工业锅炉低温腐蚀研究

陆 倩

（江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 南通 226001）



工业锅炉低温腐蚀研究

陆 倩

（江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 南通 226001）

摘 要：随着锅炉节能要求日趋严格，锅炉排烟温度降低，尾部低温受热面腐蚀严重。本文通过理论公式计算，研究燃料类型、过量空气系数以及燃料含硫量对酸露点温度的影响，确定燃料含硫量对酸露点温度影响最为明显，硫元素含量下降2%，酸露点温度下降30℃以上。因此，燃料脱硫与防腐材料的合理利用，可以在保证合理的排烟温度和锅炉条件下，避免低温腐蚀发生。

关键词：低温腐蚀 酸露点 燃料脱硫 耐腐材料

1 锅炉低温腐蚀问题

在GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》中定义烟气露点腐蚀，为燃料燃烧时燃料中的硫和氯类物质形成二氧化硫、三氧化硫和氯化氢，低温（露点及以下）遇水蒸气形成酸从而对金属造成的腐蚀［1］。其损伤机理如下：

1） 烟气中的硫或氯→SO2（SO3）或HCl

稀硫酸蒸汽在锅炉尾部换热设备壁面温度低于露点温度时，会凝结在换热器壁面上产生酸腐蚀，主要发生在锅炉的省煤器、空气预热器、排风扇等低温受热面，表现为大面积的宽浅蚀坑，形态取决于硫燃烧后凝结时形成的酸性产物。此外，烟气中飞灰粘结在结露的受热面上和腐蚀剥落的铁锈粘附形成堵灰，堵塞了烟气通道，增加烟气阻力，进而加大引风机的电耗，不利于锅炉正常运行［2］。

然而，考虑到锅炉本身的运行效率，以及余热锅炉、冷凝锅炉等新型节能锅炉的推广使用，需要将锅炉尾部排烟温度控制在较低的温度范围内，因此，正确计算烟气的酸露点温度，设计合理的锅炉排烟温度，对锅炉运行时兼顾经济性与安全性至关重要。

2 低温腐蚀露点理论计算

锅炉低温腐蚀的酸露点研究方法较为多样，主要采用理论计算（公式法和图表法），由于工程经验不同，相关系数或者曲线形式也不尽相同，本文研究中主要运用实践多年的公式1973年苏联标准估算酸露点［3］。

计算锅炉酸露点前，首先需要确定水露点温度，即尾部烟气中水蒸气的冷凝温度，一般结合饱和蒸汽性质，通过水蒸气所占分压或者体积份额计算得出，本文通过计算烟气中各组分的组成，确定水蒸气体积份额，进而计算出锅炉烟气水露点温度：

理论空气量：

各成分体积：

水露点计算：

式中：

Tw——水蒸气露点，单位℃；

γH2O——水蒸气份额。

在此基础上，通过公式1973年苏联标准（简称为73公式）进一步计算酸露点温度：

式中：

Ts——酸露点，单位℃；

β——与过量空气系数相关，常用125；

3 影响酸露点温度的主要因素

针对目前南通市多台锅炉的实际运行状况，结合选定的酸露点估算方法，本文重点比较燃料类型、燃料含硫量、过量空气系数这三个重要因素对锅炉酸露点的影响，从而为锅炉使用单位推荐合理的排烟温度，保证锅炉安全的基础上高效运行。

3.1 燃料类型对酸露点的影响

表1是南通市常用三大类燃料——二类烟煤、柴油以及天然气中各类元素的质量组成及低热值：

表1 各类燃料质量组成及低热值

根据TSG G0002—2010《锅炉节能技术监督管理规程》第二章第九条，排烟处过量空气系数如下要求：层燃燃煤工业锅炉过量空气系数不大于1.65，正（负）压燃油（气）锅炉过量空气系数则在1.15～1.25之间［4］。因此比较不同燃料影响时，结合不同炉型设计特点，选取燃煤锅炉过量空气系数为1.65，燃油（气）锅炉过量空气系数为1.2，计算得到结果见表2。

图1 不同类型燃料对应露点

表2 不同类型燃料对应露点

比较计算结果发现，各类燃料中氢、硫元素含量明显不同，酸露点差距也较为明显，使用天然气作为燃料时，由于氢元素含量较高，烟气中水蒸气体积份额较大，水露点温度相对较高，达到56℃，但硫元素含量较低，且不受到灰分因素影响，因此最终天然气锅炉的酸露点低于燃煤与燃油锅炉，仅为75℃，说明在相近的排烟温度条件下，天然气锅炉受到低温腐蚀侵害较小。

3.2 过量空气系数对酸露点的影响

考虑锅炉的运行状态不同，分别按照过量空气系数1.3、1.6、1.9、2.2计算燃煤锅炉的酸露点温度，见表3。

表3 不同过量空气系数对应露点

随着过量空气系数增大，露点温度有所减低，当过量空气系数从1.3增加大2.2，水露点温度从43℃降低到34℃，酸露点温度从132℃降低到123℃，均降低9℃左右，见图2，与不同燃料酸露点温度差距达到60℃相比，过量空气系数对酸露点影响较小，且增大过量空气系数对锅炉运行效率将产生不利影响。

图2 不同过量空气系数对应露点

3.3 燃料含硫量的影响

针对燃煤锅炉，按照表4调整碳元素、硫元素的比例，不考虑对燃料低热值的影响，过量空气系数仍然按照1.3计算，分析燃料中硫元素含量对于酸露点温度的影响（见表5）。

表4 燃煤碳、硫元素比例调节

表5 不同硫元素含量对应露点

计算结果表明，燃料中硫元素的含量是影响酸露点温度变化的关键，当燃料中硫元素含量从2.94%降低到0.94%，水露点温度基本保持在43℃左右，但酸露点温度却从146℃迅速降低到112℃，温度变化达到30℃，见图3，说明合理降低燃料的含硫量有利于降低酸露点温度，保证锅炉在较低的排烟温度条件下，仍能有效避免低温腐蚀问题。

图3 不同硫元素含量对应露点

4 常用耐腐蚀材料

除了对燃料进行脱硫处理这项有效措施以外，此外还有提高省煤器入口管壁温度、选用耐腐蚀材料制作省煤器、增加中间联箱等方式，来改善排烟尾部的低温腐蚀问题。因此，尾部受热面的耐腐蚀研究同样重要。为解决材料腐蚀问题，可以从三个方面着手：1）材料本身，即合理选材，如提高金属纯度，添加合金元素或进行热处理；2）界面方面，包括表面处理及涂、镀层技术；3）环境方面，添加缓蚀剂及消除、减轻机械作用和生物作用等，图4是常用的耐腐蚀材料分类。

图4 常用耐腐蚀材料分类

目前多数有色金属均已发展出相应的耐腐蚀合金材料，尤其是镍基合金和钛合金，适用于高温工作的易腐蚀区域，但这类金属合金价格较为高昂，大量应用于冷凝锅炉低温受热面将造成制造成本的大幅增长，而常用的低温受热面材料不锈钢与铸铝，前者导热系数较低，且不耐氯离子腐蚀，后者则需要采取一定表面处理工艺，耐磨性能相对较差。对金属材料无法同时满足导热佳、耐磨好以及经济性等低温受热面使用要求的现状，具有针对性的石墨非金属材料研究相应发展。

石墨设备在氯碱、磷酸盐、氢氟酸、硫酸等化工工业中的优良防腐性能得到充分证明。常用人造石墨在隔绝空气焙烧保温石墨化处理过程中，有机物气态逸出，材料呈现多孔性能，无法满足容器使用要求，因此需要采取多遍树脂浸渍和固化工艺，填塞石墨孔隙，加工成新型浸渍不透性石墨，在提高材料力学强度的同时，仍保证石墨本身优良的导热性能（见表6）。

表6 不同材料高温导热系数

通过充分利用材料的耐腐蚀性能，将锅炉尾部排烟温度降低至酸露点温度以下，可以充分利用烟气排放的余热，提高工业锅炉的运行热效率。研究表明，采用石墨材料加装锅炉尾部低温受热面，将工业锅炉排烟温度降低至90℃以下，可以提高锅炉运行热效率8%～10%［5］。

5 总结

本文针对锅炉尾部低温受热面腐蚀问题，按照理论酸露点计算方法，比较燃料类型、过量空气系数以及燃料含硫量对酸露点温度的影响，并分析目前低温受热面材料的选取，得到以下结论：

1）燃料种类不同，酸露点温度差异可以达到60℃，天然气锅炉与燃煤锅炉相比，由于燃料中氢元素含量较高、硫元素含量较低，水露点温度高而酸露点温度低。

2）过量空气系数对酸露点温度影响较小，α从1.3增加到2.2，露点温度仅降低9℃，且会反作用于锅炉运行效率。

3）燃料中硫元素的含量明显酸露点温度变化，含硫量降低2%左右，酸露点温度下降超过30℃，因此采取燃料脱硫措施是降低酸露点，避免低温腐蚀的有效措施。

4）通过选择合理的受热面耐蚀材料，可以在保证锅炉安全运行的基础上，通过降低排烟温度利用余热，提高锅炉运行效率。

参考文献

［1］ GB/T 30579—2014 承压设备损伤模式识别［S］.

［2］ 张基标，郝卫，赵之军，等.锅炉烟气低温腐蚀的理论研究和工程实践［J］.动力工程学报，2011，10：730-733.

［3］ 蒋安众，王罡，石书雨，等.锅炉烟气酸露点温度计算公式的研究［J］.锅炉技术，2009，5：11-17.

［4］ TSG G0002—2010 锅炉节能技术监督管理规程［S］.

［5］ 徐慎忠，刘文卜，陆倩.石墨换热元件与天然气冷凝锅炉的研发［C］.2012年全国特种设备安全与节能学术会议，2012.

Study on Low-temperature Corrosion of Industrial Boiler

Lu Qian
（Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute Nantong 226011）

AbstractWith the increasing requirements of boiler energy saving， the flue gas temperature was reduced，and the low temperature corrosion in tail heating surface was serious. In this paper， the influence of fuel type， excess air ratio and fuel sulfur content on the dew point temperature was researched by theoretical formula. It was pointed that the fuel sulfur content could significantly affect acid dew point temperature. If the sulfur content decreased 2%，the acid dew point temperature dropped more than 30℃. Therefore， the rational use of fuel desulfurization and anticorrosion material， can avoid low temperature corrosion under the reasonable condition of exhaust temperature.

KeywordsLow-temperature corrosion Acid dew point Fuel desulfurization Corrosion-resistant materials中图分类号： X933.2

文献标识码：B

作者简介：陆倩（1987～），女，硕士，工程师，从事特种设备检验工作。

收稿日期：（2015-11-03）

文章编号：1673-257X（2016）06-0060-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.015