加熱爐低溫煙氣露點腐蝕防護及溫度計算

王 波，蔣曉敏

(中國石油烏魯木齊石化分公司，新疆烏魯木齊 830019)

加熱爐低溫煙氣露點腐蝕防護及溫度計算

王 波，蔣曉敏

(中國石油烏魯木齊石化分公司，新疆烏魯木齊 830019)

通過某石化公司煉油廠加熱爐2008年度檢修中發(fā)現(xiàn)的腐蝕問題，著重分析了加熱爐設備的露點腐蝕狀況及露點腐蝕溫度的計算。同時指出，關于加熱爐的露點腐蝕問題，采用保護涂層及增加襯里底層的不銹鋼箔不失為一種值得嘗試的方法。

加熱爐 煙氣 露點 腐蝕 防護措施

長期以來，低溫煙氣露點腐蝕一直影響著石化行業(yè)的一些重要設備，特別是加熱爐的對流爐管及空氣預熱器的正常運行。某石化公司煉油廠三臺加熱爐也存在不同程度的腐蝕問題，如加氫裝置加熱爐經(jīng)過長期的運行以后，其對流室釘頭管部分被腐蝕脫落露出光管，另外對流室壁板還有局部穿孔的現(xiàn)象。

1 加熱爐對流室腐蝕現(xiàn)狀

1.1 加氫裝置加熱爐有關原始數(shù)據(jù)

04－0026－03

該加熱爐于1999年投用，采用燃料氣作燃料。設計熱負荷為12.725 GJ/h。當年投用時對流室爐管與套管之間未用保溫材料密封，造成煙氣外漏，使對流室彎頭箱內溫度過高表面油漆剝落。2000年與2001年又對襯里進行了修補。2006－2007年間爐外壁鋼板出現(xiàn)了不同程度的腐蝕減薄穿孔，于是更換了襯里、貼板并更換了部分鋼板。2008年檢修時更換了對流室壁板、頂板及其襯里。加熱爐主要部件材質見表1。

表1 加熱爐主要部件材質

1.2 腐蝕狀況

檢修發(fā)現(xiàn)對流管壁板腐蝕減薄嚴重，部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象。一側保溫釘大部分腐蝕脫落，造成保溫襯里大面積脫落(見圖1)。通過對其腐蝕形態(tài)的分析確定造成這一現(xiàn)象的主要原因為煙氣的露點腐蝕。

圖1 加熱爐對流室保溫釘腐蝕脫落情況

2 露點腐蝕機理

在采用重油或燃料氣作燃料的加熱爐，燃料中的硫在燃燒時絕大部分變成了SO2，其中質量分數(shù)占2% ～3%的SO2進一步氧化成SO3，SO3與水蒸氣作用而在爐子低溫部位凝結成H2SO4，引起這些部位的硫酸露點腐蝕。煙氣中SO3質量分數(shù)達60 μg/g時，可以使露點溫度升高至150～170℃。當設備表面溫度低于露點時就會凝結成H2SO4，引起腐蝕，其過程分以下幾步進行:

由此可知，腐蝕產(chǎn)物分為三層，從里到外依次是 FeS，F(xiàn)e2O3和Fe3O4，隨著Fe3O4的不斷剝落，腐蝕不斷深入。含硫煙氣腐蝕一般發(fā)生在鍋爐省煤器、加熱爐對流段爐管和煙道等部位。

另外，燃燒煙氣中的粉塵(含金屬離子)也能與H2SO4化合，生成硫酸鹽，附在爐管外套，形成一層具有一定防護作用的保護膜，阻止H2SO4對基體的進一步腐蝕。

3 酸露點溫度計算方法

3.1 酸露點溫度

當煙氣中含有SO2時，其中一部分會轉化成SO3，并與煙氣中的水蒸氣結合生成硫酸蒸汽，如果溫度低于某一溫度值，硫酸蒸汽就會在設備內壁上凝結形成硫酸溶液，它既可與堿性灰反應，也可與金屬反應，因而產(chǎn)生腐蝕。硫酸蒸汽冷凝成硫酸溶液所需最高溫度簡稱酸露點溫度。確定煙氣的酸露點溫度，己成為避免低溫腐蝕、增加設備運行安全性的關鍵所在。

煙氣中除SO3外，SO2等也會產(chǎn)生低溫腐蝕，但它們都發(fā)生在煙氣的水蒸氣的露點以下，其露點溫度一般是30～100℃，低于酸露點計算溫度。

3.2 影響煙氣露點溫度的主要因素

(1)硫含量:煙氣中硫酸蒸汽大部分由燃料氣中硫氧化而來。燃料氣中硫含量越高，煙氣露點溫度越高。因而在實際運行過程中，必須嚴格控制燃料氣中硫含量。

(2)溫度:當壓力一定時，SO2轉化成SO3的平衡曲線見圖2。

從圖2可以看出低溫時對轉化成SO3有利。溫度在850℃以上時，SO3幾乎不產(chǎn)生。在溫度相同時，壓力升高會增加向SO3方面的轉化。但實際上，因原子氧、SO3觸媒及飛灰的作用而變得更為復雜。

(3)過量空氣系數(shù):煙氣氧含量越高，由SO2轉化為SO3的比例會越大。因而，在保證充分燃燒的前提下，應盡量采用低過量空氣系數(shù)，減少SO3的生成量，降低煙氣露點溫度。

(4)水蒸氣:煙氣中水蒸氣的含量愈大，水蒸氣的分壓力也愈大。只考慮水蒸氣的影響，水蒸氣對煙氣露點的影響如圖3所示。為了降低煙氣露點溫度，因而在實際運行過程中，應嚴格控制燃料氣含水率。但在實際過程中，控制燃料氣含水率非常困難，因而通常是在設計中盡量避開露點或采取相應的防護措施。

(5)其它影響因素:除上述主要影響因素外，煙氣酸露點還與煙氣的壓力、在設備中停留時間以及設備內溫度場分布不均等情況有關。

3.3 煙氣露點溫度的計算

(1)理論上較難直接精確地推導出煙氣露點溫度的計算式，一般皆由試驗取得，或通過實驗加上理論推導等方法確定。下面列舉實際較為常用的露點溫度的計算公式［1］。

Muller在1959年使用熱力學關系式計算了含量很低硫酸蒸氣的煙氣露點，并得到 Muller曲線，見圖4。該曲線為許多研究者的實驗所證實。2008年加熱爐煙氣中SO2成分分析數(shù)據(jù)見表2。

(2)該裝置加熱爐露點腐蝕溫度的計算:該裝置煙氣中SO3含量分析數(shù)據(jù)見表2。以2008年9月26日F-101加熱爐的分析為例(按標況粗略計算):

VSO3=SO2體積百分數(shù)×轉化率(SO2氧化為SO3)=0.278÷64×22.4×0.03=2.919×10－6(L/L)

查Muller曲線得知F-101煙氣露點腐蝕溫度為125℃左右。

同理計算:F-201煙氣露點腐蝕溫度為123℃左右;

F-401煙氣露點腐蝕溫度為120℃左右。

表2 加熱爐煙氣中SO2成分分析

4 擬采取的措施

從加熱爐壁板腐蝕外觀的分析結果可知，該裝置加熱爐的主要腐蝕形式為低溫煙氣露點腐蝕，其本質是硫酸腐蝕，而硫酸又是由SO3與水蒸氣結合冷凝而來，因此，控制露點腐蝕可以考慮從以下幾方面著手:

(1)適當提高加熱爐排煙溫度，避開“冷端腐蝕”，但會增大能耗，應該從防腐蝕與節(jié)能的角度進行綜合考慮。

(2)燃料氣脫硫，但不易實現(xiàn)完全脫除。

(3)減少煙氣中SO3含量，抑制SO2向SO3轉化。可以采用低氧燃燒法，設法降低煙氣中過剩空氣含量;也可加入能與氧迅速化合的添加劑，如四氯化碳、吡啶等物質，以達到減少原子氧的存在而抑制SO2氧化成SO3的目的。

(4)在燃料中加入SO3的中和劑，使SO3的數(shù)量大大減少。

(5)減少煙氣中水氣含量，盡量不用蒸汽除灰。

(6)在低溫段的爐管，可采用抗露點腐蝕鋼種，如 09CuWSn。

(7)采用保護涂層，既可用高溫有機涂料，也可采用熱噴涂，如噴涂Cu-Sn合金、金屬陶瓷等［2］。

(8)采用高密度新型襯里并保證襯里的施工質量，底層平鋪不銹鋼箔，防止煙氣竄入遇壁板冷凝成酸液［3］。

5 結論

(1)分餾加熱爐對流爐管及壁板的腐蝕，主要是由低溫煙氣硫酸露點腐蝕引起。煙氣通過襯里縫隙竄入壁板，遇低溫壁板冷凝成酸液造成壁板的嚴重腐蝕。

(2)通過計算可以看出三臺加熱爐的煙氣露點腐蝕溫度均在120℃左右，而三臺爐子的排煙溫度均在200℃以上，這就說明加熱爐對流室包括煙囪內部的露點腐蝕較小。重點腐蝕部位就在襯里出現(xiàn)縫隙處的壁板上。

綜上所述，加熱爐腐蝕可以采取的保護途徑有多種，但采用保護涂層及增加襯里底層的不銹鋼箔，不失為一種值得嘗試的方法。

［1］賈明生，凌長明.煙氣酸露點溫度的影響因素及其計算方法［J］.研究與開發(fā)，2003(6):31-35.

［2］姜雨澤.煙氣凈化設計的腐蝕機理與防護方法［J］.腐蝕與防護，2005，28(12):530-533.

［3］李守信，趙毅，王德宏.煙氣脫硫系統(tǒng)的防腐蝕問題［J］.華北電力大學學報，2000，27(4):70-74.

Protection of Low Temperature Flue Gas Dew－point Corrosion in Furnace and Temperature Calculation

Wang Bo，Jiang Xiaomin
PetroChina Urumqi Petrochemical Company(Urumqi，Xinjiang 830019)

A serious corrosion was found on the wall plates of furnace of fractionator in the turnaround of the refinery in 2008.The dew point corrosion of furnace was analyzed and dew point temperature was calculated.The application of protection layer and installation of stainless steel foil for the prime layer of linings are effective measures worth commercial trial.

furnace，flue gas，dew point，corrosion，protection measures

TE963

1007－015X(2011)

2010－11－ 26;

2011－06－28。

王波，男，2004年7月畢業(yè)于西安石油大學化學工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)在中國石油烏魯木齊石化分公司煉油廠加氫車間從事設備管理工作。E－mail:wangbows@petrochina.com.cn

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