窯尾袋除塵器腐蝕機理及防腐措施研究

魯果，屈荷葉，曹寧，何鵬飛

近年來，隨著國家對水泥行業的環保要求越來越嚴格，水泥廠相繼開展了窯尾除塵器技改工作，將原有電除塵器改造為布袋除塵器或電袋除塵器，以保證粉塵排放達標。但從設備運行情況來看，窯尾布袋除塵器普遍存在內部腐蝕問題，影響了系統的使用壽命[1]。本文對窯尾袋除塵器腐蝕情況進行了分析，并提出了解決腐蝕問題的措施。

1 水泥窯尾袋除塵器腐蝕現狀

某5 000t/d水泥熟料生產線回轉窯窯尾低壓長袋脈沖除塵器于2009年投運，處理風量960 000m3/h，入口煙氣溫度90℃，過濾風速0.96m/s。目前，除塵器內部存在嚴重的腐蝕問題，腐蝕位置主要在設備頂蓋門板處，如圖1所示。由于除塵器部分腐蝕位置已經穿孔，導致外界冷風進入除塵器內部，形成煙氣結露，出現“糊袋”現象。同時，大量銹渣脫落進入布袋內部，脈沖噴吹時加劇了濾袋的磨損，降低了濾袋的使用壽命，增加了系統維護成本。

圖1 窯尾袋除塵器內部腐蝕情況

2 除塵器腐蝕機理分析

為實現節能減排，水泥生產線大多會配有余熱發電系統，水泥窯尾煙氣從預熱器C1口出來，經余熱鍋爐到達窯尾除塵器入口，煙氣溫度范圍在90℃～180℃。正常運行工況下，窯尾除塵器的入口煙氣溫度接近溫度域的下限，遠低于濾袋的最高使用溫度，由于煙氣溫度遠低于酸露點溫度，使窯尾煙氣中所含的硫氧化物、氮氧化物、氨及氯離子等腐蝕性物質發生凝結，從而形成腐蝕環境[2]。

2.1 水泥窯尾煙氣中的腐蝕物

2.1.1 煙氣中的硫氧化物排放

在生產水泥所產生的煙氣中，硫元素的來源主要有兩種途徑：煤粉中的硫和生產原料中的硫。生產水泥所使用的煤粉中含有硫化物和有機硫，經分解爐和回轉窯，在高溫工況下分解產生SO2和SO3，并被分解爐中大量高活性的堿性化合物吸收生成硫酸鹽。生產水泥所使用的原料中，硫化物大部分為黃鐵礦和白鐵礦，以及少量的單硫化物，該類硫化物會在500℃～600℃發生氧化反應生成SO2，對應位置在C2或C3旋風筒處。在正常工況下，大部分水泥廠可通過水泥工藝的自脫硫效應來實現硫氧化物的減量排放，但當燃料或原料中的硫化物含量過高時，尾部煙氣中還會存在大量的SOX。

2.1.2煙氣中的氮氧化物排放

在水泥生產過程中，氮氧化物主要存在燃料型NOx和熱力型NOx兩種。燃料中含有的有機物和低分子含氮化合物在燃燒過程中經熱分解、氧化作用，產生燃料型NOx；在水泥生產過程的高溫環境下，空氣中的氮氣會與氧氣發生化學反應，生成熱力型NOx。水泥生產過程中必然會產生大量的氮氧化物。

2.1.3煙氣中的氨排放

水泥廠氨排放的來源主要有兩種，一種是水泥生產過程中排放的氨，主要是燃料燃燒、燃料和替代燃料燃燒產生的本底氨。研究發現，本底氨主要源自水泥原料、協同處理廢物中含有的氨基物質，運行工況變化也會造成本底氨排放濃度的改變。在水泥窯協同處置城市生活垃圾的工況下，以生活垃圾作為替代燃料會大幅增加本底氨的排放[3]。另一種是SNCR脫硝系統過量噴射的氨。為滿足氮氧化物的環保排放要求，窯尾設置了SNCR脫硝系統，脫硝效率一般在30%～50%。SNCR系統的脫硝效率較低且噴嘴霧化效果不佳，導致部分氨未參與過程反應，出現氨逃逸，造成窯尾煙氣中有氨的存在。

2.2 腐蝕機理探究

除塵器內部的金屬腐蝕主要分為化學腐蝕和電化學腐蝕[4]，本文將對這兩種腐蝕展開分析。

2.2.1 化學腐蝕機理

常用的布袋除塵器殼體材質為Q235碳鋼，其化 學成分為：C≤0.20%，Mn≤1.4%，Si≤0.35%，S≤0.045%，P≤0.045%。除塵器正常運行時，煙氣中的酸性物質主要以氣態形態存在，此時酸性氣體對碳鋼無腐蝕作用。當溫度降到煙氣露點以下時，會產生水分凝結，同時溶解硫氧化物和氮氧化物等，形成亞硫酸、硫酸及硝酸性腐蝕物質，并在與碳鋼接觸后發生化學反應，生成亞硝酸鐵、亞硫酸鐵等。

2.2.2 電化學腐蝕機理

發生電化學腐蝕的條件是，具有電解質并與不同活性金屬組成正負極。在潮濕的空氣環境中，鋼鐵表面會吸附一層薄薄的水膜，此時碳鋼中含有的碳元素與鐵元素分別構成了電化學腐蝕的正、負極。當水膜呈較強酸性時，H+得電子析出氫氣，這種電化學腐蝕稱為析氫腐蝕，其反應方程式為：

隨著氫氣的析出，水膜的pH值上升，當水膜呈弱酸性或中性時，能溶解較多氧氣，此時O2得電子而析出OH-，這種電化學腐蝕稱為吸氧腐蝕，是造成鋼鐵腐蝕的主要原因。吸氧腐蝕反應方程式為：

Fe（OH）2會被O2進一步氧化生成Fe（OH）3，Fe（OH）3脫去一部分水生成Fe2O3·nH2O，即鐵銹的主要成分。

2.2.3 腐蝕原因分析

水泥窯窯尾布袋除塵器產生腐蝕的位置主要有以下三處：（1）以檢修人孔門為中心向四周輻射，離人孔門越近，腐蝕越嚴重；（2）提升閥桿和穿孔相接觸的地方，存在腐蝕；（3）噴吹管與脈沖閥配合的管口，存在輕微腐蝕。除塵器內部其他部位無明顯腐蝕情況產生。

以上三處腐蝕位置的漏風率較高。漏風會導致局部溫度降低，當溫度降低到煙氣露點以下時，析出的水分會吸收煙氣中的各種腐蝕性物質，形成化學腐蝕和電化學腐蝕反應所需的溶液條件。

3 預防腐蝕的措施

解決煙氣腐蝕的關鍵措施是改進系統工藝和操作方法，盡量避免或減少冷凝現象。但在實際生產過程中，綜合考慮節能減排等因素，煙氣將全部用于余熱發電和物料烘干等，導致窯尾除塵器進口溫度低于酸露點溫度，且工藝溫度的改變不易實現。筆者結合工程實際，提出了以下可實施性高、能夠較好預防窯尾袋除塵器腐蝕的措施，供參考。

3.1 減少腐蝕性氣體排放

對設備本體所產生的硫氧化物、氮氧化物、氨等腐蝕性氣體，應從源頭上對本底氨和硫的排放進行控制，如減少原料和替代燃料中的氨基及硫基物質。其次，應對SNCR系統進行噴氨優化調整，提高SNCR脫硝效率，將NSR控制在1.3～1.6，并盡量降低氨逃逸量。

近兩年，水泥爐窯生產線開始逐步采用SCR脫硝工藝，SCR脫硝工藝不僅具有較高的脫硝效率，而且能夠有效減少氨逃逸[5]。目前已有高溫電除塵器+SCR脫硝技術的成功應用實例，可保證煙氣出口NOx排放濃度＜50mg/m3（標）、氨逃逸＜3ppm，在降低氮氧化物排放和氨逃逸的同時，能夠較大程度地減少其對窯尾除塵器的腐蝕作用。

對于硫排放超標的水泥廠，通常采用煙氣尾端濕法脫硫工藝，但該工藝對減輕布置在前端的除塵器腐蝕沒有幫助。

3.2 除塵器本體改造

3.2.1 降低漏風率

目前除塵器正常運行過程中的漏風率一般在3%左右，降低漏風率是預防窯尾局部腐蝕的關鍵。可采用內換袋凈氣室結構（見圖2），每個凈氣室設置1個人孔門，其相比于具有較多人孔門的頂開蓋凈氣室結構（見圖3），能夠大幅降低人孔門漏風的風險。同時，還可將凈氣室及提升閥室人孔門全部更換為雙層人孔門結構，在增加密封性的同時，提高系統保溫效果。人孔門所采用的密封條為易損件，使用較長時間后會產生老化現象，影響密封和保溫效果，因此應將人孔門密封條列入除塵器維護內容，定期檢修和更換。

圖2 內換袋凈氣室結構

圖3 頂開蓋凈氣室結構

為提升閥桿運動部位的密封性，常規采用的是石墨盤根密封。在除塵器安裝調試過程中，需重點關注此部位，在調試時對石墨盤根壓蓋進行調整，保證提升閥桿與底座的密封效果。

3.2.2 除塵器保溫

施工過程中除了做好除塵器本體保溫外，還可以在除塵器頂部設置密閉防雨棚，進一步增強除塵器頂部的保溫效果。

3.2.3 采用優質的防腐涂層

表面防腐涂層保護就是在金屬與煙氣的接觸部位覆蓋一層涂料，阻隔腐蝕物質與碳鋼的接觸，從而防止腐蝕現象的產生。敷設防腐涂層時，需要關注涂料與基體碳鋼的附著力，造成腐蝕的原因大多是防腐涂層脫落，失去了相應的阻隔作用。常用的防腐油漆涂層為“環氧底漆+玻璃鱗片”。

不建議采用起陰極保護作用的防腐涂層。如，采用環氧富鋅漆作為窯尾除塵器底漆，其目的是將其與碳鋼組成陰極保護，但在電化學腐蝕作用下，底漆中的鋅元素很快被腐蝕消耗完，底漆的保護作用失效。此時碳鋼進一步被腐蝕，碳鋼中的鐵元素與碳元素組成新的原電池結構，電化學腐蝕作用仍繼續進行，導致采用陰極保護防腐措施效果不佳。

4 結語

水泥窯窯尾布袋除塵器產生腐蝕的原因，主要是由于煙氣中的水蒸氣結露并吸收腐蝕性物質，導致化學腐蝕和電化學腐蝕以及局部防腐油漆的保護作用失效。為防止腐蝕，可從降低煙氣腐蝕物質和改進除塵器本體兩方面采取措施，合理降低系統漏風率，加強保溫效果。同時，采用必要的防腐措施，減輕低溫煙氣工況時對除塵器的腐蝕，延長除塵器的使用壽命，降低系統維護成本。