湿法FGD后烟囱防腐措施的试验研究
[摘要]湿法脱硫后烟气的特点和腐蚀性对脱硫烟囱的运行工况和脱硫烟囱防腐措施均有很大的影响。通过对目前常用的烟囱防腐材料的介绍和对它们的防腐性能进行对比试验研究,寻找出适合湿法FGD后烟囱的防腐材料和措施。
[关键词]湿法FGD烟囱防腐措施腐蚀实验
0引言
随着国家环保要求日益严格,近年来湿法烟气脱硫工艺在火力发电厂应用越来越广泛。湿法烟气脱硫后,净烟气的特性发生了很大的改变。主要是由于脱硫后的烟气温度低,烟囱内壁上呈微湿状态或淋水状态,常规的烟囱防腐处理措施已不能满足要求,为此选择一个适合此运行工况的脱硫烟囱防腐措施,对于电厂的安全经济运行至关重要。另外在锅炉启动过程或脱硫装置因故障而解列时,原烟气可不进入脱硫装置,而通过旁路烟道直接进入烟囱排向大气,防腐材料的选取要考虑这方面的因素。通过对选取的不同防腐材料进行了大量的防腐性能试验,寻找出适合湿法脱硫后烟囱的防腐技术,并对各种防腐材料进行了技术对比。
1烟囱防腐材料的筛选
1.1电厂烟囱运行工况
目前,电厂烟囱主要在以下3种工况下运行[1]:
(1)排放未经脱硫的烟气,进入烟囱的烟气温度在130℃左右。在此条件下,烟囱内壁处于干燥状态,烟气对烟囱内壁材料不直接产生腐蚀;(2)排放经湿法脱硫后的烟气,并且烟气经GGH系统加热,进入烟囱的烟气温度在80℃左右,烟囱内壁有轻微结露,导致排烟内筒内侧积灰。根据排放烟气成分等条件的不同,结露状况将有所变化;(3)排放经湿法脱硫后的烟气,进入烟囱的烟气温度在400℃左右,烟囱内壁有严重结露,沿筒壁有结露的酸液流淌;(4)另外,烟囱设计时还应考虑在锅炉事故状态排放烟气的温度,一般该温度在180℃左右。
1.2脱硫后烟囱形式的选择
按照电力行业标准《火力发电厂土建结构设计技术规定》的要求,当排放强腐蚀性烟气时,宜采用多管式或套筒式烟囱结构型式,即把承重的钢筋混凝土外筒和排烟内筒分开,使外筒受力结构不与强腐蚀性烟气相接触。600 MW机组宜采用1炉配1根排烟管方案,加之目前国内脱硫烟囱的防腐蚀设计还缺乏经验,采用可以维护检修的多管式烟囱较为安全可靠。采用套筒多管式烟囱主要有以下优点:
对于套筒式多管烟囱,排烟内筒的结构材料选择一般有2种:钢内筒型结构和砖砌内筒型结构。采用耐酸砖排烟筒,结构自重量大,施工质量难于控制每条灰缝密实,排烟筒结构的整体性和气密性均较钢排烟筒差,耐酸砖砌筑灰缝是排烟筒耐腐蚀的薄弱环节。抗震性能也较钢排烟筒差。运行中检修维护工作量大。但其造价较钢内筒烟囱要低。采用钢排烟筒,结构自重轻,气密性好,在钢排烟筒内侧设置的防腐层,可有效地防止烟气对钢筒的腐蚀。因此,建议排烟内筒材料选择以钢内筒为宜,这也是目前主导选择。
1.3脱硫后烟囱钢内筒防腐材料的筛选
烟囱钢内筒选择一个合适的内衬,必须考虑以下几方面的因素,(1)技术可行性,满足复杂化学环境下的防腐要求;(2)经济合理,较低的建筑成本,一次性投资费用低;(3)易于施工,施工周期短;(4)运行维护费用低,且方便检修。需注意的是,用材的选择不仅应考虑初期成本,还应考虑装置的可靠运行周期(即大修周期)和总使用寿命等相关问题,以便做出经济上合理的决定。
根据国外的经验,目前湿法脱硫后的烟囱钢内筒内衬防腐主要有3类形式,第1类采用耐腐蚀的轻质隔热的制品粘贴,如发泡耐酸玻璃砖内衬;第2
类贴衬薄板,采用耐酸腐蚀的金属合金薄板材作内衬,内衬材料包括钛板(TiCr2)、镍基合金板(C-276、C22)或铁-镍基耐蚀合金板(AL-6XN);第3类采用耐酸耐热混凝土和玻璃鳞片涂层等防酸腐蚀涂料。由于我国在烟气脱硫这方面起步较晚,缺乏工程实际经验,可供脱硫后烟囱钢内筒内衬选择的材料除上述材料外,还包括耐蚀鳞片胶泥内衬、钾水玻璃耐酸砂浆层内衬、刷防腐涂料层+耐酸耐热混凝土、耐硫酸露点钢内刷防腐涂料层、内筒为耐硫酸露点钢(钢板厚考虑一定腐蚀余量)等。
1.4不同内衬材料的防腐性能试验
通过试验来评估脱硫烟囱防腐内衬材料的防腐性能。标准试验是将一系列材料露置于代表不同腐蚀性程度的环境中进行检测。但是由于腐蚀环境的复杂性,本次试验主要考虑在相对腐蚀性强的环境下进行腐蚀试验。试验具体内容和结果如下。
1.4.1备选内衬材料
本次试验主要的备选内衬材料主要有钛钢复合板、耐蚀鳞片胶泥内衬、耐硫酸露点(ND)钢、橡胶内衬、发泡耐酸玻璃砖内衬、钾水玻璃耐酸砂浆层内衬、内筒为耐硫酸露点钢(钢板厚度考虑一定腐蚀余量)。
1.4.2试验用浸泡液的制备
腐蚀试验用浸泡液依据常用烟囱凝结液的主要成分和浓度进行调配。浸泡液的主要成分及对应浓度如下:Cl-:7 000×10-6;pH:1.6(用硫酸调配);F-:800×10-6(用氟化钠调配);SO:2 000×10-6(用亚硫酸钠调配)。
为了保持浸泡液的成分和浓度稳定性,每隔48h,定期更换浸泡液。
1.4.3腐蚀挂片管的制作和处理
腐蚀试验样品的原材料一定要确保完好无损。标准挂片的制作宽度为30 mm,试验直径和厚度依各样品的实际情况而定。在腐蚀挂片的制作过程中应特别注意不能使挂片扭曲变形或受应力太大,以免材料性能发生变化影响试验结果的准确性。制作好的腐蚀挂片须用滤纸把油脂擦拭干净,然后分别在正已醇和无水乙醇(或丙醇)中用脱脂棉擦洗,用滤纸吸干,然后方可置于干燥器中于4 h后称重。试验结束后也必须采用此方法对腐蚀挂片进行处理。
2腐蚀试验
2.1试验装置
2.2试验条件
试验温度:50±1℃;试液体积与试片面积比:30ml/cm2;试片端与液面距离:≤2 cm;试验时间:180天;重复试验:对每个试验进行平行试验。
2.3试验方法及过程控制
试片首先用滤纸把油脂擦拭干净,然后分别在正已醇和无水乙醇(或丙醇)中用脱脂棉擦洗,用滤纸吸干,然后加入适量配置好的试验用浸泡液,在容器外壁与液面同一水平处划上刻度线。将试杯置于恒温水浴试验装置中,待试液达到指定温度时,挂入试片,注意使每个挂片均不能与其他试样及试杯发生碰撞,并开始计时。试验过程中浸泡液自然蒸发,每隔24 h全部换为新浸泡液,使其液面保持在刻度线处,使试液浓度维持恒定,然后对试片进行清洗处理,置于干燥器中4 h后称重,计算试片的腐蚀速率。
2.4试验结果(表1)
试验结束后对挂片的表面进行观察,对比分析各腐蚀挂片在试验前后的表面状况,耐腐蚀鳞片涂层、橡胶内衬、发泡耐酸玻璃砖未发生明显变化;钛钢复合板的厚度有一定的减少;耐硫酸露点钢的厚度减少较多,而且浸泡液中有大量的钢材表面剥离物;钾水玻璃耐酸砂浆层内衬损坏腐蚀严重。
3分析评价
3.1钛钢复合板
钛是一种很耐腐蚀的材料,在许多环境中是很稳定的,并且一旦局部破坏还具有瞬间再修补的特性。因此,钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性,比现有的不锈钢和其他有色金属的耐腐蚀性都好。但也必须认识到这层氧化膜被破坏后,若不存在修复环境介质,这时钛的腐蚀速度比铁还大[3]。
根据钛板材料的耐酸特性,一般认为,钛板合金内衬是不带加热装置(GHH)海水脱硫系统最好的烟气耐腐蚀材料。对于目前国内工程应用较多的带加热装置(GGH)石灰-石膏系统,相关资料显示,硫酸在沸腾情况下,即使是浓度达0.5%的硫酸也对钛板有强烈腐蚀,从温度和硫酸这2个参数来看,温度对钛板的腐蚀影响更为严重,脱硫后烟气中含有大量的氧化性介质,这对保护钛板表面的氧化膜是有好处的,从另一个方面又降低了硫酸的侵蚀。因此选择钛钢复合板时,应对工程实际烟气的成分及结露情况进行分析。
3.2发泡耐酸玻璃砖内衬
发泡耐酸玻璃砖由美国宾德公司开发。发泡耐酸玻璃砖具有耐腐蚀和保温的双重性能,使原来的烟囱内衬和保温层结构合二为一。发泡耐酸玻璃砖由专用的粘合材料直接粘贴于钢排烟内筒内侧内表面,并且由粘合材料对玻璃砖间的缝隙勾缝。阻断了烟气对烟囱内筒结构的腐蚀。发泡耐酸玻璃砖是以优质的泡沫硼硅玻璃结合人造橡胶技术形成的防腐衬里,在化学环境与温度大幅度变化的情况下,都具有防腐能力。根据腐蚀试验分析,宾德发泡耐酸玻璃砖的防腐性能非常好,适宜在脱硫烟囱上使用,但是造价相对较高,和钛钢复合板的价位相当,建议国内相关企业尽快国产化。
3.3耐蚀鳞片胶泥内衬
VEGF鳞片胶泥具有优良的耐腐蚀性能[2],这主要是与胶泥的构成有关。腐蚀试验分析,其抗腐蚀能力非常好,但是其耐热效果相对较差。脱硫装置运行工况复杂,烟气的温差比较大,如果脱硫烟囱用鳞片作为防腐内衬,烟囱基材和鳞片涂料的热膨胀系数不同,在温差较大的烟气冲击下,涂层内部产生较大的应力,最终导致涂层的脱落。可以在涂层和基材之间增加1层特殊的底涂层,缓解烟囱基材和鳞片涂层由于热膨胀产生的应力,从而起到保护鳞片涂层不脱落,建议尽快寻找和开发这层特殊的底涂层,如果开发成功可以用鳞片作为脱硫烟囱的防腐内衬,大大减少成本。
3.4防腐涂料层+钾水玻璃耐酸砂浆层内衬
此防腐衬料的施工条件较差,质量控制较难。而且设计对防腐内衬要求较高,不能产生细微的裂缝,以免烟气渗入对烟囱钢内筒产生腐蚀。
钢内筒内浇筑防腐衬料方案用于多管式钢内筒烟囱工程中投资是最低的。由于烟气不可避免对防腐衬料产生腐蚀,此类烟囱需定期对钢内筒进行检修和维护。根据日本的经验,一般十几年就需对防腐衬料重新修补施工。防腐试验分析,该结构耐腐蚀性能较差,不适宜在脱硫烟囱中应用。
3.5耐硫酸露点钢内刷防腐涂料层
该防腐结构较适合在弱、中等腐蚀性条件下使用。石洞口二厂、外高桥电厂2座240 m高多管式钢内筒烟囱采用该结构,外高桥电厂钢内筒外侧各层均有锈蚀,各层剥落程度不同,特别在+0.5 m标高处锈蚀,剥落程度十分严重。
腐蚀试验分析,该结构的防腐性能不是很理想,此结构适用于采用电除尘器而未上烟气脱硫(FGD)系统的干烟气条件下,但不适用于脱硫系统烟囱钢内筒的防腐工程。
3.6橡胶内衬
橡胶内衬作为防腐材料,有很多优点。通过防腐试验分析,其防腐性能很优越,但是其耐热性能很差,不适宜脱硫烟囱的防腐。
4脱硫钢烟囱内衬选择建议
对于湿法脱硫烟囱防腐内衬选择,首先应清楚脱硫电厂烟囱的运行条件才能采取相应的措施。目前,国内电厂的脱硫烟囱运行工况比国外脱硫烟囱要复杂。国内脱硫烟囱内衬是在干-潮湿-浸水工况下交替变化,这对烟囱内衬防腐材料提出了更高的要求,内衬防腐材料选择时除应考虑主工况运行条件外,还须适应电厂烟囱的其他工况,以及工况交替变化对内衬材料防腐性能的影响。根据腐蚀试验结合国内实际运行工况,脱硫后烟囱钢内筒内衬选择建议见表3。
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