工业锅炉低温腐蚀研究（安全）

工业锅炉低温腐蚀研究（安全）

                                    陆倩

            （江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院  南通  226001）

摘要：随着锅炉节能要求日趋严格，锅炉排烟温度降低，尾部低温受热面腐蚀严重。本文通过理论公式计算，研究燃料类型、过量空气系数以及燃料含硫量对酸露点温度的影响，确定燃料含硫量对酸露点温度影响最为明显，硫元素含量下降2%，酸露点温度下降30'C以上。因此，燃料脱硫与防腐材料的合理利用，可以在保证合理的排烟温度和锅炉条件下，避免低温腐蚀发生。

关键词：低温腐蚀  酸露点燃料脱硫耐腐材料  中图分类号：X933.2   

文章编号：1673_257X(2016)06r0060_04    DOI:    10. 3969/j .issn .1673-257X. 2016. 06. 015

1  锅炉低温腐蚀问题

    在GB/T 30579-2014《承压设备损伤模式识别》中定义烟气露点腐蚀，为燃料燃烧时燃料中的硫和氯类物质形成二氧化硫、三氧化硫和氯化氢，低温（露点及以下）遇水蒸气形成酸从而对金属造成的腐蚀。其损伤机理如下：

    稀硫酸蒸汽在锅炉尾部换热设备壁面温度低于露点温度时，会凝结在换热器壁面上产生酸腐蚀，主要发生在锅炉的省煤器、空气预热器、排风扇等低温受热面，表现为大面积的宽浅蚀坑，形态取决于硫燃烧后凝结时形成的酸性产物。此外，烟气中飞灰粘结在结露的受热面上和腐蚀剥落的铁锈粘附形成堵灰，堵塞了烟气通道，增加烟气阻力，进而加大引风机的电耗，不利于锅炉正常运行。

    然而，考虑到锅炉本身的运行效率，以及余热锅炉、冷凝锅炉等新型节能锅炉的推广使用，需要将锅炉尾部排烟温度控制在较低的温度范围内，因此，正确计算烟气的酸露点温度，设计合理的锅炉排烟温度，对锅炉运行时兼顾经济性与安全性至关重要。

2低温腐蚀露点理论计算

    锅炉低温腐蚀的酸露点研究方法较为多样，主要采用理论计算（公式法和图表法），由于工程经验不同，相关系数或者曲线形式也不尽相同，本文研究中主要运用实践多年的公式1973年苏联标准估算酸露点。

    计算锅炉酸露点前，首先需要确定水露点温度，即尾部烟气中水蒸气的冷凝温度，一般结合饱和蒸汽性质，通过水蒸气所占分压或者体积份额计算得出，本文通过计算烟气中各组分的组成，确定水蒸气体积份额，进而计算出锅炉烟气水露点温度：

  理论空气量：

3影响酸露点温度的主要因素

    针对目前南通市多台锅炉的实际运行状况，结合选定的酸露点估算方法，本文重点比较燃料类型、燃料含硫量、过量空气系数这三个重要因素对锅炉酸露点的影响，从而为锅炉使用单位推荐合理的排烟温度，保证锅炉安全的基础上高效运行。

3.1  燃料类型对酸露点的影响

    表1是南通市常用三大类燃料——二类烟煤、柴油以及天然气中各类元素的质量组成及低热值：

    根据TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》第二章第九条，排烟处过量空气系数如下要求：层燃燃煤工业锅炉过量空气系数不大于1.65，正（负）压燃油（气）锅炉过量空气系数则在1.15～1.25之间。因此比较不同燃料影响时，结合不同炉型设计特点，选取燃煤锅炉过量空气系数为1.65，燃油（气）锅炉过量空气系数为1.2，计算得到结果见表2。

    比较计算结果发现，各类燃料中氢、硫元素含量明显不同，酸露点差距也较为明显，使用天然气作为燃料时，由于氢元素含量较高，烟气中水蒸气体积份额较大，水露点温度相对较高，达到56℃，但硫元素含量较低，且不受到灰分因素影响，因此最终天然气锅炉的酸露点低于燃煤与燃油锅炉，仅为75℃，说明在相近的排烟温度条件下，天然气锅炉受到低温腐蚀侵害较小。

3.2过量空气系数对酸露点的影响

    考虑锅炉的运行状态不同，分别按照过量空气系数1.3、1.6、1.9、2.2计算燃煤锅炉的酸露点温度，见表3。

随着过量空气系数增大，露点温度有所减低，当过量空气系数从1.3增加大2.2，水露点温度从43℃降低到34℃，酸露点温度从132℃降低到123℃，均降低9℃左右，见图2，与不同燃料酸露点温度差距达到60℃相比，过量空气系数对酸露点影响较小，且增大过量空气系数对锅炉运行效率将产生不利影响。

3.3燃料含硫量的影响

    针对燃煤锅炉，按照表4调整碳元素、硫元素的比例，不考虑对燃料低热值的影响，过量空气系数仍然按照1.3计算，分析燃料中硫元素含量对于酸露点温度的影响（见表5）。

  计算结果表明，燃料中硫元素的含量是影响酸露点温度变化的关键，当燃料中硫元素含量从2.94%降低到0.94%，水露点温度基本保持在43℃左右，但酸露点温度却从146℃迅速降低到112℃，温度变化达到30℃，见图3，说明合理降低燃料的含硫量有利于降低酸露点温度，保证锅炉在较低的排烟温度条件下，仍能有效避免低温腐蚀问题。

4常用耐腐蚀材料

    除了对燃料进行脱硫处理这项有效措施以外，此外还有提高省煤器入口管壁温度、选用耐腐蚀材料制作省煤器、增加中间联箱等方式，来改善排烟尾部的低温腐蚀问题。因此，尾部受热面的耐腐蚀研究同样重要。为解决材料腐蚀问题，可以从三个方面着手：1）材料本身，即合理选材，如提高金属纯度，添加合金元素或进行热处理；2）界面方面，包括表面处理及涂、镀层技术；3）环境方面，添加缓蚀剂及消除、减轻机械作用和生物作用等，图4是常用的耐腐蚀材料分类。

    目前多数有色金属均已发展出相应的耐腐蚀合金材料，尤其是镍基合金和钛合金，适用于高温工作的易腐蚀区域，但这类金属合金价格较为高昂，大量应用于冷凝锅炉低温受热面将造成制造成本的大幅增长，而常用的低温受热面材料不锈钢与铸铝，前者导热系数较低，且不耐氯离子腐蚀，后者则需要采取一定表面处理工艺，耐磨性能相对较差。对金属材料无法同时满足导热佳、耐磨好以及经济性等低温受热面使用要求的现状，具有针对性的石墨非金属材料研究相应发展。    

石墨设备在氯碱、磷酸盐、氢氟酸、硫酸等化工工业中的优良防腐性能得到充分证明。常用人造石墨在隔绝空气焙烧保温石墨化处理过程中，有机物气态逸出，材料呈现多孔性能，无法满足容器使用要求，因此需要采取多遍树脂浸渍和固化工艺，填塞石墨孔隙，加工成新型浸渍不透性石墨，在提高材料力学强度的同时，仍保证石墨本身优良的导热性能（见表6）。

    通过充分利用材料的耐腐蚀性能，将锅炉尾部排烟温度降低至酸露点温度以下，可以充分利用烟气排放的余热，提高工业锅炉的运行热效率。研究表明，采用石墨材料加装锅炉尾部低温受热面，将工业锅炉排烟温度降低至90℃以下，可以提高锅炉运行热效率80%～l0%。

5总结

    本文针对锅炉尾部低温受热面腐蚀问题，按照理论酸露点计算方法，比较燃料类型、过量空气系数以及燃料含硫量对酸露点温度的影响，并分析目前低温受热面材料的选取，得到以下结论：

    1)燃料种类不同，酸露点温度差异可以达到60℃，天然气锅炉与燃煤锅炉相比，由于燃料中氢元素含量较高、硫元素含量较低，水露点温度高而酸露点温度低。

    2)过量空气系数对酸露点温度影响较小，d从1.3增加到2.2，露点温度仅降低9℃，且会反作用于锅炉运行效率。

    3)燃料中硫元素的含量明显酸露点温度变化，含硫量降低2%左右，酸露点温度下降超过30℃，因此采取燃料脱硫措施是降低酸露点，避免低温腐蚀的有效措施。

  4)通过选择合理的受热面耐蚀材料，可以在保证锅炉安全运行的基础上，通过降低排烟温度利用余热，提高锅炉运行效率。