CO2捕集装置的选材与防腐措施研究

2023-06-02张铁刚郑宝旭赵欣雷

全面腐蚀控制 2023年4期

张铁刚郑宝旭赵欣雷

（华润电力（深圳）有限公司，广东汕尾 516468）

0 引言

CO2捕集、利用与封存技术（CCUS）是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的托底性技术[1,2]。而CO2捕集是CCUS技术链条中重要的一环。化学吸收法（如胺液）是目前最为成熟、应用最广的CO2捕集、分离技术，其原理是基于CO2与化学溶剂（例如乙醇胺的化合物）之间的反应[3-6]。使用胺基溶剂进行化学吸收是最先进的CO2分离技术。胺法捕集CO2仍存在以下问题：胺液吸收大量CO2后，pH值下降，且部分杂质会逐渐在胺液中积累，腐蚀性上升；胺法捕集装置大量采用316L材质将造成CO2捕集成本大大增高；而非金属涂层、部件等在含CO2的胺液中有失效风险[7-9]。

当前，绝大部分的胺法捕集装置采用的材质为316L不锈钢，虽然具有较好的防腐效果，但是造价成本过高，大大提高了CO2捕集的成本[10,11]。选取更为经济的材质在局部区域替代316L不锈钢，或者采用碳钢配合涂层或非金属内衬的方式进行防腐设计，有望大幅降低胺法捕集装置建设成本。针对上述问题，采用现场腐蚀挂片法对不同材质、不同涂层以及不同非金属材质在胺法捕集装置中不同部位工况下的适用性进行了评估，为胺法捕集装置的选材及防腐设计提供重要支撑。

1 试验

1.1 材料

本实验选用Q355碳钢，304L不锈钢，聚丙烯，聚偏氟乙烯，以及涂覆有Chemflake玻璃鳞片涂层和德国CP陶瓷涂层的Q355碳钢为测试对象，金属试样的化学成分如表1所示。其中，金属挂片及非金属挂片试样尺寸为50×25×3mm，实验前试样均需用砂纸打磨至600#，电化学试样尺寸为10×10×3mm，实验前试样均需用砂纸打磨至800#，非金属涂层试样尺寸为100×100×3mm。

表1 试验材料的化学成分(质量分数，%)

1.2 现场挂片测试

挂片实验在实际胺法CO2捕集装置中进行，共选取4个测试点，分别在吸收塔的顶部和底部，解吸塔的顶部和底部，其运行环境如表2所示。现场安装采用一根支杆从对称的预留口盲板中间穿过，挂片固定在支杆中间，支杆与预留口盲板设计密封装置，避免气体外泄（如图1所示）。现场挂片测试时间总计为4320h。

表2 挂片安装位置环境参数表

测试完成后，采用失重法获取金属挂片腐蚀速率，采用增重法获取非金属挂片增重率，利用附着力测试仪测试涂层附着力。

1.3 电化学测试

极化曲线测试采用传统三电极体系进行。测试仪器为科思特CS310H，工作电极为304L不锈钢，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，实验介质为贫胺液以及通2h CO2气体后的富胺液。采用恒温水浴箱控制电解池温度，极化曲线扫描速率为0.33mV/s，扫描电位范围为-600～1000mV vs.SCE。

2 结果与讨论

2.1 Q355在胺法CO2捕集装置中的适用性

图2为Q355在胺法CO2捕集装置中的腐蚀速率，图3为挂片浸泡4320h后酸洗前后的腐蚀形貌图。由图可见，Q355碳钢在解吸塔和吸收塔中呈均严重的均匀腐蚀形貌，表面腐蚀产物膜疏松，尤其在解吸塔和吸收塔底部液相区，其腐蚀速率可达1mm/a。胺液本身呈碱性，腐蚀性较弱，但吸收了烟气中的CO2、硫氧化物、氮氧化物以及O2等杂质气体后，其pH值明显降低，腐蚀性上升，尤其是胺液在反复加热再生过程中，将生成热稳定性盐，会导致其腐蚀性大幅增强[12,13]。顶部气相区则由于含有CO2气体，且由于顶部温度相对较低，试样表面将生成凝析水，CO2溶于凝析水后生产碳酸，腐蚀试样[14,15]。综上，Q355材质并不适用于胺法CO2捕集装置。

图2 Q355在吸收塔和解吸塔塔顶和塔底位置的腐蚀速率测试结果

图3 Q355在吸收塔和解吸塔塔顶和塔底位置腐蚀4320h后的宏观形貌图

2.2 304L在胺法CO2捕集装置中的适用性

如图4所示，304L挂片在吸收塔和解吸塔中浸泡4320h后未发生明显腐蚀，酸洗后试样表面呈光洁状，未见点蚀，经失重法测试，腐蚀速率均低于0.001 mm/a。

图4 304L在吸收塔和解吸塔塔顶和塔底位置腐蚀4320h后的宏观形貌图

考虑到金属材质在胺法捕集装置中会与各种内构件相互接触，形成狭缝，因此可能存在缝隙腐蚀风险，为此，参照ASTM G48标准，对304L不锈钢在上述4个服役环境中的抗缝隙腐蚀性能进行了测试。结果如图5所示，酸洗后304L未见明显缝隙腐蚀形貌,其原因可能与胺液pH值较高，狭缝内不易形成酸性环境有关。综上，可见304L不锈钢满足在胺法CO2捕集工艺系统中吸收塔和解吸塔装置的服役要求。

图5 304L缝隙腐蚀试样在吸收塔和解吸塔塔顶和塔底位置腐蚀4320h后的宏观形貌图

进一步的，采用电化学方法对304L在贫、富胺液中的耐蚀性能进行了测试，并对结果进行了拟合。图6为304L在50℃的贫、富胺液中的极化曲线，2条曲线均呈现出典型的钝化特征。304L在贫胺液中的维钝电流密度为3.17×10-6A·cm-2，当胺液中吸收了CO2后（富胺液），pH值降低，腐蚀性增强，极化曲线左移，维钝电流密度上升至5.37×10-6A·cm-2，304L的腐蚀速率依然很低，这正是304L在胺法CO2捕集工艺系统中吸收塔和解吸塔装置中具有良好耐蚀性能的原因。

图6 304L在50℃的贫、富胺液中的极化曲线

2.3 涂层在胺法CO2捕集装置中的适用性

相比Q355碳钢，304L不锈钢虽然具有非常好的耐蚀性能，但其价格依然较高，为此，进一步开展了内涂层性能筛选评价。图7所示为Chemflake玻璃鳞片涂层在现场悬挂4320h后的形貌图。其中，测试点1#试样试验过程中掉落，未获得有效数据；2#位置涂层表面平整，未发现鼓泡、开裂、脱层现象；3#位置涂层由乳白色变为褐色，试验后涂层表面出现明显的鼓泡、开裂现象，在金相显微镜下可观察到裂纹；4#位置涂层未出现明显的鼓泡、开裂现象，但有溶解脱落的痕迹。涂层附着力测试如图8所示，相比原始试样，出现了明显下降，综上，Chemflake玻璃鳞片涂层在胺法CO2捕集装置中适用性较差。

图7 Chemfl ake玻璃鳞片涂层在吸收塔和解吸塔塔顶和塔底位置腐蚀4320h后的宏观形貌图

图8 CP陶瓷涂层在吸收塔和解吸塔塔顶和塔底位置腐蚀4320h后的宏观形貌图

图9 腐蚀4320h后的涂层附着力测试结果

图8 所示为CP陶瓷涂层在现场悬挂4320h后的形貌图。其中，测试点4#试样试验过程中掉落，未获得有效数据；1#及2#位置涂层表面平整，未发现鼓泡、开裂、脱层现象；相比1#及2#位置，3#位置温度较高，涂层失效更为严重，与基材已脱层分离，基材出现严重的腐蚀。涂层附着力测试如图8所示，相比原始试样，附着力有所下降，但优于Chemflake玻璃鳞片涂层。综上，CP陶瓷涂层在胺法CO2捕集装置中适用性较差。

2.4 非金属材质在胺法CO2捕集装置中的适用性

非金属内衬是压力容器防腐的常用手段之一，在现场装置中开展了聚丙烯及聚偏氟乙烯非金属材质的挂片实验。图10和图11分别为聚丙烯和聚偏氟乙烯挂片试验4320h后清洗前后的宏观形貌图，图12为测试后试样的增重率。由图可见，除1#位置的聚丙烯试样测试前后颜色不变，且增重率较低外，其余位置试样均有较为明显的发黄，甚至发黑现象，且有所增重，表明有溶质渗透进入非金属内部。综上，聚丙烯及聚偏氟乙烯非金属材料在胺法CO2捕集装置中的适用性较差。