浅谈烟气露点腐蚀和材料热应力对废热锅炉的双重腐蚀

王林

摘要：中原大化集团煤化工装置采用美国壳牌公司的 shell 气化炉加压粉煤的方式生产粗煤气。采用克劳斯脱硫法来处理通过低温甲醇洗装置后的含硫化氢的酸性气体，同时副产硫磺产品。其中废热锅炉是煤化工生产流程中的重要装置。本文主要针对现场废热锅炉的腐蚀情况，探究了烟气露点腐蚀和材料热应力对废热锅炉所造成的双重腐蚀。切实提出了判断废热锅炉是否发生腐蚀或者爆管的方法。分别从工艺角度、设备角度以及目前生产运行现状出发，基于烟气露点腐蚀和材料热应力这两个因素，为防止废热锅炉发生双重腐蚀采取相对应的解决措施。

关键词：废热锅炉；腐蚀；烟气露点腐蚀；材料热应力

引言

中原大化集团煤化工装置年产 50 万吨甲醇，采用美国壳牌公司的 shell 气化炉加压粉煤的方式生产粗煤气。经过变换和低温甲醇洗装置，生产出合适比例的合成气供合成单元生产甲醇。本公司采用克劳斯脱硫法来处理通过低温甲醇洗装置后的含硫化氢的酸性气体，同时副产硫磺产品。由于此方法采用部分燃烧的方式，在焚烧炉后需加一个废热锅炉来使燃烧后的过程气由 1000℃冷却至 200℃左右，以满足后续工序的生产要求。由此可见废热锅炉是整个流程中占据着极其重要的分量。它既可以作为高温过程气的冷却器，也可以为脱硫装置来提供蒸汽。但是在实际化工生产过程中，常会因为多种原因导致废热锅炉出现腐蚀、泄漏、爆管等现象，大大降低了废热锅炉的工作效率，甚至会威胁到生产的安全、环保、高效进行。废热锅炉的腐蚀是一个不可小觑的必须认真对待急需解决的难题。在此笔者针对现场废热锅炉的腐蚀现状进行了调研，提出了两种可能的腐蚀方式，对二者共同作用下对锅炉的双重腐蚀做了探究，并相应提出了解决方案。对解决方案的效果进行了追踪，分析了周期为 150 天的废热锅炉的运行效果，对可能出现的问题进行了预估和判断。

1. 工艺介绍及现场腐蚀调研

1.1 工艺介绍

克劳斯脱硫法是将低温甲醇洗单元送过来的含 20%左右硫化氢的酸性气体送至硫回收单元，其中约占总气量三分之一的酸性气体在焚烧炉内进行燃烧。焚烧后气体经过废热锅炉降温冷却到 200℃左右， 和未焚烧的气体混合进入到克劳斯脱硫转化炉内反应生产硫磺，大部分的硫化氢与燃烧后产生的二氧化硫反应生成硫磺产品，同时尾气中基本不含硫化氢和二氧化硫。

该工艺流程简单，操作方便便捷，具有极高的处理效果，处理完后的气体基本不含有硫化氢和二氧化硫，符合国家要求标准。在工艺流程中，没有腐蚀性液体出现，安全性能极高。将其对比于湿法脱硫相比，具有更高的安全性能。湿法脱硫焚烧后尾气中的二氧化硫需要用硫酸来吸收，具有强腐蚀性。克劳斯脱硫法的造价低，设备简单（碳钢或不锈钢即可）。而湿法脱硫的设备要求较高，需要用造价较高的玻璃钢。宗其优点，克劳斯脱硫法在生产中具有较高的利用率。而作在工艺中起到重要作用的废热锅炉，一旦腐蚀，产生的不良影响是无法估量的。

1.2 现场腐蚀调研

通过现场调研发现，废热锅炉腐蚀一般发生在低温侧。由于温度较低，容易产生低温露点腐蚀现象，表现为废热锅炉出口过程气温度逐渐降低，废热锅炉低温侧导淋打开有凝结水持续排出，上水量增大。如果废热锅炉出口温度下降过快，则有可能发生爆管现象，低温侧导淋有大量水排出。

2. 引起废热锅炉腐蚀的假设

2.1 烟气露点腐蚀

烟气露点腐蚀通常发生在废热锅炉的低温侧管板处[1]。在焚烧炉内原料中的氢和氧气结合生成水，大部分以雾化的形式存在。烟气中的硫与氧气结合生成二氧化硫，少量的二氧化硫又会与氧气反正生成三氧化硫[2]。三氧化硫与烟气中雾化的水蒸气结合形成硫酸酸雾[3]。含 有硫酸的酸雾会使烟气的露点温度大为升高。当低温侧温度达到硫酸酸雾的露点时，就会在管板处凝结成小液滴附着在管板上。随着长期的积累，将会在管板处发生腐蚀。由于烟气露点腐蚀是小液滴对管板的腐蚀，一般会呈针眼状的小砂眼，泄露量不是很大，表现为废热锅炉出口温度缓慢降低。

2.2 材料热应力的腐蚀

材料热应力对废热锅炉产生的腐蚀大部分会发生在低温侧的管束内，从 800-1000℃激冷到 150-200℃，在管束长度不是很长的情况下，由于材料的热胀冷縮，使材料不断向低温侧挤压伸展，从而会在低温侧管板内侧的管束产生挤压弯折变形。这种情况下的腐蚀大多泄漏量较大，表现为废热锅炉出口温度急剧下降，低温侧导淋排水有大量水排出，此时应当对硫回收做停车处理，以免损坏催化剂。

2.3 现场腐蚀分析

将废热锅炉后管箱打开，用水充压试漏会发现在管板处有大量的小砂眼，而且在部分的管束边缘会有大量的水流出，泄压后对泄露的管束检查发现管板边缘处管束有弯折状的腐蚀发生。因此断定该腐蚀为露点腐蚀和材料热应力对废热锅炉的双重作用导致的。

3. 解决方案

3.1 工艺方面

为防止烟气露点腐蚀的发生，通过提高废热锅炉汽包的压力来间接提高废热锅炉出口的温度。发生露点腐蚀主要是因为有液滴的形成，通过提高废热锅炉出口的温度，使生成的硫酸酸雾以气体的形式存在，这样就可以避免硫酸酸雾在管板处凝结，从而可以有效防止腐蚀现象的发生。

3.2 设备方面

通过对管板处砂眼进行补焊，堆焊，堵住砂眼，增加管板厚度以减少烟气露点腐蚀对管板的直接作用。对出现材料热应力腐蚀的管束，直接将管束两头堵死，堆焊，以防止再次发生泄露现象。

4. 运行效果分析及可能的后果

经过对工艺和设备方面的改造，在此后长达 150 天长周期运行中， 再没有出现因为废热锅炉腐蚀现象而发生的停车事故。在连续稳定的操作条件下，废热锅炉运行状态良好，温度持续稳定，产品质量较好。

由于将部分热应力腐蚀的管束堵死，可能会造成换热效果下降， 此次堵塞的管束远没有达到总管束的 10%，因此不会对换热效果产生太大的影响。

为保证环保装置的稳定运行，防止此类造成废热锅炉泄露现象的发生，首先在工艺条件选择上，可以在满足条件的情况下，尽量提高废热锅炉的出口温度，以避免烟气低温露点腐蚀现象发生。其次，在废热锅炉设计方面，考虑到热端到冷端的温差，尽量延长换热管的长度，以避免材料热应力对废热锅炉的影响。

参考文献：

[1]刘淑芸.水管-热管复合式废热锅炉在硫酸生产中的应用[J].化工矿物与加工，2011，40（11）：38-40.