附多個微粒，把微粒鏈接起來，形成絮團。不同選煤廠藥劑的電導率見表1。

表1 不同選煤廠藥劑的電導率Table 1 Conductivity of reagents in different coal preparation plants

由表1 可知，A~J 10 個選煤廠，所用凝聚劑水解之后的電導率均處于500 uS/cm，絮凝劑的電導率均處于40 uS/cm 左右，凝聚劑比絮凝劑對電導率的貢獻大。在煤質和洗選用水質相對穩定的條件下，凝聚劑的用量與電導率呈正相關的關系，凝聚劑在煤泥水中濃度越高，電導率就越大；通過電導率的變化可以實現藥劑量的控制[8]。常用的絮凝劑聚丙烯酰胺在合成的過程中，通常采用控制電導率來控制產品的質量，電導率越小聚合速度越快，聚合出的分子量相對較高[9]，因此，可通過測定絮凝劑的電導率來評價絮凝劑產品的質量。凝聚劑和絮凝劑在煤泥水處理中，除提高澄清水質量外，同時還伴隨著腐蝕性離子的釋放[5]，不利于金屬材料的防腐蝕，因此洗選藥劑選擇過程中，應綜合考慮產品絮凝沉降效果和對鋼材料的腐蝕程度。

2.5 防腐蝕措施

綜合被洗選煤的灰分，與鋼材接觸水的pH值、電導率等情況；將鋼材與水的接觸形式分為如下3 類，完全浸沒接觸、部分浸沒接觸、周期性接觸；在上述條件下，根據鋼材所處的環境，給出相應的鋼材防腐蝕措施，詳情見表2。

表2 鋼材所處的環境與防腐蝕措施Table 2 Environment of steel contact and anti-corrosion measures

續表

從電導率角度分析，選煤廠結構設計上，應盡量避免形成縫隙和形成積液的死角，降低選煤用水與金屬材料的接觸。

3 結 論

（1） 煤中含有鋁、鐵、鈣、鎂、鉀和鈉等元素的無機鹽，無機鹽在一定的條件下可溶解于水中，改變水溶液的電導率，對鋼材料的腐蝕產生影響。

（2） 不同選煤廠所用清水的電導率差異較大，水的電導率與水中鹽類的濃度成正比，水的電導率變化可以為選煤廠自動化控制補水和加藥提供參考，不同藥劑的電導率有差別，可以為鑒別藥劑質量提供參考。

（3） 凝聚劑比絮凝劑對水電導率的貢獻大，在鋼結構設備平臺設計時，應綜合考慮區域水質電導率和洗選用藥劑的腐蝕情況，根據工況的差異選擇合理的鋼材料防腐蝕措施。