燃煤火力電廠煙氣脫硫系統濕煙囪防腐內襯概述

(浙江省宣達耐腐蝕特種金屬材料研究院，浙江 溫州 325105)

燃煤火力電廠煙氣脫硫系統濕煙囪防腐內襯概述

歐陽明輝 劉煥安 葉際宣

(浙江省宣達耐腐蝕特種金屬材料研究院，浙江 溫州 325105)

本文分析和討論了濕煙囪的腐蝕特性，指出濕煙囪的腐蝕是氣體、液體、固體等多相作用下的腐蝕。介紹和分析了常用的濕煙囪防腐內襯玻璃鱗片、玻璃鋼、泡沫玻璃磚以及金屬材料，從LCC的指標來說，金屬材料是長效且經濟的濕煙囪防腐內襯。

濕煙囪 腐蝕 金屬材料內襯 LCC 防腐內襯

0 引言

自2012年底我國部分地區出現霧霾現象，大氣質量每況愈下，目前大部分地區都存在嚴重霧霾現象，并且我國酸雨覆蓋面積廣，這凸顯了我國大氣污染的嚴重性。大氣污染主要來自兩大污染源：汽車尾氣和燃煤電廠煙氣。控制燃煤電廠煙氣排放是治理大氣污染的關鍵。眾所周知，世界上采用最多的控制燃煤電廠煙氣排放的方法是濕法石灰-石灰石煙氣脫硫。出于經濟和節能減排的考慮，燃煤電廠濕法煙氣脫硫系統傾向于采用不加熱的方式排放煙氣，即采用濕煙囪運行[1-6]。但采用濕煙囪運行后，由于煙氣的排放溫度降低，濕度增大，腐蝕性大大增強，因此必須加強煙囪的防腐工作才能保證電廠和煙氣脫硫系統可靠運行。目前我國濕法煙氣脫硫工藝大多從國外引進，關鍵技術和設備國產化不足，防腐技術相對落后，防腐經驗缺乏，尤其是濕煙囪的防腐。由于針對濕煙囪腐蝕性的研究和認識不足，防腐內襯材料選擇不當，防腐內襯的施工質量不過關，我國濕煙囪防腐內襯存在大量的失效現象[7-12]。因此本文就濕煙囪的腐蝕性進行論述，并將常用的防腐內襯進行討論和分析，以為我國濕煙囪的防腐工藝和濕煙囪防腐材料的選擇、開發提供相應的參考依據，有利于提高濕煙囪防腐技術和煙氣脫硫系統運行的可靠性和穩定性。

1 濕煙囪環境及腐蝕形式

通常石灰-石灰石濕法煙氣脫硫系統采用濕煙囪運行時，煙氣經過脫硫塔脫硫后經凈煙道直接進入煙囪排放，濕法煙氣脫硫系統對SO2的脫除率很高可達到90%以上，但對SO3，NOx，HCl，HF等酸性氣體的脫除率較低大約為20%～50%左右。因此，凈煙氣中仍含有SO2，SO3，NOx，HCl，HF等酸性氣體。另外濕煙囪的排煙溫度大約為50℃左右，在該溫度下凈煙氣中水蒸汽的含量達飽和狀態即相對濕度(RH)為100%。凈煙氣的露點溫度在90～120℃范圍內，凈煙氣溫度明顯低于煙氣露點，因此濕煙囪的內壁結露非常嚴重形成大量冷凝液，一般在煙囪冷凝液中會形成H2SO4，H2SO3，HCl，HF等無機酸，pH值在1～6左右，呈一定的酸性。由于硫酸的露點最高，硫酸最先從煙氣中結露出來，即濕煙囪中最主要的腐蝕劑為還原性稀硫酸。水蒸汽還會將料漿中的Cl-，F-等鹵素離子帶入煙氣中，并隨結露進入冷凝液。濕煙囪中鹵素離子的含量根據火力電廠所采用的煤質和水質不同，一般在幾百ppm到上萬ppm之間不等，并且具有一定的累積效應。除上述酸性氣體、水蒸汽及還原性鹵素離子外，凈煙氣中還含有少量包括來自鍋爐和漿液中的固體顆粒[1,2,8,13-15]。由此可知，濕煙囪的腐蝕是由酸性氣體，含還原性鹵素離子且呈一定酸性的冷凝液體以及固體顆粒等多相作用下的腐蝕。國內外實踐證明，濕煙囪的腐蝕性非常強、腐蝕機理復雜、腐蝕影響因素較多[2,6,8,9,13-31]。

本文的腐蝕是指廣義的腐蝕即由于物質與周圍環境作用而產生的損壞[32,33]。由上述濕煙囪運行工況和腐蝕特性可知，非金屬內襯材料在濕煙囪中的腐蝕形式主要有：①物理腐蝕：濕煙囪冷凝液的滲透、溫變應力的作用、磨損；②化學腐蝕：濕煙囪中的酸性氣體及含硫酸等的酸性液體會與非金屬材料中的某些官能團發生反應；③老化：濕煙囪中的溫度、濕度、水分、氧等因素的作用，隨時間的推移非金屬材料性能裂化。對于金屬材料而言，國內外研究者一致認為是露點腐蝕，本文認為金屬材料在濕煙囪中的腐蝕是濕煙囪冷凝薄液膜下氣體、液體、固體等多相作用的電化學腐蝕[13,27-32,34-41]。一般可用于濕煙囪環境下的金屬材料都會在表面產生一種保護的鈍化膜抑制金屬腐蝕的陽極過程，因此均勻腐蝕不是金屬材料在濕煙囪中的主要腐蝕形式。由于濕煙囪冷凝液中鹵素離子的存在不僅加速金屬材料腐蝕過程，而且還會造成點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕現象。國外大量研究和實踐表明，點蝕和縫隙腐蝕是金屬材料在濕煙囪中的主要腐蝕形式[38,42-52]。濕煙囪腐蝕環境下，縫隙腐蝕更易形成，這是因為一方面薄液膜的作用易產生大陰極小陽極現象；另一方面腐蝕產物及起鱗、結垢物的覆蓋易形成縫隙。

2 濕煙囪的防腐要求

煙囪是電廠必不可少的一部分，燃煤鍋爐開車運行，煙囪必須能有效的排放煙氣。當加入濕法煙氣脫硫系統后，煙囪同樣也是煙氣脫硫工藝化工流程裝備。此外，煙囪是一種高聳構筑物、超大型的化工過程裝備。火電廠煙囪結構設計基準期為50年，排煙功能設計壽命為30年，一般要求煙囪與鍋爐同壽命、同運行[19]。基于此，國際煙囪協會和美國電力研究院都要求濕煙囪采用套筒式結構，一爐配一管，將結構筒和排煙筒分開，這樣不僅使排煙筒具有檢修和維護空間，即使腐蝕滲漏也不至于馬上破壞結構筒。因此根據上述煙囪的重要性，濕煙囪的防腐必須穩定可靠，只有這樣才能保證煙氣脫硫系統乃至整個電廠的可靠運行。對于濕煙囪防腐主要有如下幾個方面的要求：①技術可行性，防腐內襯必須滿足濕煙囪腐蝕環境下的防腐要求；②經濟合理，不僅要考慮前期投資成本，更要考慮煙囪生命周期成本(LCC-Life Cycle Cost)；③施工方便，施工質量易于控制和檢查；④防腐內襯的可靠運行周期和總使用壽命長[1,44,50,52-57]。

3 濕煙囪防腐內襯

隨著近年我國煙氣脫硫系統的大力建設以及其濕煙囪的防腐需要，涌現出了大量的濕煙囪防腐內襯如玻璃鱗片涂料、玻璃鋼(FRP)、耐蝕金屬材料、硼硅酸鹽玻璃泡沫磚、APC雜化聚合物、聚脲、OM涂料等等[58-63]。針對眾多的防腐內襯人們將其分為有機材料和無機材料兩大類或金屬材料和非金屬材料兩大類，本文采用后一種方式。對于上述防腐內襯，就我國的使用經驗來說，目前仍然存在脫落、滲漏、腐蝕失效等大量問題，跟國外存在很大差距。國外多年的防腐經驗已就濕煙囪的防腐形成了標準規范，如國際煙囪協會(CICIND)、美國電力研究院(EPRI)和美國防腐工程師協會(NACE)等的標準中規定的濕煙囪防腐內襯主要為金屬材料類(鈦材、鎳基合金、不銹鋼)、非金屬材料磚塊類(耐酸磚、泡沫玻璃塊)、涂料類以及玻璃鋼[64-68]。我國新出臺的標準GB50051-2013對煙囪防腐進行了說明并提出了防腐金屬材料內襯、玻璃泡沫磚內襯、玻璃鋼和玻璃鱗片四種防腐內襯[7]。下面對四種防腐內襯進行一一介紹和討論。

3.1非金屬防腐內襯

3.1.1玻璃鱗片涂料(Glass Flake)

玻璃鱗片涂料內襯是由乙烯基酯樹脂(55%～65%)、微玻璃鱗片(30%左右)及其他功能性助劑偶聯處理而得。乙烯基酯樹脂主要有標準雙酚A環氧乙烯基酯樹脂和酚醛環氧乙烯基酯樹脂，前者的耐溫性不如后者，有耐溫需求的應選擇后者。環氧乙烯基酯樹脂在66℃以下的濃度≤20%HCl或≤20%H2SO4的還原性稀酸中具有優良的耐蝕性能。微玻璃鱗片是由一定材質的(硅酸鹽)玻璃料經特定加工工藝加工而成的鱗片狀薄玻璃制品，主要有C玻璃和E玻璃，由于E玻璃的耐蝕性不如C玻璃，一般濕煙囪防腐采用C玻璃鱗片。玻璃鱗片涂料可經刷涂、輥涂和高壓無氣噴涂煙囪內壁，固化后將形成玻璃鱗片與基體平行、疊壓排列、重疊排列的扁平玻璃鱗片形成致密的防滲層結構，猶如迷宮效應，可延緩煙囪冷凝液的滲透。玻璃鱗片涂料防腐內襯具有施工風險小、施工期短、前期投入低等特點，但是由于玻璃鱗片涂料的固有缺陷其防腐壽命短、后期維護工作量大。要使玻璃鱗片涂層防腐長期有效必須嚴格執行如下施工工藝：碳鋼基底噴砂處理→涂刷底涂→涂刷第一次鱗片襯里→涂刷第二次鱗片內襯→涂刷外防腐層→質量檢查(外觀檢查，漏電檢查，厚度檢查，打診檢查)，再加上后期大量的精心維護方可[58,69-71]。國外僅在早期(20世紀60～70年代)有采用，而國內外的使用情況均不佳，存在鼓泡、剝離、開裂、滲漏等失敗現象[8-12,45,46,50]。

3.1.2玻璃鋼(FRP或GRP—Fiberglass Reinforced Plastic)

玻璃鋼—玻璃纖維增強塑料，是由高強度纖維和樹脂復合而成的復合材料。纖維采用的是E-CR無氟無硼無堿耐酸玻纖直接纏繞紗與單向布，主要起到提高FRP的強度和剛性的作用。而樹脂采用乙烯基酯環氧樹脂或改性的環氧樹脂，以提供FRP的耐化學性和韌性。玻璃鋼排煙筒一般采用纏繞成型，分節在現場纏繞加工，纏繞時在環向或螺旋方向采用纏繞紗，軸向采用單向布增強，安裝時再將各節手糊纏繞連接[59,72-77]。玻璃鋼排煙筒質輕且高強；在≤100℃的32%HCl、30%NaOH、15%HF、50%H2SO4中的耐蝕性能優良；具有良好的表面性能和良好的可設計性和施工性能。國內外都形成了相關的玻璃鋼排煙筒標準規范如GB50051-2013，ASTM D5364-08e1，CICIND2009。由于玻璃鋼是高分子塑料基復合材料，不可避免具有高分子材料的固有缺陷如老化、腐蝕滲透和力學破壞造成物理腐蝕、玻璃鋼排煙筒節點處的強度難以保證、耐溫性差、易著火(保留旁路時慎用)等等。目前，我國僅在小型電廠和煙塔合一煙道中有應用。

3.1.3硼硅酸鹽泡沫玻璃塊(Borosilicate Foamed Glass Block)

泡沫玻璃磚是以碎玻璃為主要原料，加入發泡劑、改性添加劑和發泡促進劑等，經過細粉碎和均勻混合后，再通過高溫隧道窯爐加熱焙燒和退火冷卻加工處理后而制成的無機非金屬玻璃材料。泡沫玻璃磚防腐內襯主要由泡沫玻璃磚和粘結劑所組成。泡沫玻璃磚具有封閉的微孔結構，能阻止煙氣、煙氣冷凝液和水分的滲透。泡沫玻璃磚基本上是一種惰性的無機非金屬材料，可以抵抗除HF以外的各種不同濃度酸、溶劑以及弱堿的侵蝕。泡沫玻璃磚質輕、導熱系數低，是優良的防腐、隔熱材料，可省去保溫層而且不必加設加固和支撐件。泡沫玻璃磚內襯的應用范圍廣，不受基體限制，施工時間短[1,60,78]。但泡沫玻璃磚內襯的缺點也非常明顯，由于不可做成大塊材料，縫隙特別多，而縫隙主要是高分子粘結劑，高分子的固有缺陷易于老化、物理腐蝕如滲漏和開裂，因此粘結劑是玻璃泡沫磚防腐內襯的薄弱環節。泡沫玻璃磚內襯的施工工藝要求嚴格，施工質量難以控制和檢查，維護不方便。事實上，國產泡沫玻璃磚內襯存在滲漏、開裂、脫落等大量失敗案例，而進口的賓高德泡沫玻璃磚內襯卻有較好的效果，說明我國的泡沫玻璃磚內襯原材料尤其是粘結劑以及施工質量與國外差距大，有待進一步完善[7,79-81]。

3.2金屬材料防腐內襯

由上述可知非金屬材料有其固有的缺陷，就我國使用的情況和發達國家的防腐經驗來看，非金屬材料的防腐效果不理想——可靠性和穩定性低。因此，非金屬材料的后期維護工作量大、維護費用高，且一般非金屬材料的壽命較金屬材料低。隨著環保法的日趨嚴苛，一般要求煙氣脫硫系統全程運行；以及煤礦的消耗造成煤質的下降，這都會增加濕煙囪的腐蝕性。而由第2節可知濕煙囪這種大型的化工流程裝備在電廠中具有重要地位，我國提出了必須采取長效可靠的防腐措施，即要求濕煙囪與鍋爐同壽命達到30～35年。發達國家如美國、德國、日本、韓國等，甚至包括我國臺灣地區為了實行濕煙囪的長效防腐都采用了金屬材料內襯以提高整個系統的可靠性、穩定性和運行效率。美國1990年以后建成的一些FGD系統，在FGD裝置不同部位采用不同等級的耐蝕合金材料，建成了全合金的FGD系統。而近年美國和德國所建的全合金FGD系統可在電廠的使用壽命中保證零維護(Zero Maintenance)，極大提高系統的可靠性、穩定性和運行效率從而降低設備的生命周期成本(LCC—Life Cycle Cost)[1,44,45,50,52,55-57,82]。采用金屬材料進行煙囪防腐的優點：①可對煙囪進行預先安排維修日期，且無需事故急冷裝置；②合金襯里清洗、除垢比非金屬材料容易得多，不用擔心損壞；③合金襯里的施工環境和施工方法要求遠較非金屬材料低；④所有的合金都可用焊接進行連接，表面檢查和維修容易，維修僅需合格的焊工就可；⑤設計變更或煙囪的維修所需的停工期短；⑥合金的耐蝕性和機械性能可采用薄板減輕設備重量；⑦溫度敏感性低，溫度偶爾超出并不損壞合金的耐蝕性；⑧合金的型材有多種：薄板、厚板、管子、板材等，設計上非常靈活，且性能穩定無保存期；⑨合金選擇適當可產生整體經濟效益，即較低的LCC[45]。

美國大量采用鎳基合金C-276貼襯板或復合板進行濕煙囪防腐處理，在較苛刻的工況下采用C-22，德國則采用alloy59[12,22,42,44,45,83,84]。鑒于我國是貧鎳國家，鎳基合金昂貴，鮮有采用鎳基合金的報道，但是我國盛產鈦，鈦材的價格低于鎳基合金，因此我國少量電廠采用了鈦雙金屬復合板，如福建漳州后石電廠，常熟電廠和七臺河電廠等[1,17,18]。鈦材同樣有其固有缺陷：一方面雖然鈦是耐海水的優良材料，鈦耐Cl-引起的點蝕和縫隙腐蝕性能優良；但是鈦在還原性介質(稀硫酸、鹽酸)中的耐蝕性不佳，且隨硫酸濃度和溫度的升高，腐蝕速度急劇增大。而且鈦不耐F-離子腐蝕，如果煙氣中有一定量的活性F-離子，將破壞鈦的鈍化膜，鈦是絕對不能使用的。另一方面，更重要的是鈦的焊接性能較差，易于吸氫、吸碳、吸氧、吸氮，并易受鐵污染造成鈦材尤其是焊縫力學性能和耐蝕性能降低，這是選用鈦材防腐不得不考慮的問題[1,13,20,83,85]。

隨著煙囪和FGD系統防腐技術的成熟以及FGD系統設計、運行參數的優化，發達國家成功開發和應用了超級奧氏體不銹鋼進行濕煙囪防腐[28,43,45-47,86]。超級奧氏體不銹鋼耐稀硫酸性能和耐點蝕、縫隙腐蝕性能與鎳基合金相當，而其價格遠低于鎳基合金，且其焊接性能優良可與碳鋼直接焊接，機械性能和加工成形性能優良，可加工成各種型材，包括冷軋薄板。根據我國的國情及發達國家的經驗，超級奧氏體不銹鋼是一種較為理想的濕煙囪防腐用金屬材料，如宣達開發的XDS-5滿足煙囪環境材料所需的耐均勻腐蝕(G.I.≥60)和耐局部腐蝕(L.I.≥36)的性能[86]；此外XDS-5的機械性能、焊接性能、加工成型性能優良，施工方便，無論采用薄板貼襯方式或是復合板方式都有現成的標準可以參考[87,88]。綜上所述，采用金屬材料內襯進行濕煙囪防腐才是較為可行的長效防腐措施。

4 防腐內襯的經濟性評價

防腐內襯的生命周期成本是指防腐內襯在整個服役周期中的經濟耗費。因此，防腐內襯的生命周期成本應包括前期投資，后期維護費用，防腐內襯失效引起停車而造成的發電量損失以及其他的一些稅費等等。近年美國、德國等西方發達國家對流程裝備的成本估算或經濟性評價都采用LCC指標，而我國流程裝備的成本依然采用單位計價，比如濕煙囪防腐內襯的經濟性對比依然采用每平米價格來衡量，這顯然是不科學的，尤其是對于濕煙囪、吸收塔等超大型的關鍵流程裝備[44,50,52,55-57,82,89]。它們在服役周期中的費用遠不止前期的投資，后期的維護和造成的經濟損失也是相當大的。雖然按每平方米的價格計算金屬材料較非金屬材料貴，但是美國、德國多年的防腐經驗表明采用金屬材料尤其是金屬材料貼襯板及復合板進行濕煙囪防腐的LCC指標比非金屬材料還低，即表明就濕煙囪防腐項目來說，采用金屬材料內襯更經濟。至今國內仍沒有濕煙囪防腐內襯LCC指標對比方面的報道。

5 結語

濕煙囪的腐蝕機理復雜是一種氣體、液體、固體等多相作用下的腐蝕。由于濕煙囪的腐蝕性非常強，而濕煙囪在電廠中處于非常重要的地位，因此必須采用長效的防腐措施。非金屬材料玻璃鱗片涂料、玻璃鋼和泡沫玻璃磚等都存在大量的失敗現象，金屬材料防腐內襯才是濕煙囪長效的防腐措施。濕煙囪防腐內襯的經濟性應采用科學的LCC指標，發達國家的經驗表明金屬材料是經濟的濕煙囪防腐內襯。

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Anti-corrosion Lining of Wet Stack in the FGD System of Coal-fired Power Plant

OUYANG Ming-hui, LIU Huan-an, YE Ji-xuan
(The Instistute of Xuanda Corrosion-Resistant Special Metals of Zhejiang Province, Wenzhou 325105, China)

The corrosion in wet stack was analyzed and discussed. The corrosion in wet stack is a muti-phase(gas, liquid and solid etc) effected corrosion. The common used anti-corrosion linings such as glass flake, FRP, borosilicate foamed glass block and metals were characterized and analyzed. From the LCC index point of view, metals are the long life and cost-effective anti-corrosion lining of wet stack.

wet stack; corrosion; metal lining; LCC; anti-corrosion lining

TG172.3+3

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.08.016.06

歐陽明輝 (1982-) ，男，湖南永州人，中心主任，工程師，碩士，主要從事特種金屬材料的開發、腐蝕電化學研究及流程裝備合金化工作。