脫硫廢水對干式排渣機影響的研究

王勇，謝玲，朱有明，李蜀生，張光榮，李吉業，姜雯昕

（青島達能環保設備股份有限公司，山東 青島 266300）

0 引言

2019年底全國全口徑發電裝機容量20.1億千瓦，火電裝機容量11.9億千瓦占59.2%[1]；鍋爐煙氣中有毒氣體SO2在我國東部地區排放濃度標準要求不高于35mg/m3[2]。為實現高效脫硫，濕法煙氣脫硫大力推廣，行業占比達90%；為保證脫硫系統的正常運行，需定期排出一定量的脫硫廢水。

2018年，重點調查工業企業的爐底渣產生量為3.1億噸，約等于我國200個大、中城市生活垃圾總量的1.48倍。爐底渣產生量最大的行業是電力、熱力生產和供應業，其產生量為1.6億噸[3]。

同煙氣旁路干燥脫硫廢水機理相似，可將脫硫廢水噴入干渣機輸送帶內，采用爐底渣和爐底輻射熱蒸發脫硫廢水。

1 脫硫廢水主要腐蝕物

石灰石－石膏濕法脫硫廢水的主要特點有：①酸性；②懸浮物含量高；③鹽含量高；④大量金屬離子、重金屬超標。下表1為我國不同地區脫硫廢水主要成分，可知Cl-是主要腐蝕物。

表1 我國不同地區脫硫廢水主要成分表（mg/L）

2 干渣機輸送帶材質

干式排渣機（簡稱干渣機）是采用適量環境空氣對鍋爐排出的高溫爐底渣進行冷卻的底渣處理系統。

底渣處理脫硫廢水的原理是采用爐底渣和爐底輻射熱來蒸發脫硫廢水。受爐底余熱量的影響，并不能完全處理機組自身產生的脫硫廢水，且因爐底渣分布不均會在局部發生脫硫廢水與輸送帶直接接觸現象[4]。

干渣機輸送帶是對爐底渣進行冷卻和輸送的載體，目前市場上應用最多的干渣機有：鋼帶（網帶）干渣機和鱗斗干渣機。兩種干渣機輸送帶主要材質如表2。

表2 干渣機輸送帶材質

3 氯離子腐蝕性

3.1 金屬腐蝕危害

金屬腐蝕會造成巨大經濟損失，鋼鐵每年腐蝕損失相當于年產量的10%；上世紀80年代，“亞歷山大基定德”號鉆井平臺受海水腐蝕后傾覆，導致123人遇難；2013年11月青島黃島原油管道腐蝕造成泄露爆炸，導致62人喪生，經濟損失超過7億元。

3.2 奧氏體不銹鋼

不銹鋼之所以抗腐蝕，是因為其表面能形成一層具有保護性的鈍化膜。奧氏體不銹鋼與碳鋼的腐蝕是不同的，其通常是局部腐蝕破壞，尤其是在Cl-等鹵素離子環境，主要形式有點腐蝕和應力腐蝕開裂[5]。

大部分不銹鋼的點腐蝕失效都是由氯化物和氯離子引起的；點腐蝕主要機理是鈍化膜的不均勻性，Cl-半徑小、穿透能力強且自催化性導致腐蝕后擴展；所以增加材料厚度并不能有效抑制Cl-腐蝕。在化工設備中50%的應力腐蝕開裂失效是奧氏體不銹鋼，且大部分由含Cl-引起；尤其是Ni含量在10%～20%、Cr含量在12%～25%的奧氏體不銹鋼，遇氯化物最容易開裂。研究表明，奧氏體不銹鋼設備應對Cl-進行嚴格控制，否則不應使用。Cl-環境中各影響因素的規律見表3。

表3 奧氏體不銹鋼Cl-腐蝕影響因素

3.3 15CrMo

試驗表明，15CrMo同20G一樣會受到Cl-全面腐蝕；且高溫條件下腐蝕更嚴重，Cl-質量濃度超過0.2mg/L時出現點蝕。15CrMo的Rp遠遠高于20G，也說明15CrMo耐Cl-侵蝕性能優于20G。

大華集團合成氨廠對奧氏體不銹鋼和15CrMo做了耐氯離子試驗對比驗證。原采用日本進口00Cr19Ni10（304L）設備，運行1個月出現泄露；后更換為15CrMo，并采用焊后熱處理消除殘余應力后解決問題。15CrMo是珠光體耐熱鋼，抵抗Cl-腐蝕破壞優于奧氏體不銹鋼[6]。

3.4 CrNiMo鏈條

研究表明，CrNiMo合金鋼鏈條在脫硫廢水和渣水不同比例混合物中的腐蝕速率為0.04723g/m2·h～0.07186g/m2·h。

3.5 合金元素作用

材料中合金元素對抵抗Cl-腐蝕的作用見表4。

表4 不同元素對氯離子腐蝕的作用

4 鏈條腐蝕測定

4.1 測試條件與方法

采用山東濰坊某電廠脫硫廢水，經NaCl和NaOH中和調整pH值后模擬脫硫廢水。水質分析結果如下表5。

表5 脫離廢水與試驗水水質表

隨機選擇自制鏈條，材質為20CrMnTi，加工試樣為50mm×25mm×10mm，表面去除油污并打磨至鏡面；采用箱式電阻爐保證試驗溫度為60℃。

將處理好的試樣分別浸沒在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種試驗液中，按24h、48h、96h、168h、240h、360h、480h進行記錄，每天補除鹽水2次；達到設定時間后，取樣清洗去銹干燥后稱重，電子天平計量精度0.1mg。

4.2 試驗結果

三種試驗液中試樣隨時間推移，外觀腐蝕均呈現加劇趨勢。以試驗液Ⅲ中試樣為例，試樣開始前和部分時間節點實物樣貌如圖1所示。

圖1 試樣不同時間段樣貌（中和后試驗液Ⅲ）

三種試驗工況下，鏈條試樣腐蝕速率隨時間變化關系見圖2。可以看出，Cl-濃度對腐蝕起正向加劇作用，且初始腐蝕速率較大，分別為0.071mm/a、0.082mm/a、0.095mm/a；360h后，腐蝕速率基本穩定在0.036mm/a、0.047mm/a、0.057mm/a。可判斷，腐蝕產物會阻擋腐蝕；試樣存在肉眼可見點腐蝕，局部有較大點腐蝕，規律不明顯，未見應力腐蝕裂痕[7]。

圖2 鏈條不同工況腐蝕速率與時間關系

4.3 試驗不足

本次試驗測試了鏈條在靜止狀態的腐蝕規律，且對材料表面進行了清理。實際工程中，鏈條運行時存在磨損，故腐蝕氧化皮無法阻擋腐蝕；鏈條表面可能存在的污染物及制造過程中產生的應力均會加劇腐蝕。因此腐蝕速率建議按初始最大值考慮。

5 脫硫廢水對干渣機影響

5.1 輸送帶結構對比分析

圖3是鋼帶干渣機輸送帶結構圖，其主要結構是下部網帶和上部承載板，輸送帶承載板中部為相互搭接的平面。

圖3 鋼帶干渣機輸送帶結構圖

圖4是鱗斗干渣機輸送帶結構圖，其主要結構是左右兩側鏈條和中部鱗斗，輸送帶鱗斗中部為勺狀斗槽。

圖4 鱗斗干渣機輸送帶結構圖

兩種干渣機輸送帶結構對比見表6。

表6 兩種輸送帶結構對比

5.2 脫硫廢水對干渣機影響

脫硫廢水噴頭設置在輸送帶中上部，因鋼帶干渣機承載板中間為平板，且節距較小，如有廢水無法蒸發。首先會腐蝕承載板，更嚴重的，廢水會通過承載板搭接縫隙進入下層的網帶，網帶是動力部件，應力大。且奧氏體不銹鋼非常容易發生點腐蝕和應力腐蝕開裂，任意一種腐蝕都會導致網帶斷裂，造成設備故障[8]。

鱗斗干渣機鱗斗的中部為勺狀斗槽，如有廢水首先會被收集到斗槽中，被斗槽中的灰渣吸附；嚴重時會腐蝕鱗斗，15CrMo通常是全面腐蝕，不會發生斷裂；即使長期運行將斗槽腐蝕透，也不會影響一側的承載的鋼管。當發生事故時，廢水從斗槽中溢出并從鱗斗搭接縫隙滲出，灑落到回程鱗斗背面。而鏈條在兩側，故不會遭到腐蝕，即不影響設備運行。

綜上，從結構和材質上綜合分析，鋼帶干渣機材料和結構存在很大腐蝕風險，不應處理脫硫廢水；而脫硫廢水不會對鱗斗干渣機安全運行產生危害。

5.3 預防措施

鋼帶干渣機輸送帶用奧氏體不銹鋼耐Cl-腐蝕能力差，且加厚作用不大，不適合應用；即使在表面噴涂防腐材料，受高溫爐底渣和輸送帶轉動磨損也會損壞。所以，有效的方法是采用2205、2507等雙相不銹鋼或鈦合金等材料，且應保證制造過程中避免碳鋼接觸并按工藝要求進行焊接等。

鱗斗干渣機鏈條具有一定耐腐蝕能力，且受廢水接觸概率低，所以鱗斗用15CrMo應保留一定腐蝕余量來滿足使用壽命要求。

6 結語

（1）匯總分析我國7個不同地區脫硫廢水成分，Cl-含量高，是主要腐蝕物。

（2）綜述國內外Cl-對干渣機輸送帶用奧氏體不銹鋼和15CrMo的腐蝕和規律研究，以及各種元素對抵抗Cl-腐蝕的作用；奧氏體不銹鋼在Cl-中易發生點腐蝕和應力腐蝕開裂，15CrMo會發生全面腐蝕和點腐蝕。在Cl-環境下15CrMo比奧氏體不銹鋼抗腐蝕破壞能力強。

（3）試驗測試干渣機鏈條20CrMnTi材料在38070mg/L、42940mg/L和48150mg/L氯離子濃度溶液下最大腐蝕速率分別為0.071mm/a、0.082mm/a、0.095mm/a；超過360h后，腐蝕速率分別穩定在0.036mm/a、0.047mm/a、0.057mm/a。

（4）對比分析兩種干渣機發現，上下結構的奧氏體不銹鋼鋼帶干渣機不應處理脫硫廢水，水平結構的鱗斗干渣機可安全處理脫硫廢水。鋼帶干渣機處理脫硫廢水有效方法是采用雙相不銹鋼等耐Cl-腐蝕材料，鱗斗干渣機的鱗斗宜留有余量。