火电厂湿法脱硫装置的腐蚀、磨损原因及对策
摘要:介绍了火电厂石灰石-石膏湿法脱硫（FGD）装置中易发生腐蚀和磨损的区域和部件，其中干/湿界面过渡区是腐蚀相对较严重的区域。设备腐蚀主要是由低pH的冷凝酸液造成，气-气换热器(GGH)之前的区域主要受烟气飞灰磨损，吸收塔内部件主要受到石灰石浆液的冲刷磨损。目前火电厂FGD装置常用防磨蚀材料主要有橡胶衬里、合成树脂衬里、耐蚀合金钢和玻璃钢等。
关键词:湿法脱硫 腐蚀 磨损
为响应国家的环保政策，降低二氧化硫排放量，我国各火力发电厂纷纷上马烟气脱硫工程。在多种主要脱硫方法中，石灰石-石膏湿法烟气脱硫（FGD）技术被广泛采用。湿法烟气脱硫的原理是用石灰石浆液作为脱硫剂，吸收锅炉烟气中的SO2等有害性气体而使烟气净化。其特点是整个脱硫系统位于烟道末端，除尘系统之后，脱硫剂和脱硫生成物均为湿态，脱硫反应在吸收塔内完成，反应温度低于露点，脱硫后烟气一般需加热排放[1]。
 图1 典型石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺流程 |
图1是石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺流程示意图。烟气从锅炉引风机出口排除经气-气换热器（GGH）降温后进入吸收塔，烟气中的SO2被脱硫剂（CaCO3或CaO）浆液所吸收，被净化后的烟气经除雾器除雾后离开吸收塔，再进入GGH加热升温后由出口烟道进入烟囱排入大气中。因此，脱硫过程即是俘获烟气中的SO2、SO3和HCl等的过程。
石灰石-石膏湿法脱硫方法具有脱硫反应速度快、效率高，吸收剂来源广泛，调峰适应性强，废物排放量少，副产品可综合利用等优点[2]，已成为目前国内外火电厂脱硫的首选方法。随着大量脱硫装置的建成投用，其运行中存在的问题也逐渐暴露出来，主要表现为腐蚀、磨损、结垢和堵塞[3]。脱硫部件的腐蚀与磨损问题已成为国内外FGD装置的研发与应用单位面临的一个共性问题。我国的FGD属于引进技术，现在虽然已做到消化吸收和国产化，但由于运行经验少，对设备中腐蚀和磨损的研究和认识不足，腐蚀和磨损造成的设备损坏时有发生，由于腐蚀和磨损原因更换设备带来大量维修工作，这越来越引起了人们的重视。
1 腐蚀、磨损部件及原因
从锅炉引风机出来的高温烟气中含有大量的SO2、SO3、NOx、HCl、HF等强腐蚀性的酸性气体，经过GGH降温和在吸收塔内完成脱硫反应后，部分SO3与烟气中的水分结合形成具有强腐蚀性的硫酸冷凝液。绝大部分的SO2、HCl、HF与脱硫剂反应后生成硫酸、亚硫酸、盐酸和氢氟酸，在FGD系统中会形成低pH的腐蚀环境，从而在设备上产生点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等各种类型的化学和电化学腐蚀。此外，烟气中的固体颗粒会对吸收塔之前的设备如GGH、挡板、风机叶片等造成磨损。脱硫反应完成后，烟气中的大部分固体颗粒最终进入吸收浆液，与浆液中的固体颗粒一起对吸收塔中的非金属内衬和构件产生冲刷磨损，对金属构件则会产生电化学腐蚀与磨损相结合的磨蚀。因此，在整个FGD系统中，腐蚀、磨损与磨蚀并存，运行条件十分恶劣。
按照FGD工艺流程特点，可将FGD的腐蚀和磨损分为烟气流经区域腐蚀磨损、石灰石制备与石膏排放系统腐蚀磨损和脱硫增压风机腐蚀磨损三种类型进行分析。
1.1 烟气流经区域
根据烟气先后流经的顺序，可将烟气流经区域分为吸收塔之前的区域、吸收塔区域和吸收塔之后的区域三个部分来分析。
1.1.1 吸收塔之前的区域
（1）GGH之前的烟气管道
该区域烟气温度一般高于酸的露点，不带有水雾，基本没有腐蚀性。但烟气中的飞灰对该区域的部件会造成冲刷磨损。
（2）GGH
GGH一般有回转式和管式。在GGH高温侧，由于烟气温度较高由此带来的腐蚀较轻，但换热元件（如翅片）会受到烟气携带颗粒的冲刷磨损。在低温侧，由于烟气温度已降至酸露点以下，在换热元件的表面会形成浓度较高的硫酸冷凝液，形成酸腐蚀。对管式换热器来说，一旦形成腐蚀穿孔，泄露的热媒水将加剧腐蚀进程和扩大腐蚀范围，必须停机处理。
（3）GGH至吸收塔入口烟道
从GGH低温侧出来的烟气温度通常在100 ℃左右，低于酸露点温度，GGH低温侧会因冷凝酸液的出现产生腐蚀。如果该烟道较长，则不同区域的腐蚀程度有所差别。在吸收塔入口处，由于高温烟气与低温的浆液接触时会在干/湿界面产生高浓度的酸雾，因此在靠近吸收塔入口处腐蚀较重。同时，低温的浆液在高温烟气作用下水分蒸发后形成可溶性盐，沉积在管道上，容易结垢形成垢下腐蚀。
1.1.2 吸收塔区域
吸收塔下部为浆液池，浆液的pH一般在5.0~6.2[4]页码，对池壁的腐蚀较轻。但浆液中的Cl-会引起点蚀。此外，浆液池中的循环泵和搅拌器会由于电化学腐蚀和冲刷磨损的共同作用而产生磨蚀，而缩短了使用寿命。
吸收塔上部为吸收区（脱硫反应区），冷却后的烟气处于饱和状态，通常在50 ℃左右，浆液与烟气中酸性气体的反应中和了酸性烟气，使得该区的腐蚀情况相对较轻。但喷射的浆液对塔壁和塔内构件形成冲刷作用，特别是当石灰石颗粒较粗时，使得该区的磨损问题比较突出。对于液柱塔来说，由于喷浆母管布置在塔的下部，浆液下落时，对喷浆管的冲刷磨损十分严重。而对于喷淋塔来说，磨损情况则会轻一些。
1.1.3 吸收塔之后的区域
（1）吸收塔出口烟道
从吸收塔出来的饱和烟气温度仅为45~50 ℃，烟道壁面上积聚的水滴或水膜继续吸收烟气中的SO2和SO3形成酸液。此外，有少量浆液液滴被烟气带出后在烟道底板上沉积，使该区成为较为严重的低温化学腐蚀区。
（2）再加热器
低温烟气一般都要经过再次加热以利于排放。进入该区的烟气往往带有未经除雾器除尽的水滴和石膏浆液颗粒，液滴撞击到再加热器管壁表面，形成具有腐蚀性的液膜和固体沉积物，造成垢下腐蚀。有人测得再加热器出口烟气携带的水滴pH低于1.7，呈现出严重的腐蚀性。
（3）公共出口烟道
再加热器加热后的烟气温度一般在80~100 ℃，会形成结露。并且烟气在再加热器中停留时间较短，很难使烟气中水雾蒸发，因此也会对公共出口烟道、出口挡板、旁路烟道和烟囱形成腐蚀。
1.2 石灰石制备系统和石膏排出系统
石灰石浆液pH一般在7~8，腐蚀不是主要问题。但如果石灰石浆液制备时利用的是回收水，则浆液中会含有氯离子、硫酸根和亚硫酸根离子，对浆液供应系统会造成酸腐蚀。另外，浆液中主要含有CaCO3颗粒，且浓度较高，对浆泵过流件会有相当严重的磨损。
石膏浆液中主要含有氯离子、硫酸根和亚硫酸根离子，其中氯离子质量分数可达2％以上[5]，对浆液排放系统会造成酸腐蚀。此外，石膏浆液对过流件的磨损性要高于石灰石浆液。
1.3 脱硫增压风机
布置在吸收塔出口处和再加热器之后的增压风机，均属于湿态风机，都处于腐蚀较严重的环境中。腐蚀的原因主要是酸性水滴、SO3冷凝液和透过除雾器的浆液造成的点蚀以及附着在叶轮或涡壳表面的固体沉积物引起的缝隙腐蚀。
布置在GGH之前的增压风机叶片及壳体则会受到高温烟气中的飞灰冲刷磨损。
2 FGD常用防腐防磨材料
在FGD中，根据不同区域和设备的腐蚀磨损特点，国内外目前采用的防护材料主要有橡胶衬里、合成树脂涂层、耐蚀合金钢、玻璃钢、不透性石墨、耐蚀塑料、耐蚀硅酸盐制品、人造铸石材等。
这些材料性能各异，应用范围也不相同，有的用于静态设备（如吸收塔、换热器等），有的用于动态设备（如泵类、搅拌机等），有的既用于静态设备又用于动态设备中。
防护材料的选用主要取决于接触介质的温度、成分、介质中是否含有固体颗粒等因素。一般可按介质特性、设备结构形式、施工条件及经济性等因素选取相应的防护材料。
2.1 橡胶衬里
橡胶衬里是把一定厚度的橡胶板粘贴在基体表面，将基体与腐蚀介质隔离，达到防护效果。
橡胶衬里具有良好的化学稳定性、抗渗透性、抗腐蚀和抗磨性等优点，但耐热性差，遇高温易分解；膨胀系数比金属基体大3~5倍，易开裂和剥离。
FGD中常用的橡胶有丁氯橡胶、天然硬质橡胶、丁苯橡胶和丁基橡胶等。主要用于GGH壳体内壁、吸收塔内壁及其内部构件、低温烟道和湿烟囱等。
2.2 合成树脂衬里
合成树脂衬里是将合成树脂防腐涂料涂敷于金属表面上，经固化处理后得到保护衬层。为了提高防腐能力，可把原树脂作为膜料，加入一定尺寸的鳞片作为骨料，构成鳞片树脂衬层。所用鳞片材料有玻璃、镍合金、云母及硅酸盐等，目前用的最多的是玻璃鳞片。
合成树脂涂层中加入鳞片后，由于鳞片沿平行基体表面方向重叠排列，提高了涂层的抗渗透性、耐磨损性，减少了硬化时的收缩率和热膨胀率。
在FGD中，合成树脂衬里与橡胶衬里的应用范围相似，均有长期成功应用的经验。美国和欧洲对这两种材料都采用，德国FGD装置多采用橡胶衬里，日本多采用合成树脂衬里。我国目前湿法FGD系统防腐措施多采用德国KCH公司技术，在吸收塔内温度小于70 ℃区域一般采用橡胶衬里，温度大于70 ℃区域一般采用玻璃鳞片衬里。
2.3 耐蚀合金钢
FGD中常用的耐蚀合金钢一般为不锈钢(如316L、904L、317LM、双相不锈钢）和镍基合金（如合金825、合金G、合金625、合金926、合金C-276等）。耐蚀合金钢不但具有良好的耐腐蚀性能，而且具有机械强度高、塑性韧性好、可焊性好和易于成形等优异的机械性能。但缺点是成本较高，且有些镍基合金属于期货，供货周期长。
耐蚀合金钢在FGD中的应用主要有两种方式，一种是整体合金钢板，另一种是复合轧制钢板或合金墙纸结构。合金墙纸结构就是采用塞焊等方法以“贴壁纸”方式在基体钢板上贴一层耐蚀钢板，以降低成本。
耐蚀合金钢一般用于FGD系统中腐蚀较严重的区域，如吸收塔入口干/湿过渡区采用C-276或59合金，喷淋主管采用926合金 [6]；在公共出口烟道贴耐蚀合金墙纸防腐，用超双相不锈钢制作吸收塔反应罐的叶轮、前护板和桨叶，用不锈钢制作液柱塔的喷浆管，用含镍不锈钢制作吸收塔搅拌器叶片[7] 等。
2.4 玻璃钢
玻璃钢（简称FRP），是用基体材料（环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂等）、增强材料(玻璃纤维、有机物纤维和碳纤维)和辅助剂（固化剂、促进剂、稀释剂、增韧剂和增缩剂等）构成的一种复合材料。目前FGD系统防腐玻璃钢大多以金属为基体，以玻璃纤维为内衬的树脂玻璃钢。主要应用在吸收塔的塔体、喷头、除雾器、管道、烟道、烟囱内衬等。当用作喷浆管时对管内外的耐磨蚀性都有要求[8]。
2.5 其他防护材料
在FGD中，也有一些其他的非金属防护材料得到应用。如耐蚀塑料、不透性石墨、化工陶瓷、耐蚀硅酸盐制品、人造铸石等。
高分子热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、贮槽、排气筒、泵、阀门、管道等；PP多用于贮槽、除雾器等制作料和衬里料；氟塑料中的聚四氟乙烯有“塑料王”之称，有良好的耐高低温、耐化学腐蚀性，适用FGD系统中的管件、管道、阀门、泵、塔件制造材料。
3 结束语
我国火电厂FGD主要依赖国外（主要是欧洲、美国和日本）技术，由于我国煤种和石灰石品质变化大且杂质较多，运行工况多变等，使得国外设计的防腐防磨措施并不能完全适合国内工况。同时，由于许多脱硫设施投运时间不长，缺少大机组运行经验，使得FGD在实际运行中经常出现的设备腐蚀、磨损、堵塞等问题。
目前国内对烟气脱硫技术的研究主要集中在脱硫方法、工艺设计和系统优化研究上，对脱硫系统运行中的腐蚀和磨损问题，还未来得及开展系统的研究工作。随着大批脱硫装置的投运，其腐蚀与磨损问题越来越引起了人们的重视，相关科研和技术人员也正在致力于寻找适合我国国情的更有效的防腐和防磨方法。
参考文献:
[1] 朱宝山. 燃煤锅炉大气污染物净化技术手册[M].北京：中国电力出版社，2006：338.
[2] 郭予超. 我国火电厂烟气脱硫现状及展望[J].华东电力，2001，29（9）：1~7.
[3] 陈绍敏. 珞璜电厂湿式石灰石-石膏法烟气脱硫系统运行中存在的问题及其分析[J]. 热力发电，2004，33（07）：46~48.
[4] 周至祥，段建中，薛建明. 火电厂湿法烟气脱硫技术手册[M].北京：中国电力出版社，2006：232~286.
[5] 王颖聪. 湿法脱硫装置的设备与管道的腐蚀及对策[J]. 电力建设，2003，24（10）：50~53
[6] 崔有贵，游春桃. 镍基合金在电厂烟气脱硫吸收塔的应用[J]. 化工设计，2006，16（1）：21~23.
[7] 刘英炎，曾庭华. 连州发电厂烟气脱硫系统吸收塔叶片损坏的原因分析[J]. 广东电力，2003，16（3）：69~71.
[8] 王祖培. 火电厂烟气湿法脱硫装置吸收塔的设计[J]. 煤化工，2002，10（5）：44~47.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
