燃油燃氣鍋爐尾部灰斗腐蝕機理及解決方案

摘 要

摘要：介紹了燃油燃氣鍋爐尾部灰斗的腐蝕機理。結合工程實例，分析了鍋爐尾部灰斗腐蝕成因，提出了提高灰斗抗腐蝕性能的解決方案，經(jīng)驗證采取的方法有效。關鍵詞：鍋爐；灰斗；腐蝕機理；抗
摘要：介紹了燃油燃氣鍋爐尾部灰斗的腐蝕機理。結合工程實例，分析了鍋爐尾部灰斗腐蝕成因，提出了提高灰斗抗腐蝕性能的解決方案，經(jīng)驗證采取的方法有效。
關鍵詞：鍋爐；灰斗；腐蝕機理；抗腐蝕
Corrosion Mechanism and Protection Measures of Ash Bucket at Tail of oil and Gas-fired Boiler
BAI Tinghe，XU Wenhao，YANG Xiaolin，GAO Fan
Abstract：The corrosion mechanism of ash bucket at tail of oil and gas-fired boiler is introduced. Combined with an engineering example，the reasons for corrosion of the ash bucket are analyzed，and the protection measures for improving the anti-corrosion performance of the ash bucket are proposed.The verification shows that the measures adopted are effective.
Key words：boiler；ash bucket；corrosion mechanism；anti-corrosion
1 概述
   鍋爐燃用的燃料大部分能夠按照設計要求選用，但隨著世界能源開采量的減少，傳統(tǒng)意義上的優(yōu)質(zhì)能源供應量日趨萎縮，而原來使用量很小的劣質(zhì)、高腐蝕性、高污染性的原料逐漸大規(guī)模使用。這些原料的使用勢必引起鍋爐運行工況發(fā)生非常大的變化，如果各鍋爐使用企業(yè)不針對這些變化采取相應的防護措施，結果會大大降低鍋爐部件的使用壽命，縮短鍋爐整體的使用壽命[1]。本文對燃油燃氣鍋爐尾部灰斗腐蝕機理及解決方案進行分析。
2 鍋爐尾部灰斗的腐蝕機理
    目前煉油化工企業(yè)所使用的原油組成發(fā)生了非常大的變化，特別是隨著越來越多高含硫原油的加工。煉油加工的附屬產(chǎn)品——工業(yè)干氣在煉油化工企業(yè)中一般都作為燃油燃氣鍋爐的燃料，這樣就造成了工業(yè)干氣中含硫量的增加，勢必導致以工業(yè)干氣為主要燃料的燃油燃氣鍋爐尾部部件——灰斗的嚴重腐蝕失效。因此針對燃油燃氣鍋爐，為保證其運行的可靠性以及部件的運行壽命，如何從鍋爐尾部的防腐設計上進行改造完善，提高重點腐蝕部位的抗腐蝕性能以及防腐材料的耐溫性能成為一項非常迫切的技術工作。
    導致燃油燃氣鍋爐尾部腐蝕加劇的主要因素為：①由于燃料中含硫量的增加，在燃燒過程中所產(chǎn)生的硫化物增加，即S02含量增大，導致煙氣巾的 S02與水蒸氣形成的硫酸蒸氣也增加，當煙氣溫度降至露點時，就會凝結從而產(chǎn)生非常嚴重的腐蝕。②煙氣中含有的硫酸蒸氣對過熱器和省煤器具有一定的腐蝕作用[2]，由于硫酸鹽穴的自催化作用，加速了過熱器和省煤器的腐蝕速率，易造成過熱器和省煤器的爆管，造成大量過熱蒸汽和飽和水竄入煙氣之中最終聚集到鍋爐尾部的灰斗處，形成硫酸溶液對灰斗造成嚴重的損壞。由于泄漏的蒸汽和水溫度比較高，對灰斗內(nèi)壁耐溫性能差的防腐層也有一定的破壞作用。
3 實例分析
    某煉油化工企業(yè)燃油燃氣鍋爐是20世紀70年代制造投用的設備，按照當時燃料的性質(zhì)，灰斗材料為20號鋼，灰斗內(nèi)壁采用一般防腐漆，外壁用絕熱材料覆蓋以確保煙氣溫度不至于過快降至露點。對于鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣，一般來說其中所含的灰渣是比較干燥的。當煙氣經(jīng)過過熱器、省煤器、空氣預熱器到達灰斗處時，由于灰斗流通斷面的突然擴大而在此處沉積下來。正常情況下，干燥的灰渣不易產(chǎn)生腐蝕，但由于煉油化工企業(yè)的燃油燃氣鍋爐所使用的燃料主要是工業(yè)干氣，即煉油化工裝置產(chǎn)生的附屬產(chǎn)品及一些雜質(zhì)，其成分非常復雜，燃料在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的水蒸氣和S02，煙氣在排出的過程中隨著溫度降低，很容易形成硫酸溶液，同時不易充分燃燒的組分與硫酸溶液混合形成黏度很大的黏稠性灰渣而不是干燥的灰渣。當這些黏稠性灰渣隨煙氣流到鍋爐尾部時就會在這些部位的金屬表面附著，這樣非常容易產(chǎn)生垢下腐蝕等電化學腐蝕(見圖1)。采用常規(guī)防腐措施的灰斗使用壽命僅為2～3個月，由于灰斗腐蝕穿孔造成引風機輸送煙氣的能力大大降低而使鍋爐爐膛負壓不容易維持，從而嚴重影響了鍋爐的安全、長時間平穩(wěn)運行[3]。
 

    通過對鍋爐灰斗鋼板腐蝕斷面的金相組織分析(見圖2)，腐蝕發(fā)生的機理主要是腐蝕介質(zhì)對鋼板的點蝕和沖蝕，由于點蝕和沖蝕的共同作用，使金屬表面的保護層剝離，腐蝕介質(zhì)與金屬直接接觸而發(fā)生腐蝕，含有顆粒等雜質(zhì)的高溫、高速煙氣連續(xù)不斷地直接沖擊金屬表面又進一步造成鍋爐灰斗金屬表面的沖蝕，因此鍋爐灰斗在非常短的運行時間內(nèi)就出現(xiàn)了穿孔失效的情況[4]。
 

    由燃料氣的分析化驗結果可知，H2S的質(zhì)量分數(shù)為1.2818%。在燃燒過程中通過化學反應能夠生成S03組分的只有H2S，燃燒過程的化學方程式為：
    H2S+202=S03+H20
    通過對燃油燃氣鍋爐的灰渣成分進行分析可知，腐蝕性介質(zhì)為硫酸。由此可知，燃油燃氣鍋爐的腐蝕基本上是硫酸腐蝕造成的。
    通過對灰斗腐蝕情況的分析研究，為確保灰斗防腐蝕的效果，防腐涂料必須具有良好的耐磨性能、抗含有粉塵的高溫氣流沖刷性能、良好的物理機械性能，并具有較高的附著力、較高溫度下耐酸、堿、鹽等熱溶液腐蝕性能和耐常溫條件下各類油品和化學品腐蝕等性能[5]。
4 防腐涂料的性能研究
通過實驗室試驗篩選開發(fā)的氟碳樹脂耐磨重防腐涂料具有上述性能。主要組成以特種環(huán)氧樹脂、氟碳樹脂、固化劑、改性劑為主要成膜物，加入各種耐腐蝕顏填料、助劑等雙組分涂料。由于環(huán)氧樹脂具有環(huán)氧基和羥基而提供樹脂良好的粘結性能，雙酸A結構可以提供樹脂良好的耐熱性和剛性，醚鍵可以提供樹脂良好的柔韌性和耐化學藥品性能。氟碳樹脂通過化學接枝而成的雙組分改性涂料具有良好的耐磨、耐沖蝕以及良好的物理機械性能和強附著力，耐酸、堿、鹽等熱溶液腐蝕性也比較優(yōu)良。
采用實驗室模擬鍋爐灰斗腐蝕環(huán)境，對氟碳樹脂耐磨重防腐涂料的性能進行檢驗，檢驗項目及依據(jù)見表1，涂料的技術指標完全達到了灰斗防腐蝕的要求。采用氟碳樹脂耐磨重防腐涂料，對該燃油燃氣鍋爐灰斗在2007年2月進行改造，到目前為止經(jīng)過3年鍋爐運行狀況平穩(wěn)，未出現(xiàn)灰斗腐蝕穿孔失效的情況。通過內(nèi)部檢查，防腐層狀況良好，沒有剝離開裂的情況出現(xiàn)，滿足了防腐蝕要求。
表1 檢驗項目及依據(jù)
序號
檢驗項目
檢驗依據(jù)
1
耐鹽水性(23℃±2℃，質(zhì)量分數(shù)3%的NaCl溶液)14d
GB/T 9274—1988，甲法
耐鹽水性(95℃±2℃，質(zhì)量分數(shù)3%的NaCl溶液)7d
GB/T 9274—1988，甲法
2
耐堿性(23℃±2℃，質(zhì)量分數(shù)30%的NaOH溶液)14d
GB/T 9265—1988，甲法
耐堿性(95℃±2℃，質(zhì)量分數(shù)30%的NaOH溶液)7d
GB/T 9265—1988，甲法
3
耐酸性(23℃±2℃，質(zhì)量分數(shù)10%的H2S04溶液)14d
GB/T 9274—1988，甲法
耐酸性(95℃±2℃，質(zhì)量分數(shù)10%的H2S04溶液)7d
GB/T 9274—1988，甲法
4
耐水性(23℃±2℃，水)14d
GB/T 1733一1993，甲法
耐水性(95℃±2℃，水)7d
GB/T 1733 1993，甲法
5
耐汽油性(23%±2℃，90號汽油)14d
GB/T 9274—1988，甲法
6
耐磨性
GB/T 1768—2006
5 技術經(jīng)濟性分析
   ① 采用氟碳樹脂耐磨重防腐涂料，在滿足現(xiàn)有燃料性質(zhì)的條件下，灰斗使用壽命從原來的2～3個月提高到3年以上，基本上滿足了煉油化工企業(yè)燃油燃氣鍋爐長時間平穩(wěn)運行的要求。
   ② 采用通常的防腐漆進行防腐處理，一個灰斗的制造安裝費用為8.3×104元。而采用氟碳樹脂耐磨重防腐涂料進行防腐處理，一個灰斗的制造安裝費用為15.6×104元。采用通常的防腐漆灰斗的使用壽命按2個月計算，采用氟碳樹脂耐磨重防腐涂料灰斗的使用壽命按1年計算，1年內(nèi)可節(jié)省34.2×104元。因此，在目前燃料性質(zhì)比較惡劣的情況下，在燃油燃氣鍋爐的尾部灰斗通過采用氟碳樹脂耐磨重防腐涂料，可以產(chǎn)生非常顯著的經(jīng)濟效益。
參考文獻：
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[2] 化學工業(yè)部化工機械研究院.腐蝕與防護手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1991：1-30.
[3] 趙欽新，惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安：西安交通大學出版社，2000：2-27.
[4] 秦國治，丁良棉，田志明.管道防腐蝕技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：1-14.
[5] 吳望周.化工設備斷裂失效分析基礎[M].南京：東南大學出版社，1991：184-210.
 
(本文作者：白庭河1、2 徐文豪2 楊曉霖2 高凡3 1.蘭州理工大學 石油化工學院 甘肅蘭州 730050；2.蘭州石化公司 動力廠 甘肅蘭州 730060；3.中石油第二建設公司 甘肅蘭州 730060)