“双碳”目标下的腐蚀科学与防护技术

汪的华，汪沛霖

（武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072）

0 前 言

自工业革命以来，温室气体排放大幅增加，导致气候变化问题加剧。控制碳排放是应对全球气候变化的关键措施。习近平主席在第七十五届联合国大会上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”。碳排放的主要来源是人类在能源获取、冶金、矿物加工、化工合成等领域中含碳矿产资源的利用。因此，“双碳”目标的落脚点在于调整能源结构，推动产业升级，减少含碳矿产资源的过度利用。这是一场广泛而深刻的经济社会性变革，也会对人类的生产生活方式产生深远影响，其中既有新的挑战，亦有重大机遇。

实现“双碳”目标的核心驱动力在于科技创新，需要全行业群策群力，加强技术合作与创新集成。主要有以下关键技术亟待发展：（1）减少化石能源消耗与提高能源效率；（2）清洁能源的开发与利用；（3）开发低碳新工艺和资源高效循环利用技术；（4）开发碳捕集、固定及资源化利用新技术。在这些关键技术的发展中，材料腐蚀科学与防护技术作为资源开发、能源利用、环境保护等领域的重要支撑性技术又将面临哪些挑战与机遇？

1 腐蚀防护增效减碳

据《中国腐蚀调查报告》统计，我国每年因为腐蚀所造成的经济损失，占国民生产总值的5%左右。腐蚀问题不仅带来了资源浪费，更因此大幅增加材料制备加工领域的碳排放量。因此，更高效地实施材料腐蚀防护，可以为减碳降污做出显著贡献。中国钢铁行业碳排放量约占全国碳排放总量的15%左右，是制造业31个门类中碳排放量最大的行业[1]。而每年钢铁腐蚀的损失高达产量的1/10。每生产1吨钢，会排放1.5-2.0吨CO2，以年产10亿吨钢材计算，若腐蚀防护效能提高1个百分点，则可以节约钢材100万吨，减排CO2可达150万吨，相当于100万辆家用桥车的年排放量。2019年，我国电解铝产量为3593万吨。按照生产一吨电解铝约需消耗13500 kWh电能进行测算，行业总耗电约为4850.6亿kWh，占2019年我国全社会用电量72255亿kWh的6.7%。采用火力发电，每生产1吨铝会产生约13吨CO2。如果提高电解效率降低能耗，并采用惰性阳极电解减少阳极CO2排放，可以实现铝电解工业的大规模减排，但惰性阳极的研发目前仍受到高温熔盐中富氧强极化工作环境的挑战。

2 关键设备能源效率提升

我国工业碳排放约占排放总量的44%[2]，工业过程的优化提升与构建绿色低碳的工业体系是实现“碳减排”的关键手段。

采用新型热力循环与高效热功转换技术可以实现高效发电，有效提高能源利用效率，减少碳排放。超超临界燃煤发电技术、超临界CO2循环高效燃煤发电技术是未来清洁高效发电技术的热点研究方向[3]。在这两项发电技术中，设备承压部件材料的化学稳定性及可靠性是亟待解决的问题，这涉及到材料的高温氧化、高温CO2腐蚀、蠕变、疲劳及其相互作用，明确高温合金的应力作用机制、蠕变疲劳交互作用、腐蚀寿命预测等问题是关键。

在电力配送输运领域，为提高输变电效率，我国正积极加强电网互联、提升大容量远距离输电能力，发展特高压输电技术。电网工程覆盖区域广阔，电网设备所处自然环境腐蚀规律与特征具有明显的地域差异，不同大气、土壤等自然环境类型导致电网户外设备的材料腐蚀及使用寿命差别很大。这也为电网工程建设中的选材和腐蚀防护工作提出了新的挑战。

3 清洁能源的开发与利用

高比例清洁能源系统被认为是引领全球能源向绿色低碳转型的主体[4]。目前，可再生能源在能源结构中的比重日益增加，预计到2025年可再生能源将成为世界第一大电力来源，到2050年占到发电量的近90%、能源供应总量的2/3。以可再生能源、先进核能、氢能、储能技术为代表的零碳排关键技术是建设低碳绿色能源体系、实现碳中和目标的核心工作。

3.1 清洁能源发电技术中的腐蚀防护问题

可再生能源主要包括太阳光/热能、水能、海洋能、风能、地热能等。其各自的开发过程中也给材料腐蚀科学和防护技术的发展带来了新的机遇与挑战。

太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，其应用过程中主要涉及到光伏发电系统混凝土桩基腐蚀，接地螺栓腐蚀、电路板腐蚀、电子元件腐蚀、电池组件腐蚀等腐蚀问题。太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机进行发电的工艺。其中最主要的传热介质为高温熔盐，会对熔盐罐体、管道、阀门、换热器组件造成严重的腐蚀失效。

水力发电的原理是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。其中水轮机、压力钢管等设备会受到水流泥沙的冲刷磨损的影响，也会在潮湿大气或干湿交替工况下受到锈蚀。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能等，在这类能源的开发过程中，其能量转化设备主要受到海水腐蚀、生物污损、腐蚀疲劳及其耦合作用。风能主要分为陆上风电和海上风电两部分，其中海上风电场的设备所处环境更为复杂。海洋大气区高湿度、高盐雾、长日照，浪花飞溅区干湿交替，水下区海水浸泡、生物附着等，苛刻的腐蚀环境对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻挑战。

地热发电是把地下热能转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的技术。由于地热蒸汽中含有强腐蚀性的硫化氢 、二氧化碳等气体，以及其它有害杂质如致使地热电站设备发生腐蚀。

核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。核电设备的腐蚀主要包括核反应堆压力容器腐蚀、蒸汽发生器传热管道腐蚀、换热器腐蚀、核反应堆堆芯材料腐蚀等[5]。由于核设备长期处于高温高压流动水或饱和蒸汽、310～330℃高温、15.5 MPa 高压、复杂工作应力以及强烈辐照等运行工况下。尤其管路杂质沉积容易引起塞积、应力腐蚀开裂。这些局部腐蚀、磨蚀、腐蚀疲劳、应力腐蚀，辐照脆化等老化现象都会导致设备整体或部分部件功能失效而引发事故。其次，大多数核电站建于海边，核电设备长期受到海水的侵蚀。

页岩气、煤层气、致密（油）气、可燃冰等非常规能源潜力巨大，同样有着重要的战略地位。而在这类非常规能源的开采利用过程中会涉及到开采与输运设备在高温高压和复杂化学环境条件下的多相流腐蚀问题。

3.2 清洁能源电力利用技术中的腐蚀防护问题

氢能是未来碳中和社会技术、产业竞争新的制高点，而采用可再生能源电解水制备“绿氢”尤其是未来的发展趋势[6]。氢气的规模制备、储运与利用过程中都为腐蚀科学与防护技术的发展带来新的挑战与机遇。上游氢气的电解制备中，电解槽体腐蚀、极板腐蚀、阴阳极催化剂稳定性下降、隔膜材料腐蚀等问题都限制着电解设备的长效稳定性。中国科协发布的2020重大科学问题和工程技术难题中，其中第8条就是如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现“大规模” “低能耗” “高稳定性”三者的统一？中游氢气的输运过程中会对输运管道造成氢腐蚀/氢脆失效。下游加氢及氢气综合利用过程中，加氢站设备也涉及氢脆失效风险，会造成重大安全事故。氢气利用设备如燃料电池中也存在着催化剂稳定性下降、集流体失效、隔膜材料失效等腐蚀问题。

燃料电池是一种将燃料化学能转化为电能的发电装置，其发电不受卡诺循环的限制。目前常见的燃料电池有质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池三类，这三类燃料电池的应用过程中都涉及到设备和催化剂的腐蚀及失效问题。质子交换膜燃料电池处于弱酸性服役环境中，且可能存在一些等杂质离子，金属双极板腐蚀、质子交换膜腐蚀、阴阳极催化剂脱落等限制着电池设备的长效稳定性。熔融碳酸盐燃料电池处于高温熔盐介质中，其主要腐蚀问题为壳体材料、集流体材料的腐蚀以及阴极NiO催化剂的溶解失效。固体氧化物燃料电池处于高温CO2、 H2O 服役环境中，会对阴阳极金属连接体材料造成高温氧化、碳化失效，并因此对催化剂造成毒化。

风能、太阳能和海洋能等可再生能源发电会受到季节、气象和地域条件的影响，具有明显的不连续、不稳定性特征，会影响电网的运行稳定性。配套大规模高效储能装置，可以解决发电与用电的时差矛盾及间歇式可再生能源发电直接并网对电网的冲击[7]。目前常见的大规模储能电池有Na-S电池、液态金属电池、液流电池等。这类高温电池的正、负极活性物质通常具有较强的腐蚀性，液态电极、电解液对电池壳体材料、电池集流体材料的腐蚀也催生了极端服役条件下材料的失效机制科学问题[8]。

电解工艺在电解水、氯碱工业、电冶金、电镀、污水处理、电解防污等领域有着广泛应用，随着可再生能源电力的大力发展，一些新兴电解工艺如固体氧化物电解、熔融碳酸盐绿色冶金等也在助力“双碳”目标的实现。电极是电解工艺的关键部件，阴阳极在电化学极化作用之下，会发生重构，甚至损坏。因此，明确电极的失效机制，寻求长效稳定的电极材料是关键。

4 二氧化碳的捕集封存与利用中的腐蚀防护问题

碳捕集利用与封存（CCUS）技术是构建负碳排放体系的基础，是实现碳中和目标技术组合的重要组成部分，而CCUS技术中CO2捕集、输运、封存、利用设备的稳定性均会受到介质腐蚀的影响，这是制约CCUS规模化发展与应用的瓶颈。例如：在CO2捕集的几种方式中，富氧燃烧过程中装置存在高温氧化与碳化问题，胺法CO2吸收塔存在碳钢结构材料的腐蚀问题。

此外，在CCUS技术链中，CO2输运环节承接着CO2捕集端与封存、利用端，管道是实现中长距离大规模 CO2输送的最可行的方法，但捕集的 CO2流体中通常包含一些腐蚀性杂质（如 H2O、O2、SOx、H2S、酸等）。这些杂质与压缩的 CO2（如超临界状态）一起引入 CO2输送和 CO2封存设备中，将大大增加管道及封存设备的腐蚀风险。

CO2利用包含地质资源利用、化工利用等。地质资源利用主要是利用二氧化碳驱油、驱水，强化石油开采，充分利用地下水资源，在此途径中地质封存井的土壤腐蚀防护是关键。随着可再生能源电力的蓬勃发展，CO2的电化学还原受到越来越多的关注。常见的CO2电化学还原体系包括常温水溶液体系、离子液体体系、高温熔盐体系、固体氧化物电解质体系等。水溶液及离子液体体系中阴极催化剂的稳定性是电解正常运行的关键，有报道称Cu基催化剂会在阴极极化下发生表面重构与最终失效。近些年来，高温熔盐因其较大的CO2吸收容量与高温下较快的电化学还原动力学而被用作CO2捕集及资源化利用的有效介质，CO2可以被高温熔盐捕集随后被电化学还原为碳质产品并获得副产物氧气[9]。而在此电解装置中，电解槽的结构材料和阳极材料的筛选受到熔盐腐蚀的挑战。因此，明确金属材料在高温熔盐中的失效机制及防护策略是推广熔盐CO2捕集及电化学转化技术的重要前提。此外，同样有着较高服役温度的固体氧化物电解槽中结构材料也面临着材料高温氧化的挑战，且服役环境中通常含有CO2与 H2O，高温合金的耐腐蚀性和力学性能都影响着电解槽长效稳定性。

5 总结与展望

实现“双碳”目标，关键在于通过低碳流程再造、零碳能源重构、负碳体系构建等技术途径逐步降低对含碳矿产资源的依赖程度。在“双碳”战略目标下，材料腐蚀科学与防护技术在提高材料利用率、提升关键设备能源效率、清洁能源的开发和利用、二氧化碳的捕集封存与利用四大领域具有重要支撑作用，广大腐蚀防护工作者迎来了新的发展机遇，同时也面临着新的挑战，一系列新生的极端条件下的材料腐蚀防护科学问题亟待解决。