氨法脱硫吸收塔内防腐技术探讨

2023-03-22西安航天源动力工程有限公司康瑞龙

内江科技 2023年1期

◇西安航天源动力工程有限公司康瑞龙

针对现阶段氨法脱硫技术吸收塔的腐蚀问题，介绍了脱硫装置的腐蚀机理，并分析了几种不同防腐结构型式脱硫塔的防腐原理和应用情况。选取最常用碳钢内衬玻璃鳞片吸收塔形式，重点介绍了玻璃鳞片在设计和施工方面的注意事项，指出吸收塔的防腐不仅取决于材料和施工，后期良好的运维也能提高设备长期稳定地运行。

在工业烟气污染物超低排放背景下，氨法脱硫因其占地面积小、脱硫效率高、运行能耗低等方面的优势，在烟气治理市场的占比逐年上升。与传统石灰石-石膏法相比，在脱硫剂生产、脱硫反应过程中不产生新的二氧化碳，符合现阶段的“双碳”政策。氨法脱硫是利用氨水与含S02的烟气接触并吸收S02的技术，(NH4)2S03吸收S02形成NH4HS03，补充的氨使NH4HS03又转化为(NH4)2S03，依次循环反复，从而完成对烟气中S02的净化吸收[1]。氨法脱硫吸收塔为空塔喷淋结构型式，塔内由浆液区、浓缩区（1-2层喷淋层）、吸收区（3-4层喷淋层）、除雾区、水洗区等区域组成，塔内件还包括集液器、填料和丝网等，喷淋层间距一般为1.8～2m。在设备运行过程中，烟气中的酸性气体、浆液中的颗粒物造成了脱硫塔的腐蚀、冲刷和磨损，影响了整套脱硫装置的稳定运行，因此脱硫吸收塔防腐蚀设计和优化至关重要。本文深入分析了造成氨法脱硫吸收塔内的腐蚀的原因，并针对不同塔型提出防腐工程的设计施工建议，其结果可以为今后氨法脱硫的建设和改进提供参考依据。

1 腐蚀环境

锅炉烟气中的S02、S03、NOX、HCI、HF等腐蚀性气体对脱硫装置造成损伤，氨法脱硫的腐蚀机理主要有化学腐蚀、物理腐蚀和晶间腐蚀等[2-3]。

1.1 化学腐蚀

烟气中的腐蚀性介质在一定的温度、湿度下和金属材料发生化学反应生成可溶性盐，使设备逐渐腐蚀[2]。Fe、SO2和水生成FeSO3，Fe、SO2和氧生成FeSO4，FeSO4水解生成4Fe(OH)3和硫酸。

1.2 物理腐蚀

氨法烟气脱硫过程中生成了可溶的(NH4)2SO3、NH4HSO3和(NH4)2SO4，液相渗入防腐层直至基材对其腐蚀，浆液中硫酸铵结晶的固体颗粒在循环喷淋过程中对塔体和内件支撑的冲蚀。

烟气中的S02、HCI、HF等酸性气体在与液体接触时，生成相应的酸液，其SO3

2-、Cl-、SO42-对金属本体和内防腐层有很强的腐蚀性和渗透破坏作用，主要表现为溶胀、鼓泡、分层、剥离、脱粘、龟裂、开裂等[3]，从而加快对整个设备的腐蚀。

1.3 晶间腐蚀

锅炉烟气中一般含有HCl，在浆液不断循环过程中氯离子含量持续增加，在pH偏低情况下很容易导致不锈钢产生晶间腐蚀。

2 脱硫塔结构型式

氨法脱硫塔内部环境恶劣，设计和实践中选择不同的塔体材料和内防腐材料解决腐蚀问题。国内脱硫塔材质和防腐型式主要有：金属复合板或高镍合金钢、钢筋混凝土、玻璃钢（FRP）、碳钢衬玻璃鳞片等。

2.1 金属复合板或高镍合金钢塔

氨法脱硫项目中选择2507、C276、1.4529、TA2等材质与碳钢（Q235B、Q345R等）基材经爆炸、轧制等复合制成具有耐腐蚀较好的复合板，或直接用2507、C276、1.4529等材质制作吸收塔，但这两种形式的设备价格较高，不利于前期投资[4]。

2.2 钢筋混凝土吸收塔

吸收塔塔体采用钢筋混凝土结构，内衬耐腐蚀的高分子材料防腐层，施工时钢筋混凝土和内衬防腐层同时进行。钢筋混凝土增大了塔体的稳定性，保温性能好、塔内高分子材料的防腐层防腐耐磨性能好，克服了脱硫烟气对塔体的腐蚀，大大延长了塔体的使用寿命，且平时不需要检修与维护。但一次投资的资金需求会比较高，因此氨法脱硫中使用钢筋混凝土塔的项目并不多[4]。

2.3 玻璃钢（FRP）塔

玻璃钢具有优异的耐腐蚀性能、耐热性能、耐磨蚀性能等特点，与金属材料或其它无机材料相比，它重量轻、比强度高、电绝缘、耐瞬时超高温、传热慢、隔音、防水、易着色、能透过电磁波，是一种兼具功能和结构特性的材料，在腐蚀环境中玻璃钢的耐磨性能优于钢材，为提高玻璃钢的耐磨性，可以在树脂基体中加入适当的填料（碳化硅）[5]。由于其优良的综合性能优势，氨法脱硫系统装置中脱硫吸收塔（塔体、集液器、喷淋内管等）、非标槽罐、烟道、外管道中得到了广泛应用。但玻璃钢塔的刚度不强，容易引起变形和老化[3]，烟气量较大及烟塔合一的装置中，脱硫塔直径大且总高较高，直排塔烟囱为保证脱硫塔整体的稳定性和刚度还需要另外设置钢塔架，装置整体成本较高，这时选择碳钢防腐结构或其他结构形式的塔则更具有价格优势。

2.4 碳钢衬玻璃鳞片吸收塔

氨法脱硫工艺中最为常见的是碳钢内衬玻璃鳞片吸收塔。璃鳞片多采用乙烯基鳞片材料，乙烯基鳞片材料是以乙烯基树脂为主要材料，并加入10%～40%不等片径的玻璃鳞片和其它一些功能性填料混合而成的一种防腐蚀材料，具有耐腐蚀、抗渗透、耐高温、耐磨性等优势。鳞片胶泥涂层的线膨胀与钢铁的线膨胀系数相近，使鳞片胶泥适合于温度交变的重腐蚀环境。涂层硬度较高，另受外机械损伤时的破坏是局部的，其扩散趋势小，易于修复[2]。

3 碳钢衬玻璃鳞片吸收塔防腐工程的设计施工

考虑到述几种防腐型式吸收塔的技术性能和经济性，目前国内氨法脱硫工艺装置中常选用碳钢衬玻璃鳞片吸收塔的型式。

3.1 鳞片施工注意事项

脱硫塔焊接、组装完毕，盛水试漏合格后，对塔内表面进行全面的玻璃鳞片衬里防腐施工。鳞片施工前首先对设备表面进行全面的表面处理（打磨、喷砂等），表面处理等级不低于GB/T 8923《涂覆涂料前钢材表面处理表面清洁度的目视评定》中规定的Sa2.5级、粗糙度Rz≥50μm。表面处理过程和检验严格遵循HG/T 20678《衬里钢壳设计技术规定》，包括焊缝打磨、接管管端锐角磨圆、角焊缝的圆弧过渡等。焊缝打磨后按施工图及相关标准、规范要求做无损检验，修复检验不合格的焊缝，须保证全部焊缝质量为合格。

打磨质量经检验合格且施工环境符合相关文件要求后，设备内表面按照HG/T 2640《玻璃鳞片衬里施工技术条件》和DL/T 5418《火电厂烟气脱硫吸收塔施工及验收规程》规定的工序和质量要求进行防腐衬里施工、质量检测和保养。

据参考文献6中介绍，玻璃鳞片在施工后，横纵比可达到30～120的扁平不连续的玻璃鳞片呈平行重叠排列的宫式结构，形成致密的防渗层结构。腐蚀介质在固化后的树脂中渗透必须经过无数条曲折的途径，因此在一定厚度的耐腐蚀层中，腐蚀渗透的距离大大地延长，相当于有效地增加了玻璃鳞片防腐层的厚度。鳞片涂装方法可采用刷涂、辊压等。

3.2 设计和施工注意事项

吸收塔内件支撑梁设计中，目前多采用矩形管和H型钢，矩形管相较于H型钢支撑梁方便鳞片衬里的施工，但钢材耗用量多于H型钢。设计时构件要尽量避免设置成锐角，从而增加焊接、打磨及衬里施工难度并影响设备防腐质量。内件安装时，在内件与塔壁、支撑结构接触面上设置防腐蚀的软性垫片，防止在安装过程中损伤鳞片衬里层。

鳞片衬里施工期间要做好防火、防爆工作，合理安排施工顺序和资源，减少受限空间作业，配备足够的安全保障设备。衬里施工完毕后，塔内严禁动火施工，塔外需要焊接施工时应在设计时设置预埋件，防止高温破坏衬里层。

3.3 脱硫塔高温区防腐设计

从原烟道过来的烟气温度一般在120℃左右，在该温度条件下，烟道内防腐材料的许用应力急剧降低，耐腐蚀性和抗渗透性也随之减弱。吸收塔入口烟道与塔壁结合处是处于冷热交汇处，由于高温烟气与低温的浆液接触，会形成干湿交界面，在温差变化、机械振动、烟气流速高等外因的共同作用下，导致脱硫吸收塔入口烟道内的防腐鳞片容易起鼓、脱落[7]。

当浆液碰撞到塔壁和干湿交界面时，一小部分黏附于塔壁而沉积下来，烟气具有较高的温度，加快沉积层的水分蒸发，沉积层逐渐形成结构致密的硬垢。当垢层达到一定厚度后，也可能脱落，砸伤浆液区管道、喷嘴和防腐内衬，严重影响塔运行的安全性和气流流向。因此，需要及时进行冲洗。冲洗方式一般采用喷嘴进行连续冲洗或间隔冲洗，间隔冲洗的周期一般应小于2h[7]。吸收塔高温区包括入口烟道和浆液表面至吸收集液器间的区域。

（1）入口烟道防腐设计。

设计时在烟道入口设置挡水板，防止浓缩浆液直接喷进烟道内或在背压下将浆液卷吸到烟道内。入口烟道斜接插入脱硫塔，角度一般在10°～30°之间，插入深度一般为200～400mm之间，这种结构有利于削弱塔内回流旋涡，防止浆液倒流。还可以在入口烟道区域增设导流板等方式提高气流分布的均匀性且减小压力损失[8]。并且控制好入口烟道顶板与浓缩喷淋层喷嘴及入口烟道底板与正常运行浆液液位的距离。

氨法脱硫装置中入口烟道主要采用衬非金属材料或金属材料，采用玻璃鳞片（高温型）防腐工艺施工简单，单位工程造价较低，但缺点是防腐层容易发生损坏或脱落[7]。为保证脱硫系统的长期稳定运行，防止烟道因防腐层损坏而产生泄漏，目前主要选择合金材料（1.4529、C276、2507等合金材料）作为吸收塔入口烟道的内衬防腐材料，该防腐工艺经久耐用，防腐效果好。

（2）浓缩段区域。

浓缩喷淋层腐蚀主要包括塔壁、喷淋层和积液盘支撑梁的积料、浓缩浆液对塔壁的冲刷等。浓缩段区域鳞片结构一般为底涂层、鳞片层（高温型，2～3mm）、耐磨层（1mm）FRP加强层（1mm）、耐磨层（1mm）及面涂层。内件设计时在保证覆盖率的情况下合理布置支撑梁和选取喷嘴，减少喷嘴直接冲刷塔壁，特殊情况下还可增加设置防冲刷装置。

3.4 吸收集液器以上区域

与相比高温区域，吸收集液器以上区域的腐蚀环境大为改善，甚至水洗段以上区域时烟气已经相当干净。吸收段浆液来自氧化槽，吸收层浆液中含有较少的细小结晶颗粒对塔壁的冲刷不强，吸收段以上区域浆液为工艺水和水洗水，基本不会对塔壁产生冲蚀。因此在吸收集液器以上至烟气出口鳞片结构减少了耐磨层，自里向外防腐结构为底涂层、鳞片层（中温型，2mm）、FRP加强层（1mm）、及面涂层，内件支撑梁可增加1mm的耐磨层防止上层喷嘴的冲刷。烟气出口或直排烟囱鳞片结构一般为底涂层、鳞片层（中温型，2mm）和面涂层。

3.5 浆液区

为了保持塔内浆液含固物的悬浮和避免结晶块增大，需保证浆液有足够的流体速度，流速不够的区域将出现沉积物堆积，但流动强度不宜过大，剧烈的扰动不利于硫酸铵晶体成长[7]。塔底浆液中含有较多的粒径相对较大结晶颗粒，浆液流动过程中不可避免地对塔壁和塔底板造成了冲刷，且冲蚀强度大。浆液区鳞片结构一般为底涂层、鳞片层（中温型，2mm）、FRP加强层（1mm）、耐磨层（1-2mm）及面涂层。