模拟气氛下硫酸露点的腐蚀试验研究

赵钦新， 张知翔， 杜文智， 张智超

（1.西安交通大学 热流科学与工程教育部重点实验室，西安710049；2.西安热工研究院有限公司，西安710032）

截止2009年底，我国年原煤产量达30.5×108t，发电原煤为15.72×108t.对于火力发电厂，排烟热损失是锅炉各项热损失中最大的一项，占锅炉总热损失的80%或更高［1］.据调查，我国许多电站锅炉的排烟温度实际运行值都高于设计值20～50℃，达到130～150℃，大量的排烟余热可以利用［2］.

当锅炉烟气中含有SO3时，与水蒸气结合生成H2SO4蒸汽，会显著提高烟气的露点温度，并在低温受热面上凝结形成酸液，导致管壁厚度减薄直至破裂.烟气中的飞灰与酸液混合，以比干灰高得多的黏附力粘在受热面管壁上，采用常规清灰方式不能将其有效清除，使受热面被积灰堵塞，锅炉被迫停运.因此，要进一步回收利用锅炉的排烟余热，必须突破烟气露点的限制，研究出露点腐蚀机理及其防护和控制措施.

西安交通大学锅炉研究所提出了一种独立于运行系统的烟气深度冷却余热回收系统［3］，其中一种烟气冷却器的布置方案如图1所示.从图1可看到：在除尘器前后均布置了换热器，并利用除尘器去除积灰和腐蚀的协同作用，经过计算可降低煤耗1～3 g／（kW·h）.但是，此系统的尾部烟道受热面存在着较大的低温腐蚀风险，因此急需对其进行研究.过去的低温腐蚀研究大多集中在现场试验和浸泡试验上［4－13］，现场试验耗费大、时间长，而且浸泡试验的结果不能令人信服，而实验室的模拟试验却可以很好地解决此难题.

笔者以试验为基础，选取目前应用较为广泛的Corten钢、ND钢、316L和GR2钢为研究对象，以20号钢和20G钢作为对比钢材，分别在43℃、55℃、65℃、75℃以及85℃下对6种钢材进行了72h低温腐蚀试验.根据各钢材在上述5个温度下腐蚀层厚度的不同，得出腐蚀程度和温度之间的关系，并对各钢材的耐腐蚀性进行了对比.本文的研究成果对火力发电厂烟气深冷装置的开发有一定的指导意义，可为火力发电厂余热利用提供一定的理论依据.

1 试验装置与方法

图2为试验系统示意图.从图2可知：各种气体经过质量流量计后在混合器内混合，金属试样放置于管式加热炉中，其温控精度为±1℃，混合气体在高温管式炉中被加热后腐蚀金属试样，经腐蚀后的气体经过NaOH吸收后排放到大气中.混合气体的总流量为110mL／min.

图1 烟气冷却器的布置方案Fig.1 Schematic diagram for deep cooling of flue gas

图2 试验系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

试验所用的烟气成分与内蒙古大唐国际托克托发电有限公司5号机组的烟气成分相似.表1为烟气的成分，表1中所列O2、N2、CO2以及SO2均采用标准气体配置，而SO3和水蒸气是根据稀溶液成分等于其饱和蒸汽成分的原理，采用稀H2SO4溶液在一定温度下蒸发得到的.根据实际烟气中SO3和水蒸气的比例，配置质量分数为0.856%的稀H2SO4溶液，再根据烟气中水蒸气的分压，设置电热恒温箱的温度为58.6℃，用于得到相应的SO3和水蒸气，SO3和水蒸气是由N2带出来的.由烟气成分可得出水的露点为44℃，选取管式加热炉的试验温度分别为35℃、43℃、55℃、65℃、75℃和85℃，腐蚀时间为72h.

为保证SO3和水蒸气不凝结，将混合装置也放在电热恒温箱中.连接电热恒温箱和管式加热炉的硅胶管外缠有温控装置和保温装置，包括热电偶、加热带以及保温石棉绳，设置热电偶的温度为44℃，以保证烟气在进入管式炉之前温度高于水露点.

表1 烟气的成分Tab.1 Flue gas composition %

试验材料的化学成分列于表2.在试验时，将材料切割成8mm×8mm×3mm，并依次经400号、600号、800号、1 000号和1 200号砂纸打磨，然后采用超声波清洗机振荡，采用丙酮溶液去除表面油渍后进行干燥保存.试验结束后，用牙托粉将试样浇铸起来，再进行打磨和分析.

表2 试验材料的化学成分Tab.2 Chemical composition of test materials %

2 试验结果与分析

图3为各材料金属温度与腐蚀层厚度间的关系.从图3可以看出：各材料的腐蚀曲线均呈现先降低后升高再降低、再升高再降低的趋势，不过各材料腐蚀曲线的转折点有所不同，Corten钢的第二个温度降低点没有出现，说明其不在本试验范围内，而且水露点以下的腐蚀速率大大高于水露点以上的腐蚀速率.第一个腐蚀最低点温度：Corten钢为75℃，GR2钢为55℃，其余材料均为65℃；第二个转折点温度：Corten钢未出现第二个转折点温度，GR2钢的第二个转折点温度为70℃，其余材料均为75℃.

出现上述现象的原因主要是壁温在水露点以下时，大量的水与酸凝结，再加上其他酸性气体也溶于水中，因此腐蚀速率很高；壁温在水露点以上时，只有浓硫酸凝结，因此腐蚀速率大大降低，且随着壁温的升高，凝结酸的浓度不断增大，反应活性降低，而且酸量也减少，因此腐蚀速率随着壁温的升高而降低；当温度继续升高时，虽然酸量减少，硫酸浓度升高，但是由于壁温的升高，因而提高了反应活性，所以其腐蚀速率随着壁温的升高而加大［12］.

图4为各材料腐蚀层厚度对比.从图4可以看出：GR2钢的抗腐蚀能力最强，但是钛钢的成本太高；Corten钢在65℃以下时，抗腐蚀性不强，65℃以上时耐腐蚀性较强；ND钢与316L钢的抗腐蚀能力均较强，但ND钢的耐腐蚀性稍好于316L钢；20号钢与20G钢由于不是耐腐蚀钢，抗腐蚀能力均较弱，但20G钢的耐腐蚀性强于20号钢.综合看，6种材料的耐腐蚀强度依次为：GR2钢＞ND钢＞316L钢＞Corten钢＞20G钢＞20号钢.

由于大部分材料在65℃时腐蚀较轻，且65℃以上的腐蚀也处于可接受的范围，因此本文推荐冷却装置的最低工作温度为65℃.此时，Corten钢、ND钢与316L钢的抗腐蚀能力都很强，为了安全，推荐ND钢与316L钢，但由于ND钢的价格比316L便宜很多，因此笔者推荐ND钢为首选材料.

图3 各材料金属温度与腐蚀层厚度间的关系Fig.3 Temperature vs.corrosion depth for various materials

图4 各材料的腐蚀层厚度对比Fig.4 Comparison of corrosion depth among different materials

3 结 论

（1）Corten钢、ND 钢、316L钢、20号钢、20G 钢和GR2钢的腐蚀曲线都呈现先降低后升高再降低、再升高再降低的趋势，但各材料腐蚀曲线的转折点有所不同，Corten钢的第二个转折点不在本试验范围内.

（2）上述6种材料的抗腐蚀强度依次为：GR2钢＞ND钢＞316L钢＞Corten钢＞20G钢＞20号钢.

（3）推荐因烟气冷却器装置的壁温高于65℃，烟气冷却器的首选材料为ND钢.

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