脱硫废水对干式排渣机影响的研究

王勇，谢玲，朱有明，李蜀生，张光荣，李吉业，姜雯昕

（青岛达能环保设备股份有限公司，山东 青岛 266300）

0 引言

2019年底全国全口径发电装机容量20.1亿千瓦，火电装机容量11.9亿千瓦占59.2%[1]；锅炉烟气中有毒气体SO2在我国东部地区排放浓度标准要求不高于35mg/m³[2]。为实现高效脱硫，湿法烟气脱硫大力推广，行业占比达90%；为保证脱硫系统的正常运行，需定期排出一定量的脱硫废水。

2018年，重点调查工业企业的炉底渣产生量为3.1亿吨，约等于我国200个大、中城市生活垃圾总量的1.48倍。炉底渣产生量最大的行业是电力、热力生产和供应业，其产生量为1.6亿吨[3]。

同烟气旁路干燥脱硫废水机理相似，可将脱硫废水喷入干渣机输送带内，采用炉底渣和炉底辐射热蒸发脱硫废水。

1 脱硫废水主要腐蚀物

石灰石－石膏湿法脱硫废水的主要特点有：①酸性；②悬浮物含量高；③盐含量高；④大量金属离子、重金属超标。下表1为我国不同地区脱硫废水主要成分，可知Cl-是主要腐蚀物。

表1 我国不同地区脱硫废水主要成分表（mg/L）

2 干渣机输送带材质

干式排渣机（简称干渣机）是采用适量环境空气对锅炉排出的高温炉底渣进行冷却的底渣处理系统。

底渣处理脱硫废水的原理是采用炉底渣和炉底辐射热来蒸发脱硫废水。受炉底余热量的影响，并不能完全处理机组自身产生的脱硫废水，且因炉底渣分布不均会在局部发生脱硫废水与输送带直接接触现象[4]。

干渣机输送带是对炉底渣进行冷却和输送的载体，目前市场上应用最多的干渣机有：钢带（网带）干渣机和鳞斗干渣机。两种干渣机输送带主要材质如表2。

表2 干渣机输送带材质

3 氯离子腐蚀性

3.1 金属腐蚀危害

金属腐蚀会造成巨大经济损失，钢铁每年腐蚀损失相当于年产量的10%；上世纪80年代，“亚历山大基定德”号钻井平台受海水腐蚀后倾覆，导致123人遇难；2013年11月青岛黄岛原油管道腐蚀造成泄露爆炸，导致62人丧生，经济损失超过7亿元。

3.2 奥氏体不锈钢

不锈钢之所以抗腐蚀，是因为其表面能形成一层具有保护性的钝化膜。奥氏体不锈钢与碳钢的腐蚀是不同的，其通常是局部腐蚀破坏，尤其是在Cl-等卤素离子环境，主要形式有点腐蚀和应力腐蚀开裂[5]。

大部分不锈钢的点腐蚀失效都是由氯化物和氯离子引起的；点腐蚀主要机理是钝化膜的不均匀性，Cl-半径小、穿透能力强且自催化性导致腐蚀后扩展；所以增加材料厚度并不能有效抑制Cl-腐蚀。在化工设备中50%的应力腐蚀开裂失效是奥氏体不锈钢，且大部分由含Cl-引起；尤其是Ni含量在10%～20%、Cr含量在12%～25%的奥氏体不锈钢，遇氯化物最容易开裂。研究表明，奥氏体不锈钢设备应对Cl-进行严格控制，否则不应使用。Cl-环境中各影响因素的规律见表3。

表3 奥氏体不锈钢Cl-腐蚀影响因素

3.3 15CrMo

试验表明，15CrMo同20G一样会受到Cl-全面腐蚀；且高温条件下腐蚀更严重，Cl-质量浓度超过0.2mg/L时出现点蚀。15CrMo的Rp远远高于20G，也说明15CrMo耐Cl-侵蚀性能优于20G。

大华集团合成氨厂对奥氏体不锈钢和15CrMo做了耐氯离子试验对比验证。原采用日本进口00Cr19Ni10（304L）设备，运行1个月出现泄露；后更换为15CrMo，并采用焊后热处理消除残余应力后解决问题。15CrMo是珠光体耐热钢，抵抗Cl-腐蚀破坏优于奥氏体不锈钢[6]。

3.4 CrNiMo链条

研究表明，CrNiMo合金钢链条在脱硫废水和渣水不同比例混合物中的腐蚀速率为0.04723g/m2·h～0.07186g/m2·h。

3.5 合金元素作用

材料中合金元素对抵抗Cl-腐蚀的作用见表4。

表4 不同元素对氯离子腐蚀的作用

4 链条腐蚀测定

4.1 测试条件与方法

采用山东潍坊某电厂脱硫废水，经NaCl和NaOH中和调整pH值后模拟脱硫废水。水质分析结果如下表5。

表5 脱离废水与试验水水质表

随机选择自制链条，材质为20CrMnTi，加工试样为50mm×25mm×10mm，表面去除油污并打磨至镜面；采用箱式电阻炉保证试验温度为60℃。

将处理好的试样分别浸没在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种试验液中，按24h、48h、96h、168h、240h、360h、480h进行记录，每天补除盐水2次；达到设定时间后，取样清洗去锈干燥后称重，电子天平计量精度0.1mg。

4.2 试验结果

三种试验液中试样随时间推移，外观腐蚀均呈现加剧趋势。以试验液Ⅲ中试样为例，试样开始前和部分时间节点实物样貌如图1所示。

图1 试样不同时间段样貌（中和后试验液Ⅲ）

三种试验工况下，链条试样腐蚀速率随时间变化关系见图2。可以看出，Cl-浓度对腐蚀起正向加剧作用，且初始腐蚀速率较大，分别为0.071mm/a、0.082mm/a、0.095mm/a；360h后，腐蚀速率基本稳定在0.036mm/a、0.047mm/a、0.057mm/a。可判断，腐蚀产物会阻挡腐蚀；试样存在肉眼可见点腐蚀，局部有较大点腐蚀，规律不明显，未见应力腐蚀裂痕[7]。

图2 链条不同工况腐蚀速率与时间关系

4.3 试验不足

本次试验测试了链条在静止状态的腐蚀规律，且对材料表面进行了清理。实际工程中，链条运行时存在磨损，故腐蚀氧化皮无法阻挡腐蚀；链条表面可能存在的污染物及制造过程中产生的应力均会加剧腐蚀。因此腐蚀速率建议按初始最大值考虑。

5 脱硫废水对干渣机影响

5.1 输送带结构对比分析

图3是钢带干渣机输送带结构图，其主要结构是下部网带和上部承载板，输送带承载板中部为相互搭接的平面。

图3 钢带干渣机输送带结构图

图4是鳞斗干渣机输送带结构图，其主要结构是左右两侧链条和中部鳞斗，输送带鳞斗中部为勺状斗槽。

图4 鳞斗干渣机输送带结构图

两种干渣机输送带结构对比见表6。

表6 两种输送带结构对比

5.2 脱硫废水对干渣机影响

脱硫废水喷头设置在输送带中上部，因钢带干渣机承载板中间为平板，且节距较小，如有废水无法蒸发。首先会腐蚀承载板，更严重的，废水会通过承载板搭接缝隙进入下层的网带，网带是动力部件，应力大。且奥氏体不锈钢非常容易发生点腐蚀和应力腐蚀开裂，任意一种腐蚀都会导致网带断裂，造成设备故障[8]。

鳞斗干渣机鳞斗的中部为勺状斗槽，如有废水首先会被收集到斗槽中，被斗槽中的灰渣吸附；严重时会腐蚀鳞斗，15CrMo通常是全面腐蚀，不会发生断裂；即使长期运行将斗槽腐蚀透，也不会影响一侧的承载的钢管。当发生事故时，废水从斗槽中溢出并从鳞斗搭接缝隙渗出，洒落到回程鳞斗背面。而链条在两侧，故不会遭到腐蚀，即不影响设备运行。

综上，从结构和材质上综合分析，钢带干渣机材料和结构存在很大腐蚀风险，不应处理脱硫废水；而脱硫废水不会对鳞斗干渣机安全运行产生危害。

5.3 预防措施

钢带干渣机输送带用奥氏体不锈钢耐Cl-腐蚀能力差，且加厚作用不大，不适合应用；即使在表面喷涂防腐材料，受高温炉底渣和输送带转动磨损也会损坏。所以，有效的方法是采用2205、2507等双相不锈钢或钛合金等材料，且应保证制造过程中避免碳钢接触并按工艺要求进行焊接等。

鳞斗干渣机链条具有一定耐腐蚀能力，且受废水接触概率低，所以鳞斗用15CrMo应保留一定腐蚀余量来满足使用寿命要求。

6 结语

（1）汇总分析我国7个不同地区脱硫废水成分，Cl-含量高，是主要腐蚀物。

（2）综述国内外Cl-对干渣机输送带用奥氏体不锈钢和15CrMo的腐蚀和规律研究，以及各种元素对抵抗Cl-腐蚀的作用；奥氏体不锈钢在Cl-中易发生点腐蚀和应力腐蚀开裂，15CrMo会发生全面腐蚀和点腐蚀。在Cl-环境下15CrMo比奥氏体不锈钢抗腐蚀破坏能力强。

（3）试验测试干渣机链条20CrMnTi材料在38070mg/L、42940mg/L和48150mg/L氯离子浓度溶液下最大腐蚀速率分别为0.071mm/a、0.082mm/a、0.095mm/a；超过360h后，腐蚀速率分别稳定在0.036mm/a、0.047mm/a、0.057mm/a。

（4）对比分析两种干渣机发现，上下结构的奥氏体不锈钢钢带干渣机不应处理脱硫废水，水平结构的鳞斗干渣机可安全处理脱硫废水。钢带干渣机处理脱硫废水有效方法是采用双相不锈钢等耐Cl-腐蚀材料，鳞斗干渣机的鳞斗宜留有余量。