火電廠濕法脫硫裝置的腐蝕、磨損原因及對策
摘要:介紹了火電廠石灰石-石膏濕法脫硫（FGD）裝置中易發生腐蝕和磨損的區域和部件，其中干/濕界面過渡區是腐蝕相對較嚴重的區域。設備腐蝕主要是由低pH的冷凝酸液造成，氣-氣換熱器(GGH)之前的區域主要受煙氣飛灰磨損，吸收塔內部件主要受到石灰石漿液的沖刷磨損。目前火電廠FGD裝置常用防磨蝕材料主要有橡膠襯里、合成樹脂襯里、耐蝕合金鋼和玻璃鋼等。
關鍵詞:濕法脫硫 腐蝕 磨損
為響應國家的環保政策，降低二氧化硫排放量，我國各火力發電廠紛紛上馬煙氣脫硫工程。在多種主要脫硫方法中，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫（FGD）技術被廣泛采用。濕法煙氣脫硫的原理是用石灰石漿液作為脫硫劑，吸收鍋爐煙氣中的SO2等有害性氣體而使煙氣凈化。其特點是整個脫硫系統位于煙道末端，除塵系統之后，脫硫劑和脫硫生成物均為濕態，脫硫反應在吸收塔內完成，反應溫度低于露點，脫硫后煙氣一般需加熱排放[1]。
 圖1 典型石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝流程 |
圖1是石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝流程示意圖。煙氣從鍋爐引風機出口排除經氣-氣換熱器（GGH）降溫后進入吸收塔，煙氣中的SO2被脫硫劑（CaCO3或CaO）漿液所吸收，被凈化后的煙氣經除霧器除霧后離開吸收塔，再進入GGH加熱升溫后由出口煙道進入煙囪排入大氣中。因此，脫硫過程即是俘獲煙氣中的SO2、SO3和HCl等的過程。
石灰石-石膏濕法脫硫方法具有脫硫反應速度快、效率高，吸收劑來源廣泛，調峰適應性強，廢物排放量少，副產品可綜合利用等優點[2]，已成為目前國內外火電廠脫硫的首選方法。隨著大量脫硫裝置的建成投用，其運行中存在的問題也逐漸暴露出來，主要表現為腐蝕、磨損、結垢和堵塞[3]。脫硫部件的腐蝕與磨損問題已成為國內外FGD裝置的研發與應用單位面臨的一個共性問題。我國的FGD屬于引進技術，現在雖然已做到消化吸收和國產化，但由于運行經驗少，對設備中腐蝕和磨損的研究和認識不足，腐蝕和磨損造成的設備損壞時有發生，由于腐蝕和磨損原因更換設備帶來大量維修工作，這越來越引起了人們的重視。
1 腐蝕、磨損部件及原因
從鍋爐引風機出來的高溫煙氣中含有大量的SO2、SO3、NOx、HCl、HF等強腐蝕性的酸性氣體，經過GGH降溫和在吸收塔內完成脫硫反應后，部分SO3與煙氣中的水分結合形成具有強腐蝕性的硫酸冷凝液。絕大部分的SO2、HCl、HF與脫硫劑反應后生成硫酸、亞硫酸、鹽酸和氫氟酸，在FGD系統中會形成低pH的腐蝕環境，從而在設備上產生點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕等各種類型的化學和電化學腐蝕。此外，煙氣中的固體顆粒會對吸收塔之前的設備如GGH、擋板、風機葉片等造成磨損。脫硫反應完成后，煙氣中的大部分固體顆粒最終進入吸收漿液，與漿液中的固體顆粒一起對吸收塔中的非金屬內襯和構件產生沖刷磨損，對金屬構件則會產生電化學腐蝕與磨損相結合的磨蝕。因此，在整個FGD系統中，腐蝕、磨損與磨蝕并存，運行條件十分惡劣。
按照FGD工藝流程特點，可將FGD的腐蝕和磨損分為煙氣流經區域腐蝕磨損、石灰石制備與石膏排放系統腐蝕磨損和脫硫增壓風機腐蝕磨損三種類型進行分析。
1.1 煙氣流經區域
根據煙氣先后流經的順序，可將煙氣流經區域分為吸收塔之前的區域、吸收塔區域和吸收塔之后的區域三個部分來分析。
1.1.1 吸收塔之前的區域
（1）GGH之前的煙氣管道
該區域煙氣溫度一般高于酸的露點，不帶有水霧，基本沒有腐蝕性。但煙氣中的飛灰對該區域的部件會造成沖刷磨損。
（2）GGH
GGH一般有回轉式和管式。在GGH高溫側，由于煙氣溫度較高由此帶來的腐蝕較輕，但換熱元件（如翅片）會受到煙氣攜帶顆粒的沖刷磨損。在低溫側，由于煙氣溫度已降至酸露點以下，在換熱元件的表面會形成濃度較高的硫酸冷凝液，形成酸腐蝕。對管式換熱器來說，一旦形成腐蝕穿孔，泄露的熱媒水將加劇腐蝕進程和擴大腐蝕范圍，必須停機處理。
（3）GGH至吸收塔入口煙道
從GGH低溫側出來的煙氣溫度通常在100 ℃左右，低于酸露點溫度，GGH低溫側會因冷凝酸液的出現產生腐蝕。如果該煙道較長，則不同區域的腐蝕程度有所差別。在吸收塔入口處，由于高溫煙氣與低溫的漿液接觸時會在干/濕界面產生高濃度的酸霧，因此在靠近吸收塔入口處腐蝕較重。同時，低溫的漿液在高溫煙氣作用下水分蒸發后形成可溶性鹽，沉積在管道上，容易結垢形成垢下腐蝕。
1.1.2 吸收塔區域
吸收塔下部為漿液池，漿液的pH一般在5.0~6.2[4]頁碼，對池壁的腐蝕較輕。但漿液中的Cl-會引起點蝕。此外，漿液池中的循環泵和攪拌器會由于電化學腐蝕和沖刷磨損的共同作用而產生磨蝕，而縮短了使用壽命。
吸收塔上部為吸收區（脫硫反應區），冷卻后的煙氣處于飽和狀態，通常在50 ℃左右，漿液與煙氣中酸性氣體的反應中和了酸性煙氣，使得該區的腐蝕情況相對較輕。但噴射的漿液對塔壁和塔內構件形成沖刷作用，特別是當石灰石顆粒較粗時，使得該區的磨損問題比較突出。對于液柱塔來說，由于噴漿母管布置在塔的下部，漿液下落時，對噴漿管的沖刷磨損十分嚴重。而對于噴淋塔來說，磨損情況則會輕一些。
1.1.3 吸收塔之后的區域
（1）吸收塔出口煙道
從吸收塔出來的飽和煙氣溫度僅為45~50 ℃，煙道壁面上積聚的水滴或水膜繼續吸收煙氣中的SO2和SO3形成酸液。此外，有少量漿液液滴被煙氣帶出后在煙道底板上沉積，使該區成為較為嚴重的低溫化學腐蝕區。
（2）再加熱器
低溫煙氣一般都要經過再次加熱以利于排放。進入該區的煙氣往往帶有未經除霧器除盡的水滴和石膏漿液顆粒，液滴撞擊到再加熱器管壁表面，形成具有腐蝕性的液膜和固體沉積物，造成垢下腐蝕。有人測得再加熱器出口煙氣攜帶的水滴pH低于1.7，呈現出嚴重的腐蝕性。
（3）公共出口煙道
再加熱器加熱后的煙氣溫度一般在80~100 ℃，會形成結露。并且煙氣在再加熱器中停留時間較短，很難使煙氣中水霧蒸發，因此也會對公共出口煙道、出口擋板、旁路煙道和煙囪形成腐蝕。
1.2 石灰石制備系統和石膏排出系統
石灰石漿液pH一般在7~8，腐蝕不是主要問題。但如果石灰石漿液制備時利用的是回收水，則漿液中會含有氯離子、硫酸根和亞硫酸根離子，對漿液供應系統會造成酸腐蝕。另外，漿液中主要含有CaCO3顆粒，且濃度較高，對漿泵過流件會有相當嚴重的磨損。
石膏漿液中主要含有氯離子、硫酸根和亞硫酸根離子，其中氯離子質量分數可達2％以上[5]，對漿液排放系統會造成酸腐蝕。此外，石膏漿液對過流件的磨損性要高于石灰石漿液。
1.3 脫硫增壓風機
布置在吸收塔出口處和再加熱器之后的增壓風機，均屬于濕態風機，都處于腐蝕較嚴重的環境中。腐蝕的原因主要是酸性水滴、SO3冷凝液和透過除霧器的漿液造成的點蝕以及附著在葉輪或渦殼表面的固體沉積物引起的縫隙腐蝕。
布置在GGH之前的增壓風機葉片及殼體則會受到高溫煙氣中的飛灰沖刷磨損。
2 FGD常用防腐防磨材料
在FGD中，根據不同區域和設備的腐蝕磨損特點，國內外目前采用的防護材料主要有橡膠襯里、合成樹脂涂層、耐蝕合金鋼、玻璃鋼、不透性石墨、耐蝕塑料、耐蝕硅酸鹽制品、人造鑄石材等。
這些材料性能各異，應用范圍也不相同，有的用于靜態設備（如吸收塔、換熱器等），有的用于動態設備（如泵類、攪拌機等），有的既用于靜態設備又用于動態設備中。
防護材料的選用主要取決于接觸介質的溫度、成分、介質中是否含有固體顆粒等因素。一般可按介質特性、設備結構形式、施工條件及經濟性等因素選取相應的防護材料。
2.1 橡膠襯里
橡膠襯里是把一定厚度的橡膠板粘貼在基體表面，將基體與腐蝕介質隔離，達到防護效果。
橡膠襯里具有良好的化學穩定性、抗滲透性、抗腐蝕和抗磨性等優點，但耐熱性差，遇高溫易分解；膨脹系數比金屬基體大3~5倍，易開裂和剝離。
FGD中常用的橡膠有丁氯橡膠、天然硬質橡膠、丁苯橡膠和丁基橡膠等。主要用于GGH殼體內壁、吸收塔內壁及其內部構件、低溫煙道和濕煙囪等。
2.2 合成樹脂襯里
合成樹脂襯里是將合成樹脂防腐涂料涂敷于金屬表面上，經固化處理后得到保護襯層。為了提高防腐能力，可把原樹脂作為膜料，加入一定尺寸的鱗片作為骨料，構成鱗片樹脂襯層。所用鱗片材料有玻璃、鎳合金、云母及硅酸鹽等，目前用的最多的是玻璃鱗片。
合成樹脂涂層中加入鱗片后，由于鱗片沿平行基體表面方向重疊排列，提高了涂層的抗滲透性、耐磨損性，減少了硬化時的收縮率和熱膨脹率。
在FGD中，合成樹脂襯里與橡膠襯里的應用范圍相似，均有長期成功應用的經驗。美國和歐洲對這兩種材料都采用，德國FGD裝置多采用橡膠襯里，日本多采用合成樹脂襯里。我國目前濕法FGD系統防腐措施多采用德國KCH公司技術，在吸收塔內溫度小于70 ℃區域一般采用橡膠襯里，溫度大于70 ℃區域一般采用玻璃鱗片襯里。
2.3 耐蝕合金鋼
FGD中常用的耐蝕合金鋼一般為不銹鋼(如316L、904L、317LM、雙相不銹鋼）和鎳基合金（如合金825、合金G、合金625、合金926、合金C-276等）。耐蝕合金鋼不但具有良好的耐腐蝕性能，而且具有機械強度高、塑性韌性好、可焊性好和易于成形等優異的機械性能。但缺點是成本較高，且有些鎳基合金屬于期貨，供貨周期長。
耐蝕合金鋼在FGD中的應用主要有兩種方式，一種是整體合金鋼板，另一種是復合軋制鋼板或合金墻紙結構。合金墻紙結構就是采用塞焊等方法以“貼壁紙”方式在基體鋼板上貼一層耐蝕鋼板，以降低成本。
耐蝕合金鋼一般用于FGD系統中腐蝕較嚴重的區域，如吸收塔入口干/濕過渡區采用C-276或59合金，噴淋主管采用926合金 [6]；在公共出口煙道貼耐蝕合金墻紙防腐，用超雙相不銹鋼制作吸收塔反應罐的葉輪、前護板和槳葉，用不銹鋼制作液柱塔的噴漿管，用含鎳不銹鋼制作吸收塔攪拌器葉片[7] 等。
2.4 玻璃鋼
玻璃鋼（簡稱FRP），是用基體材料（環氧樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂等）、增強材料(玻璃纖維、有機物纖維和碳纖維)和輔助劑（固化劑、促進劑、稀釋劑、增韌劑和增縮劑等）構成的一種復合材料。目前FGD系統防腐玻璃鋼大多以金屬為基體，以玻璃纖維為內襯的樹脂玻璃鋼。主要應用在吸收塔的塔體、噴頭、除霧器、管道、煙道、煙囪內襯等。當用作噴漿管時對管內外的耐磨蝕性都有要求[8]。
2.5 其他防護材料
在FGD中，也有一些其他的非金屬防護材料得到應用。如耐蝕塑料、不透性石墨、化工陶瓷、耐蝕硅酸鹽制品、人造鑄石等。
高分子熱塑性塑料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、氟塑料等。PVC主要用于FGD中塔器、貯槽、排氣筒、泵、閥門、管道等；PP多用于貯槽、除霧器等制作料和襯里料；氟塑料中的聚四氟乙烯有“塑料王”之稱，有良好的耐高低溫、耐化學腐蝕性，適用FGD系統中的管件、管道、閥門、泵、塔件制造材料。
3 結束語
我國火電廠FGD主要依賴國外（主要是歐洲、美國和日本）技術，由于我國煤種和石灰石品質變化大且雜質較多，運行工況多變等，使得國外設計的防腐防磨措施并不能完全適合國內工況。同時，由于許多脫硫設施投運時間不長，缺少大機組運行經驗，使得FGD在實際運行中經常出現的設備腐蝕、磨損、堵塞等問題。
目前國內對煙氣脫硫技術的研究主要集中在脫硫方法、工藝設計和系統優化研究上，對脫硫系統運行中的腐蝕和磨損問題，還未來得及開展系統的研究工作。隨著大批脫硫裝置的投運，其腐蝕與磨損問題越來越引起了人們的重視，相關科研和技術人員也正在致力于尋找適合我國國情的更有效的防腐和防磨方法。
參考文獻:
[1] 朱寶山. 燃煤鍋爐大氣污染物凈化技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2006：338.
[2] 郭予超. 我國火電廠煙氣脫硫現狀及展望[J].華東電力，2001，29（9）：1~7.
[3] 陳紹敏. 珞璜電廠濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫系統運行中存在的問題及其分析[J]. 熱力發電，2004，33（07）：46~48.
[4] 周至祥，段建中，薛建明. 火電廠濕法煙氣脫硫技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2006：232~286.
[5] 王穎聰. 濕法脫硫裝置的設備與管道的腐蝕及對策[J]. 電力建設，2003，24（10）：50~53
[6] 崔有貴，游春桃. 鎳基合金在電廠煙氣脫硫吸收塔的應用[J]. 化工設計，2006，16（1）：21~23.
[7] 劉英炎，曾庭華. 連州發電廠煙氣脫硫系統吸收塔葉片損壞的原因分析[J]. 廣東電力，2003，16（3）：69~71.
[8] 王祖培. 火電廠煙氣濕法脫硫裝置吸收塔的設計[J]. 煤化工，2002，10（5）：44~47.
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