脫硫廢水對(duì)干式排渣機(jī)影響的研究

王勇，謝玲，朱有明，李蜀生，張光榮，李吉業(yè)，姜雯昕

（青島達(dá)能環(huán)保設(shè)備股份有限公司，山東 青島 266300）

0 引言

2019年底全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量20.1億千瓦，火電裝機(jī)容量11.9億千瓦占59.2%[1]；鍋爐煙氣中有毒氣體SO2在我國東部地區(qū)排放濃度標(biāo)準(zhǔn)要求不高于35mg/m3[2]。為實(shí)現(xiàn)高效脫硫，濕法煙氣脫硫大力推廣，行業(yè)占比達(dá)90%；為保證脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需定期排出一定量的脫硫廢水。

2018年，重點(diǎn)調(diào)查工業(yè)企業(yè)的爐底渣產(chǎn)生量為3.1億噸，約等于我國200個(gè)大、中城市生活垃圾總量的1.48倍。爐底渣產(chǎn)生量最大的行業(yè)是電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，其產(chǎn)生量為1.6億噸[3]。

同煙氣旁路干燥脫硫廢水機(jī)理相似，可將脫硫廢水噴入干渣機(jī)輸送帶內(nèi)，采用爐底渣和爐底輻射熱蒸發(fā)脫硫廢水。

1 脫硫廢水主要腐蝕物

石灰石－石膏濕法脫硫廢水的主要特點(diǎn)有：①酸性；②懸浮物含量高；③鹽含量高；④大量金屬離子、重金屬超標(biāo)。下表1為我國不同地區(qū)脫硫廢水主要成分，可知Cl-是主要腐蝕物。

表1 我國不同地區(qū)脫硫廢水主要成分表（mg/L）

2 干渣機(jī)輸送帶材質(zhì)

干式排渣機(jī)（簡(jiǎn)稱干渣機(jī)）是采用適量環(huán)境空氣對(duì)鍋爐排出的高溫爐底渣進(jìn)行冷卻的底渣處理系統(tǒng)。

底渣處理脫硫廢水的原理是采用爐底渣和爐底輻射熱來蒸發(fā)脫硫廢水。受爐底余熱量的影響，并不能完全處理機(jī)組自身產(chǎn)生的脫硫廢水，且因爐底渣分布不均會(huì)在局部發(fā)生脫硫廢水與輸送帶直接接觸現(xiàn)象[4]。

干渣機(jī)輸送帶是對(duì)爐底渣進(jìn)行冷卻和輸送的載體，目前市場(chǎng)上應(yīng)用最多的干渣機(jī)有：鋼帶（網(wǎng)帶）干渣機(jī)和鱗斗干渣機(jī)。兩種干渣機(jī)輸送帶主要材質(zhì)如表2。

表2 干渣機(jī)輸送帶材質(zhì)

3 氯離子腐蝕性

3.1 金屬腐蝕危害

金屬腐蝕會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，鋼鐵每年腐蝕損失相當(dāng)于年產(chǎn)量的10%；上世紀(jì)80年代，“亞歷山大基定德”號(hào)鉆井平臺(tái)受海水腐蝕后傾覆，導(dǎo)致123人遇難；2013年11月青島黃島原油管道腐蝕造成泄露爆炸，導(dǎo)致62人喪生，經(jīng)濟(jì)損失超過7億元。

3.2 奧氏體不銹鋼

不銹鋼之所以抗腐蝕，是因?yàn)槠浔砻婺苄纬梢粚泳哂斜Ｗo(hù)性的鈍化膜。奧氏體不銹鋼與碳鋼的腐蝕是不同的，其通常是局部腐蝕破壞，尤其是在Cl-等鹵素離子環(huán)境，主要形式有點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂[5]。

大部分不銹鋼的點(diǎn)腐蝕失效都是由氯化物和氯離子引起的；點(diǎn)腐蝕主要機(jī)理是鈍化膜的不均勻性，Cl-半徑小、穿透能力強(qiáng)且自催化性導(dǎo)致腐蝕后擴(kuò)展；所以增加材料厚度并不能有效抑制Cl-腐蝕。在化工設(shè)備中50%的應(yīng)力腐蝕開裂失效是奧氏體不銹鋼，且大部分由含Cl-引起；尤其是Ni含量在10%～20%、Cr含量在12%～25%的奧氏體不銹鋼，遇氯化物最容易開裂。研究表明，奧氏體不銹鋼設(shè)備應(yīng)對(duì)Cl-進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則不應(yīng)使用。Cl-環(huán)境中各影響因素的規(guī)律見表3。

表3 奧氏體不銹鋼Cl-腐蝕影響因素

3.3 15CrMo

試驗(yàn)表明，15CrMo同20G一樣會(huì)受到Cl-全面腐蝕；且高溫條件下腐蝕更嚴(yán)重，Cl-質(zhì)量濃度超過0.2mg/L時(shí)出現(xiàn)點(diǎn)蝕。15CrMo的Rp遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20G，也說明15CrMo耐Cl-侵蝕性能優(yōu)于20G。

大華集團(tuán)合成氨廠對(duì)奧氏體不銹鋼和15CrMo做了耐氯離子試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。原采用日本進(jìn)口00Cr19Ni10（304L）設(shè)備，運(yùn)行1個(gè)月出現(xiàn)泄露；后更換為15CrMo，并采用焊后熱處理消除殘余應(yīng)力后解決問題。15CrMo是珠光體耐熱鋼，抵抗Cl-腐蝕破壞優(yōu)于奧氏體不銹鋼[6]。

3.4 CrNiMo鏈條

研究表明，CrNiMo合金鋼鏈條在脫硫廢水和渣水不同比例混合物中的腐蝕速率為0.04723g/m2·h～0.07186g/m2·h。

3.5 合金元素作用

材料中合金元素對(duì)抵抗Cl-腐蝕的作用見表4。

表4 不同元素對(duì)氯離子腐蝕的作用

4 鏈條腐蝕測(cè)定

4.1 測(cè)試條件與方法

采用山東濰坊某電廠脫硫廢水，經(jīng)NaCl和NaOH中和調(diào)整pH值后模擬脫硫廢水。水質(zhì)分析結(jié)果如下表5。

表5 脫離廢水與試驗(yàn)水水質(zhì)表

隨機(jī)選擇自制鏈條，材質(zhì)為20CrMnTi，加工試樣為50mm×25mm×10mm，表面去除油污并打磨至鏡面；采用箱式電阻爐保證試驗(yàn)溫度為60℃。

將處理好的試樣分別浸沒在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種試驗(yàn)液中，按24h、48h、96h、168h、240h、360h、480h進(jìn)行記錄，每天補(bǔ)除鹽水2次；達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，取樣清洗去銹干燥后稱重，電子天平計(jì)量精度0.1mg。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

三種試驗(yàn)液中試樣隨時(shí)間推移，外觀腐蝕均呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)。以試驗(yàn)液Ⅲ中試樣為例，試樣開始前和部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)實(shí)物樣貌如圖1所示。

圖1 試樣不同時(shí)間段樣貌（中和后試驗(yàn)液Ⅲ）

三種試驗(yàn)工況下，鏈條試樣腐蝕速率隨時(shí)間變化關(guān)系見圖2?？梢钥闯?，Cl-濃度對(duì)腐蝕起正向加劇作用，且初始腐蝕速率較大，分別為0.071mm/a、0.082mm/a、0.095mm/a；360h后，腐蝕速率基本穩(wěn)定在0.036mm/a、0.047mm/a、0.057mm/a?？膳袛啵g產(chǎn)物會(huì)阻擋腐蝕；試樣存在肉眼可見點(diǎn)腐蝕，局部有較大點(diǎn)腐蝕，規(guī)律不明顯，未見應(yīng)力腐蝕裂痕[7]。

圖2 鏈條不同工況腐蝕速率與時(shí)間關(guān)系

4.3 試驗(yàn)不足

本次試驗(yàn)測(cè)試了鏈條在靜止?fàn)顟B(tài)的腐蝕規(guī)律，且對(duì)材料表面進(jìn)行了清理。實(shí)際工程中，鏈條運(yùn)行時(shí)存在磨損，故腐蝕氧化皮無法阻擋腐蝕；鏈條表面可能存在的污染物及制造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力均會(huì)加劇腐蝕。因此腐蝕速率建議按初始最大值考慮。

5 脫硫廢水對(duì)干渣機(jī)影響

5.1 輸送帶結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

圖3是鋼帶干渣機(jī)輸送帶結(jié)構(gòu)圖，其主要結(jié)構(gòu)是下部網(wǎng)帶和上部承載板，輸送帶承載板中部為相互搭接的平面。

圖3 鋼帶干渣機(jī)輸送帶結(jié)構(gòu)圖

圖4是鱗斗干渣機(jī)輸送帶結(jié)構(gòu)圖，其主要結(jié)構(gòu)是左右兩側(cè)鏈條和中部鱗斗，輸送帶鱗斗中部為勺狀斗槽。

圖4 鱗斗干渣機(jī)輸送帶結(jié)構(gòu)圖

兩種干渣機(jī)輸送帶結(jié)構(gòu)對(duì)比見表6。

表6 兩種輸送帶結(jié)構(gòu)對(duì)比

5.2 脫硫廢水對(duì)干渣機(jī)影響

脫硫廢水噴頭設(shè)置在輸送帶中上部，因鋼帶干渣機(jī)承載板中間為平板，且節(jié)距較小，如有廢水無法蒸發(fā)。首先會(huì)腐蝕承載板，更嚴(yán)重的，廢水會(huì)通過承載板搭接縫隙進(jìn)入下層的網(wǎng)帶，網(wǎng)帶是動(dòng)力部件，應(yīng)力大。且奧氏體不銹鋼非常容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，任意一種腐蝕都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)帶斷裂，造成設(shè)備故障[8]。

鱗斗干渣機(jī)鱗斗的中部為勺狀斗槽，如有廢水首先會(huì)被收集到斗槽中，被斗槽中的灰渣吸附；嚴(yán)重時(shí)會(huì)腐蝕鱗斗，15CrMo通常是全面腐蝕，不會(huì)發(fā)生斷裂；即使長期運(yùn)行將斗槽腐蝕透，也不會(huì)影響一側(cè)的承載的鋼管。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，廢水從斗槽中溢出并從鱗斗搭接縫隙滲出，灑落到回程鱗斗背面。而鏈條在兩側(cè)，故不會(huì)遭到腐蝕，即不影響設(shè)備運(yùn)行。

綜上，從結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上綜合分析，鋼帶干渣機(jī)材料和結(jié)構(gòu)存在很大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，不應(yīng)處理脫硫廢水；而脫硫廢水不會(huì)對(duì)鱗斗干渣機(jī)安全運(yùn)行產(chǎn)生危害。

5.3 預(yù)防措施

鋼帶干渣機(jī)輸送帶用奧氏體不銹鋼耐Cl-腐蝕能力差，且加厚作用不大，不適合應(yīng)用；即使在表面噴涂防腐材料，受高溫爐底渣和輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)磨損也會(huì)損壞。所以，有效的方法是采用2205、2507等雙相不銹鋼或鈦合金等材料，且應(yīng)保證制造過程中避免碳鋼接觸并按工藝要求進(jìn)行焊接等。

鱗斗干渣機(jī)鏈條具有一定耐腐蝕能力，且受廢水接觸概率低，所以鱗斗用15CrMo應(yīng)保留一定腐蝕余量來滿足使用壽命要求。

6 結(jié)語

（1）匯總分析我國7個(gè)不同地區(qū)脫硫廢水成分，Cl-含量高，是主要腐蝕物。

（2）綜述國內(nèi)外Cl-對(duì)干渣機(jī)輸送帶用奧氏體不銹鋼和15CrMo的腐蝕和規(guī)律研究，以及各種元素對(duì)抵抗Cl-腐蝕的作用；奧氏體不銹鋼在Cl-中易發(fā)生點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，15CrMo會(huì)發(fā)生全面腐蝕和點(diǎn)腐蝕。在Cl-環(huán)境下15CrMo比奧氏體不銹鋼抗腐蝕破壞能力強(qiáng)。

（3）試驗(yàn)測(cè)試干渣機(jī)鏈條20CrMnTi材料在38070mg/L、42940mg/L和48150mg/L氯離子濃度溶液下最大腐蝕速率分別為0.071mm/a、0.082mm/a、0.095mm/a；超過360h后，腐蝕速率分別穩(wěn)定在0.036mm/a、0.047mm/a、0.057mm/a。

（4）對(duì)比分析兩種干渣機(jī)發(fā)現(xiàn)，上下結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼鋼帶干渣機(jī)不應(yīng)處理脫硫廢水，水平結(jié)構(gòu)的鱗斗干渣機(jī)可安全處理脫硫廢水。鋼帶干渣機(jī)處理脫硫廢水有效方法是采用雙相不銹鋼等耐Cl-腐蝕材料，鱗斗干渣機(jī)的鱗斗宜留有余量。