火电机组在我国装机容量中所占比重超过70%.各电厂为降低排烟温度, 减少排烟损失, 同时提高下游脱硫除尘效率, 优化电厂运行经济性, 大多考虑在尾部烟道加装烟气换热器.但是随着烟温降低, 尾部低温受热面区域低温腐蚀也随之出现.

烟气低温腐蚀是指锅炉低温烟气中的水蒸气、硫酸蒸气凝结至锅炉低温受热面上, 与传热管金属发生化学反应, 造成传热管壁厚腐蚀减薄失效损坏^[1].由于燃料中含硫, 硫在炉膛中燃烧生成二氧化硫(SO₂), 少量二氧化硫进一步氧化生成三氧化硫(SO₃), 三氧化硫与烟气中水蒸气反应生成硫酸蒸气(H₂SO₄).气态状态下, 硫酸并不对受热面产生腐蚀, 但当受热面壁温低于烟气中酸露点时, 蒸气会在受热面上凝结, 从而对受热面金属产生强烈的腐蚀, 即低温酸腐蚀.

国内外对低温腐蚀问题已进行了多方面的研究.小若正伦等经过多年研究提出了硫酸腐蚀的“三段论”, 较好地解释了实际工况下的腐蚀过程^[2]; 洛阳石化工程公司设备研究院王维宗在1992年就针对硫酸露点腐蚀机理进行研究及归纳, 并提出了应对硫酸露点腐蚀的一些措施^[3]; 青海石油管理局李许年针对锅炉空气预热器, 对低温腐蚀危害及成因进行了分析^[4]; 大唐科技产业有限公司张国柱结合低温腐蚀机理, 对低温省煤器的设计做出了优化改进^[5].

对于低温腐蚀产生机理、危害等方面已有较为深入的研究, 在工程应用中也提出了不少减轻与防止低温腐蚀的方法及措施, 其中最常用也是最简易的方法是采用耐低温腐蚀的材料, 但是, 针对不同烟温区域, 耐腐蚀材料的选择尚无统一的标准.笔者基于酸露点温度分析、实际工程经验, 对比了几种常用管材的耐腐蚀性能, 为实际工程设计提供一定的指导作用.

1 低温酸露点温度及其应用

低温腐蚀问题普遍存在于含硫燃料的锅炉机组尾部受热面, 因此尾部受热面设计的一个关键环节在于烟气酸露点温度的确定.该温度的确定将为受热面材质选取及布置提供设计依据.

目前, 我国锅炉行业大多采用前苏联1973版标准《锅炉机组热力计算标准方法》^[6]推荐的露点温度t_sld计算式, 即

(1)

式中:S_ar.zs为燃料的折算硫分, S_ar.zs=4.187×10³S_ar/Q_{ar, net}表示1 000 kJ·kg^-1热值的燃料硫分, S_ar为燃料硫分, Q_{ar, net}为收到基低位热值; A_ar.zs为燃料的折算灰分, A_ar.zs=4.187×10³A_ar/Q_{ar, net}表示1 000 kJ·kg^-1热值的燃料灰分, A_ar为燃料灰分; a_fh为飞灰占总灰分的份额, 对煤粉炉取0.8～0.9;β为与炉膛出口过剩空气系数α_f有关的系数, 当α_f=1.2时, β=121, 当α_f=1.4~1.5时, β=129, 标准中取β=125;t_ld为纯水蒸气露点温度, ℃, 按烟气中水蒸气分压力p_H2O由饱和湿空气表查取, 也可按式(2)计算:

(2)

上述计算方法是20世纪50年代由前苏联热工研究所在试验数据基础上整理而成, 主要适用于固体和液体燃料.计算公式结构相对完整, 可按燃料特性直接进行计算, 且考虑了灰分自脱硫作用, 在国内有一定验证实绩.其不足在于没有反映SO₂转化成SO₃对露点温度的影响, 并且计算值较实际测量值高约25~50℃^[7].

酸露点温度的确定可指导锅炉尾部受热面的设计及材料选择.根据陕西神木地区兰炭尾气锅炉以及焦作龙星化工炭黑尾气锅炉的实际运行情况, 兰炭尾气锅炉尾部排烟的酸露点温度一般在120～130℃左右, 炭黑尾气锅炉尾部排烟的酸露点温度一般在150～180℃左右.针对这两种炉型, 设计过程中建议在尾部排烟酸露点温度基础上增加5~10℃作为界限温度.在管外壁温度高于该界限温度的烟温区, 受热面材料可选择碳钢; 在管外壁温度低于该界限温度30~40℃的烟温区, 受热面材料可选择ND钢或316 L等不锈钢; 若管外壁温度进一步降低, 则需要选择双相不锈钢、塑钢管等特殊材料.

2 硫酸腐蚀性试验

低温酸腐蚀多为硫酸腐蚀.为明确换热管不同材料在不同质量分数的硫酸中的耐腐蚀情况, 为受热面设计提供依据, 本文对碳钢、ND钢、316 L不锈钢、无机涂料+碳钢(有破口、无破口各1种)等共5种管材的硫酸腐蚀性进行了试验研究.

2.1 试验标准及方法

参照JB/T 7901—1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》^[8]的规定, 根据实际需要, 对5种试样进行硫酸腐蚀性试验, 试样规格如表 1所示.试验条件为:(1)硫酸质量分数为20%, 在70℃时浸泡16 h; (2)硫酸质量分数为5%, 在70℃时浸泡40 h.

根据试验结果采用腐蚀速率R对不同材料的耐腐蚀特性进行评估.腐蚀速率计算式为

(3)

式中:R为腐蚀速率, mm·a^-1; M为试验前试样质量, mg; M₁为试验后试样质量, mg; S为试样总面积, cm²; T为试验时间, h; ρ为材料密度, g·cm^-3.

2.2 试验结果分析

硫酸质量分数为20%, 在70℃时浸泡16 h后各试样情况如图 1所示; 硫酸质量分数为5%, 在70℃时浸泡40 h各试样情况如图 2所示.由图 1、2可以直观地对比不同材质的耐腐蚀性, 其中316 L不锈钢在硫酸质量分数分别为5%、20%时, 其耐腐蚀性均优于其余几种材料.

测量在硫酸质量分数不同时试样浸泡前、后的质量, 可计算出各试样的腐蚀速率, 结果如表 2、3所示.

通过计算腐蚀速率, 量化了不同材料在不同质量分数的硫酸溶液中的耐腐蚀性.

(1)无论是在质量分数5%或20%的硫酸溶液中浸泡, 316 L不锈钢都表现出良好的耐腐蚀性, 腐蚀速率远小于其他材质的试样; ND钢试样的耐腐蚀性优于碳钢试样及无机涂料+碳钢试样, 但耐腐蚀性仍远逊于316 L试样; 无机涂料对碳钢材料能起到一定的保护作用, 但喷涂后耐腐蚀性不如316 L及ND钢.

(2)随着硫酸质量分数的增大, 其对不同材质试样的腐蚀性增强, 其中最为明显的为无机涂料+碳钢试样.对比两种质量分数硫酸溶液中的腐蚀速率, 数值由22.18 mm·a^-1激增至226.84 mm·a^-1, 腐蚀速率呈数量级式增大; 而316 L不锈钢试样及ND钢试样则表现相对稳定, 腐蚀速率增大有限.

3 结论

为实现含硫燃料锅炉尾部低温段受热面的合理设计, 需要考虑低温酸腐蚀对受热面的影响.本文针对低温酸腐蚀问题, 依据酸露点温度计算结果及实际工程运行经验, 提出了界限温度概念, 并在不同质量分数的硫酸溶液中对不同材质换热管的耐腐蚀性进行了试验研究, 得出如下结论:

(1)  酸露点温度可采用前苏联73版标准《锅炉机组热力计算标准方法》推荐公式进行计算, 但是实际运用中需考虑计算值与运行值的差异, 留出设计余量.

(2)  提出了界限温度概念, 即尾部排烟酸露点温度基础上增加5~10℃后的温度.在管外壁温度高于界限温度的烟温区, 受热面材料可选择碳钢; 在管外壁温度低于界限温度30~40℃的烟温区, 受热面材料可选择ND钢或316 L等不锈钢; 若管外壁温度进一步降低, 则需要选择双相不锈钢、塑钢管等特殊材料.

(3)  无论是在5%或20%质量分数的硫酸溶液中浸泡, 316 L不锈钢都表现出良好的耐腐蚀性, 腐蚀速率远小于其他材料试样.

(4)  随着硫酸质量分数的增大, 其对不同材质试样的腐蚀性增强.