化工设备换热器的腐蚀原因分析及预防

2020-09-08任大为

山西化工 2020年4期

任大为

(天脊煤化工集团股份有限公司，山西潞城 047507)

引言

焦炉是煤化工生产企业的核心设备，主要以生产冶金焦为主要目的、可以回收炼焦化学产品的水平式焦炉，由炉体和附属设备构成。在煤化工处理的过程中焦炉产生的废气需要进行脱硫、脱硝处理后才能排放到空气中[1]。排放的烟气需要经过换热器进行热交换处理，提升对废气热能的利用效率，提高煤化工生产的经济性。但在实际生产中发现脱硫脱硝系统的换热器管道和翅片经常出现严重的腐蚀现象，不仅极大的降低了热交换效率而且给脱硝系统的正常运行带来了较大的安全隐患。本文利用电镜扫描、能谱分析、X射线衍射分析等方案对换热器的腐蚀原因进行了分析了氧化反应，最终导致了管道和翅片的腐蚀，因此根据换热器的腐蚀原因及实际应用可行性，提出采用不锈钢材质管道或者对烟气进行脱水脱氧处理的方案，提升换热器的抗腐蚀效果，根据实际应用表明采用防腐蚀措施后，系统的抗腐蚀性得到了显著的提升，极大的提升了换热器的应用经济性和换热效率。

1 炼焦系统的脱硫工艺及换热器腐蚀情况

在炼焦系统中，产生的烟气通过烟道汇集后与烟气升温系统燃烧产生的废气进一步混合，混合后的气体温度可达255 ℃左右，确保炼焦系统催化反应的顺利进行，废气中的O2、NO等气体与催化剂作用，生产N2、水等副产物，从而实现脱硝的目的。待系统脱硝完成后脱硝后的低温烟气和高温烟气在换热器内进行热交换，将废气的温度降低到100 ℃作用，然后再进入到脱硫系统进行脱硫处理，最终完成化工处理后的烟气的排放，炼焦系统的脱硫、脱硝处理工艺流程，如图1所示[2]。

图1 脱硫脱硝工艺流程图

该炼焦系统内的换热器为翅片式换热器，热交换面积大、换热效率高，为了降低成本，换热器材质为ND钢，在设备运行半年后的检修中发现换热器的表面、管道等位置出现了严重的腐蚀，而且系统内的换热器的换热效率比最初降低了45.6%，严重影响了整个炼焦系统的运行稳定性和经济性。因此迫切需要对换热器设备发生腐蚀的原因进行分析，提升设备的抗腐蚀能力和运行稳定性。

2 腐蚀区域的电镜扫描及能谱分析

扫描电子显微镜的是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子，不同化学成分的二次电子相对强度差异性较大，因此通过对扫描处的二次电子相对强度进行能谱分析[3]即可确定扫描区域的化学物质，利用电镜对翅片和管道腐蚀处的物质进行扫描，结果如图2所示。

图2 不同腐蚀区域的电镜扫描结果示意图

由图2a)可知在翅片腐蚀区域，腐蚀产物中的氧元素的含量最高，达到了40%以上，且从图谱1到图谱8，氧元素的质量分数从48%降低了到40.5%，图谱中铁元素的质量分数占比达到了50%以上，其他的硫元素、锰元素等的质量分数总占比约为1.5%～2%，说明在翅片上主要发生了氧化腐蚀。在管道腐蚀区域，腐蚀物中的氧元素的含量和铁元素的含量占比同样达到了总占比的97%左右，而且在腐蚀物中的硫元素的占比达到了1%以上，说明在管道内除了氧化腐蚀之外还发生了一定的硫化腐蚀。

3 X射线衍射分析

X射线衍射相分析[4]是利用X射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结构分析的技术，具有扫描速度快、分析结果准确性高的优点。

由图3 a)和图3 b)可知，在翅片和管道处腐蚀区域，含量最大的两种物质为FeO(OH)及Fe2O3，其中在翅片上腐蚀区域FeO(OH)的含量占到了95.4%，Fe2O3含量占到了4.6%，在管道内腐蚀区域FeO(OH)的含量占到了36.6%，Fe2O3含量占到了63.4%，因此表明该区域的腐蚀产物中氧化腐蚀占据了主要因素。

图3 不同腐蚀区域的衍射分析结果示意图

通过电镜扫描、能谱分析、X射线衍射分析，最终确定在炼焦系统换热器内的腐蚀主要包括了氧化腐蚀和硫化腐蚀两个方面，其中氧化腐蚀占据主导地位，对通过换热器的废气的含量进行频谱分析，确定在反应过程中废气内的氧气含量占比达到了8%～9%，水蒸气的含量达到了16%～19%，由于烟气的温度较高，因此在高温作用下和管道材质发生了氧化腐蚀反应，同理，废气内的硫元素在氧气作用下和管道材质发生了硫化反应，最终导致管道系统出现了严重的腐蚀。

4 煤化工设备腐蚀预防

由于煤化工换热器设备的工作环境恶劣，在高温下容易发生反应，因此可采用不锈钢材质来替代现有的普通钢材，提升腐蚀性，同时在换热器入口处设置脱氧脱水装置，降低进入到换热器内的氧气和水的含量，降低对换热器腐蚀的影响。采用上述方案后对换热器的运行情况进行监测，半年后换热器的运行效率比最初仅降低2.7%，拆开检查内部无明显的锈蚀现象，换热效率的降低主要是由于换热器上灰尘覆盖较多导致的，因此表明了采用不锈钢和增加脱氧脱水装置对防止换热器腐蚀的有效性。