湿法烟气脱硫系统的材料选择1.pdf

第二届中国国际脱硫脱硝技术与设备展览会暨技术研讨会T h e2 n dC h i n aI n t e r n a t i o n a ld e S O xd e N O xE x h i b i t i o n C o n f e r e n c e在烟气脱硫系统中 某些工艺部位会形成腐蚀性很强的环境 造成腐蚀问题 因而 必须选用合适的抗腐蚀不锈钢 S S 以确保设备的正常运行 洗涤塔 洗涤塔为气相与中和浆液液相混合区 在这个区域 中和浆液被喷雾到热烟气 但两相的混合不一定在任何位置都是完全的 进而吸收塔的某些特定区域会形成浓缩或过饱和酸气 而由于水路的关闭可能造成氯含量的增加 浆液反应池 浆液本身并不是很有腐蚀性 因为通常它的p H 值控制在4 5 5 5 之间 但由于水路的关闭和凶某些燃煤种类的成分因素 氯化物含量可能很高 而且还会有F 离子的存在 此外 石灰或石灰石与H s 0 3 H 2 S 0 4 之间的化学反应产生的固体硫酸盐会造成反应池某些部位的活化 特别是搅拌器 湿法静电除尘器 与湿法静电除尘器 w E s P 相接处的溶液的腐蚀性主要取决于进入烟气的成分和洗涤工艺参数 这里只考虑连续洗涤工艺 在通常情况下 在放电和吸收电极之间施加电位差 不锈钢表面经历特定的电化学条件 因而在选择材料时一定要考虑这些特定的工艺条件 3 材料与腐蚀性能3 1 为什么金属材料的选用能够成功在湿法烟气脱硫系统中转用金属材料的驱动力可以归结为以下几点 墨题攫膣塑亘盟途崖董塞曲直星的维塑叠坦历史上一个典型的例子就是坐落在美国C o l s t r i p 的M o n t a n a 电厂的1 和2 烟气脱硫系统 此项目最初设计时是有2 个碳钢加衬里的洗涤塔 运作几个月后出现严重泄露 以至于不得不采用排泄沟以防止溢泻物漫散 这样的经历 远不是唯一的例子 所涉及到的修复和救难费用极其昂贵 教训迫使公益事业部门和工程设汁公司推荐并指定采用耐腐蚀金属材料系统 正是如此 C o l s t r i p 的3 和4 烟气脱硫系统采用了U N S3 1 7 2 6 4 5 M 0 制作的塔体 成功地运作至今 很少需要维护 一矗蛙能丕堡塑塑盟i 墨盒垒垄坦氢题煎丕蕴生鲍盛功廛用表1 给出了用于烟气脱硫系统的候选材料的化学成分和相关标准 表1 用于烟气脱硫系统的候选金属材料的化学成分 I n d u s t e e l 牌号A S T M欧洲标准C rN iM oN其他C L C1 7 1 3 5S 3 1 7 2 6l 4 4 3 91 81 44 5O 1 6L NU R 4 5 N 3 2 2 0 51 4 4 6 22 2 563 2O 1 8U R5 2 N 3 2 5 2 01 4 5 0 72 573 50 2 5C uU R B 2 6N 0 8 9 2 61 4 5 2 92 02 56 20 2 0C uU R B 6 6S 3 1 2 6 61 4 6 5 92 42 25 80 4 0W 2 C nN 1 0 2 7 62 4 8 1 91 5 5基本元素1 6W 3N 0 6 0 2 22 4 6 0 22 1 5基本元素1 3 5W 3 冬 圣 二 磊T h 第e2 二n d 届C h 中i n 国aI 国n t 际e r n 脱a t 硫i o n 脱a l 硝d e 技S O 术xd 与e N 设O 备xE 展x h 览i b 会i t i o 暨n 技 术C o 研n f 讨e r e 会n c e镍基合金起初是用来修复受损部件的 现已成为某些部件的基准材料 特别对于入口管道和节气闸 此处由于高温露点 1 2 0 C 和未处理烟气的S 0 2 S 0 3 富积可能形成热酸性凝结物 p H 值接近零 如此恶劣的腐蚀环境 即便高镍基合金也可能遭受每年零点几毫米的腐蚀 在这里 我们针对烟气脱硫系统中两个不同的主要设备洗涤塔 S c r u b b e r 和静电除尘器 W E S P 通过介绍模拟其腐蚀条件得到的实验结果来进行讨论 3 2 烟气脱硫洗涤设备的应用材料在过去的十年里人们研发了样本溶液腐蚀试验测试 2 和在实际设备上延伸测试的方法 3 使得工程设计公司和材料生产商能够依据工艺条件 考虑到工艺过程的变化 结垢的可能性 凝结物形成等 来优化材料的选择 I N D U S T E E L 钢铁公司进行了大量的腐蚀研究 包括均匀腐蚀和局部腐蚀 根据研究结果我们提出了以工艺过程的主要化学参数为变量的材料选择图表 使之适用于烟气脱硫装置的主要设备部件 表2 是根据I N D U S T E E L 2 4 和N I 国际镍组织 3 的研究结果绘制的 用来进行吸收装置 包括循环回路 和洗涤塔本身各部分的材料选择 对于吸收装置而言 口H 值监控到一定数值 而洗涤塔是处于具有中和作用的浆液完全冲洗的状态 在这里 图表中的p H 值为实际监控的p H 值 尽管如此 我们也考虑到了局部情况 可能形成结垢并聚集 正像在喷淋管外部可能出现的情况 取决于局部的环境和条件 结垢可以是有害的 会引发缝隙腐蚀 也可以是有益的 可以保护管路 N I 曾组织过由多方参与的长周期现场试验 采用配有多个裂缝 细缝和宽缝 的喷淋试样 结果表明结垢往往可以起保护作用 3 第二个重要的参数是浆液中的氯离子含量 很明显 腐蚀的速度取决于p H 值和C r 的比率 温度是另一个应当考虑的参数 这样 当D H 值监控在接近5 5 的情况下 可以根据氯离子含量进行材料的优化选择 例如 如果C 1 含量为2 5 0 0 0p p m 图表显示可以选择超双相不锈钢 3 2 5 2 0 其价格比6 M o 超奥氏铁不锈钢和镍基合金材料要便宦得多 表2 吸收器循环浆液在工作温度为5 5 0 C 时的材料选择图 氯含量 重量 p H1234567S 3 1 7 2 6 j 一 i 一 i 6 5C L C l 7 1 3 5 L N 3 2 2 0 5 3 2 5 2 0j6U R4 5 N U R5 2 N 5 5r 一 一 镯鹚2 8 一i5玎狂B 2 每 i4 5n 一 1 t 一 S 3 1 2 6 64 jU RB 6 67对于洗涤塔某些特殊部分 因设计结构复杂 浆液的中和作用可能会失效 因而酸性沉积可能形成并浓缩 考虑到水可以在塔内壁上凝结 而s 0 2 s 0 3 溶解在水中 简单的计算就可以得出p H 值可能低到1 甚至更低 这取决于未处理烟气的组元成分 由于塔壁的热效应 凝结物可以浓缩 实际的p H 值可能比计算值低 正因为如此 即使一个材料对于计算的p H 值而言是抗腐蚀的 但考虑到安全系数问题 材料标明的安全p H 值高于计算值 姜 煞T e 第2 二n d 届C h 中i n 国aI 国n t e 际r n 脱a t 硫i o n 脱a l 硝d e 技S O 术xd 与e N 设O 备xE 展x h 览i b 会i t i o 暨n 技 术C o 研n f 讨e r e 会n c e例如U R 5 2 N 超级双相不锈钢 它实际上可以抵御p H 值为1 甚至为0 的6 0 C 硫酸溶液 而建议应用的p H 值为2 或更高 表3 表3 工作温度为砷 C 的洗涤塔系统的材料选择图 综合考虑p H 值 氯离子和氟离子含量 3 n jln 531 0F p p m o4 0 0i o o oo4 0 01 1 3 0 0o4 0 0I O O Oo4 0 0i 0 0 0矗5 6 L 3 1 e l 讯2 1 N s s 7 2 6 U R 5 2 N S 3 2 5 2 0U R B 6 6 3 1 2 6 6U R B 黼U R B 6 6 S 3 1 2 6 640 r U R B 衢 N 0 8 9 2 6岛1 2 6 6a r N I f J 0 7 6p H2U R 5 2 N q 3 2 5 2 0 0 r U R B 2 6 H 0 8 9 2 6U R B 6 6 t 3 1 2 6 61N 1 0 2 7 6结沧 研究结果表明 在不苛刻的腐蚀条件下 双相不锈钢U N S3 2 2 0 5 的抗点蚀强度比U N S3 1 7 2 6 要好 对于相同的腐蚀条件 超双相不锈钢U N S3 2 5 2 0 与6 M o 超奥氏体不锈钢N 0 8 9 2 6 和U N S3 1 2 6 6 相同 在8 0 1 7 6 下 并取决于氯化物含量 6 M o 钢可能更适合 3 3 湿法静电除尘设备 W E S P 韵应用材料为了模拟简体壁腐蚀情况 采用o 5 茎p Hs5 0 0 5 5 0 0p p m 茎氯含量sO 1 1 0 0 0p p m 的硫酸溶液进行电化学研究 5 对双相不锈钢U N S3 2 2 0 5 和奥氏体不锈钢U N S3 1 6 0 3 在不同条件下的抗腐蚀性能进行研究和比较 根据实验结果我们可以得出以下结论 表4 表4 奥氏体不锈钢U N S3 1 6 0 3 和双相不锈钢U N S3 2 2 0 5 在W E S P 条件下的比较 温度为6 0 C 1 4 0 T 氯含量为o 0 5 的硫酸溶液 电位势p H 22 t 05 m V S C E U N S3 1 6 0 3fU N S3 2 2 0 5U N S3 1 6 0 3U N S3 2 2 0 55 0 0无腐蚀无腐蚀点蚀无腐蚀 1 0 0均匀溶解 i j 鬻无腐蚀无腐蚀 当p H 值小于2 时 这两种钢材的腐蚀行为大体相同 在p H 值小于等于O 5 时 随着进入低电位势区域 1 0 0m V S C E 可能会产生均匀腐蚀 但在活化区测定的最大电流强度表明双相不锈钢的均匀腐蚀速率要比U N S3 1 6 0 3 小得多 此外 由于双相不锈钢具有自行再修复钝化的能力 即使在p H o 5 温度 6 0 C f l 4 0 T 氯含量 0 5 的情况下 图2 U N S3 2 2 0 5的钝化层也能够在活化台阶后再次形成 这表明双相不锈钢具有很高的安全系数 姜 写 熹T h 第e2 二r i d 届C h 中i n 国aI 国n t 际e r n 脱a t 硫i o n 脱a l 硝d e 技S O 术xd 与e N 设O 备xE 展x h 监i b 会i t i 壁o n 技 术C o 研n f 讨e r e 会n c e图2U r N S 3 2 2 0 5 特性电位势对时间的关系图 温度为6 0 C 1 4 0 下 氯含量为0 0 5 的硫酸溶液 活化试验 当p H 值大于2 时 如果金属表面的特性电位势高于 5 0 0 m V S C E U N S3 1 6 0 3 可能对点蚀变得敏感 而在同样的条件下 双相不锈钢U N S3 2 2 0 5 却是完全抗腐蚀的 这正是在材料选择上关键的一点 因为绝大部分烟气脱硫设施的吸收池为氧化体系 以便使浆液中的s 0 2 2 更容易转化为s o 从而促进膏泥的沉积 由于有过剩助燃空气的存在 使得湿法静电除尘器的液体壁膜具有良好的透气性 这使得腐蚀电位势会更高 双相不锈钢的良好的抗腐蚀能力 加上较高的机械性能 以及适中的价格 使得U N S 3 2 2 0 5 成为用于连续洗涤系统湿法静电除尘设备舶很有成本优势的材料 4 寿命周期成本我们将起初用来计算圆柱形储罐的投资和寿命周期成本的计算软件 6 经改编后用于3种不周的脱硫塔系统 如表6 所示 在计算中 我们一方面考虑了一定数量的性能较好的金属材料 表3 另一方面也考虑了烟气脱硫系统采用橡胶或有机衬里的期望使用寿命 7 4 1 成本评估是如何做的厶王虞奎i数据取至于国际劳工组织发表的报告 对于机械和金属建造行业的技能工人而言 西欧或美国 平均值相近 与中国的人工成本比例大约为3 到4 挝牲虐奎 金属板材 焊材 有机材料和橡胶的材料成本在西欧和中囤基本相同 因为这些材料在世界各地的销售价格相当 4 2 吸收 反应器的成本评估在这里阐述的例子是湿法烟气脱硫 F G D 系统的非常核心的设备 吸收 反应器 被污染的烟气在此容器内被碱性浆液中和而达到净气的目的 同样也可以计算烟气脱硫系统的其他部分 包括烟气引入管道 分流管道和烟囱 在这些部位 金属结构的采用也越来越普遍了 对于中国而言 投资和寿命周期成本的计算针对2 种不同结构的吸收 反应器 事实上 建造结构可以有多种 取决于工程设计的考虑和设备制造商 图3 给出了最常用的结构示意 第二届中国国际脱硫脱硝技术与设备展览会暨技术研讨会T h e2 r i dC h i n aI n t e r n a t i o n a ld e S O xd e N O xE x h i b i t l o n C o n f e r e n c e图和相对应的投资与成本 对于西方国家而言 成本评估是针对3 种不同的结构进行的 表5 1 投童虞查t在中国 碳钢加橡胶衬里是最便宜的材料 采用碳钢加氟弹性体与3 1 7 L M N 和U l 毡2 不锈钢的成本相当 不论采用什么材料 圆柱形厚板设计结构 有或没有强化结构 是最有竞争力的 对于不锈钢而言 不论什么形状的反应器 6 M o 钢是最昂贵的 但其高耐腐蚀强度也是极其重要的 一个重要的发现就是超双相不锈钢3 2 5 2 0 其抗腐蚀性能比3 1 7 L M N 好得多 而成本却相同甚至更便宜 取决于不同的设计 在西方国家 碳钢加橡胶衬里同3 1 7 L M N 或U R 5 2 N 造价相当 而碳钢加氟弹性体比6 M o 钢热轧复合板要昂贵 同样 超双相不锈钢也是很好的候选材料 因其成本同3 1 7 L M N 相当 壹金围理盛奎 L t按3 0 年寿命期限的计算数据表明 碳钢加橡胶衬里和氟弹性体比不锈钢要昂贵得多 在西方国家 碳钢加橡胶衬里要比U R 5 2 N 高6 5 而碳钢加氟弹性体比U R 5 2 N 高2 7 0 在中国 碳钢加橡胶衬里和氟弹性体大约分别高于U R 5 2 N 超双相不锈钢4 5 和2 6 0 表5 按3 0 年寿命期限 在西方国家和在中国的寿命周期成本 L C C 比较 成本单位t1 0 0 0U S D 设计结构la b c 参考图3 中国西方国家i 方柱形 投资 b L c C b 投资 b L C C b 薄板加强化筋扳 碳钢加橡胶衬里5 7 31 2 0 01 3 2 02 7 4 03 1 7 L M N7 3 08 4 01 2 9 01 6 2 0U R5 2 N 7 3 58 4 51 2 9 51 6 2 56 M o 超奥氏体不锈钢9 0 11 0 1 11 4 8 51 8 1 0碳钢加氟弹性体8 2 02 0 1 01 7 9 04 3 0 0投资L c c投资L C C圆撞型 c c e 幻 引 j 厚板结构碳钢加橡胶衬里4 1 39 3 59 1 51 1 6 02 0 2 02 3 7 03 1 7 L 州6 4 76 5 39 4 51 2 5 09 6 01 3 6 0U R5 2 N 6 0 36 0 98 8 51 3 1 59 0 51 4 2 06 M o 超奥氏体不锈钢8 8 69 7 01 3 6 01 5 5 01 6 2 01 6 6 0碳钢加氟弹性体6 6 01 7 4 51 3 8 51 6 3 03 5 6 53 9 1 5另外很有趣的是 不论什么类型的结构 U R 5 2 N 和3 1 7 L M N 的寿命周期成本基本相同 最后 采用强耐腐蚀材料厚板结构 例如U R 5 2 N 实心板和6 M o 复合板也是相当有竞争力的 很明显 寿命周期成本的比较结果可以依据期望的使用寿命期限而变化 图4 然而 如果使用寿命在1 0 年以上 材料的排列次序保持不变 1 0 年使用寿命是比较保守的 一般最少在2 0 年 2 S 2 Q 竺h t t p m d s d n e c o R l第二届中国国际脱硫脱硝技术与设备展览会暨技术研讨会T h e2 n dC h i n aI n t e r n a t i o n a ld e S O xd e N O xE x h i b i t i o n C o n f e r e n c e图3 在中国不同类型吸收一反应器的成本比较T a b t e 8 一C o s t 白堆删 舻觑疏 咖i m 衄f l e d i n 白而 删O n i n 姜 兰兰n e 第2 二n d 届C h 中i n 国aI 国n t e 际r q 脱a t i 硫o n 脱a l 硝d e 技S O 术xd 与e N 设O 备xE 展x h 览i b 会i t i o 暨n 技 术C o 研n f 讨e r e 会n c e嚣3825苗 图4 对应不同的使用寿命 碳钢加衬里和超双相不锈钢在中国的成本比较 b 型脱硫塔 方柱型外加强化结构 5 结论材料的选择t对于湿法烟气脱硫浆液循环系统以及得到正常洗涤的脱硫塔部分 双相不锈钢U N S 3 2 2 0 5 要比奥氏体不锈钢U N S 3 1 7 2 6 的抗腐蚀性能好 在同样条件下 超双相不锈钢U N S 3 2 5 2 0 的抗腐蚀性能同6 M o 钢U N S N 0 8 9 2 6 和U N S 3 1 2 6 6 相当 对于处在更苛刻条件下的洗涤塔部分 中和反应不完全 p H 值可能很低 可能需要采用6 M o 钢 U N SN 0 8 9 2 6 和U N SS 3 1 2 6 6 甚至采用N i 基合金 在连续洗涤湿法静电除尘器 W E S P 中 双相不锈钢U N S 3 2 2 0 5 要比奥氏体不锈钢U N S 3 1 6 0 3 更安全 更具有成本优势 寿命周期成本t为了优化烟气脱硫塔系统的投资和寿命周期成本 主要应该考虑以下几个因素 一当地的经济状况 工程设计理念 薄板加强化结构还是厚板结构 设备的维护综台考虑这些因素 采用碳钢加衬里和采用不锈钢的投资成本在西方国家基本相同 因而有机材料的应用局限于对旧设备的修复 在中国 碳钢加衬里的投资成本低 而采用碳钢加氟弹性体和采用不锈钢的造价相当 在不锈钢种类中 U R 5 2 N 具有很好的成本一耐腐蚀 姜 写 二萼 T h e 第2 二n d 届C h 中i n 国a 国u f 际r n 脱a t 硫i o n 脱a l 硝d e 技S O 术xd 与e N 设O 备xE 展x h 览l b 会i r o 蟹n 技 术C o 研n f 讨e r e 会n c e性能比 这在任何经济条件下都是成立的 但在中国成本节约晟明显的方法应该是采用厚板设计结构 只要考虑寿命周期成本 L C C 不锈钢就会比碳钢加任何涂层或村里都要经济得多 即使是对于较短的使用寿命周期 一旦需要重新衬里或涂层 寿命最多l O 年 此结论就成立 这在西方国家和在中国都是如此 薄板加强化筋板设计结构和厚板设计结构在西方国家成本相当 在中国厚板设计结构更经济 这同样也是很重要的一点 因为厚板结构刚性好 因而振动和噪音低 我们的研究结果以及在美国和欧洲经济条件下 材料 人工等因素 寿命周期成本概念的应用 使人们达成了普遍一致的看法 就是指定在烟气脱硫塔系统中采用耐腐蚀金属材料 最近几年 在韩国和台湾也已选用了同样的材料 对于中国大陆的污染控制产业而言这也将是一个总体趋势 参考文献 1 R C S t a e h l e R J T r i s c o r i R C o t h r o n K S K u m a r P J I r e l a n da n dG R o s s W h ep l a c eo fw e te l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r si nt o m o r r o w sp o w e rp l a n t s C o m b i n e dP o w e rP l a n tA i rP o l l u t a n tC o n t r o lM e g aS y m p o s i u m A u g u s t3 0 一S e p t e m b e r2 2 0 0 4 W a s h i n g t o n D C U S A p a p e r 0 2 8 2 J p A u d o u a r d M V e r n e a ua n dJ G r o c k i C o r r o s i o np e r f o r m a n c ea n df i e l de x p e r i e n c ew i t hs u p e r d u p l e xa n ds u p e r a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l si nF G Ds y s t e m s N A C EC o r r o s i o nc o n f e r e n c e M a r c h2 6 3 1 2 0 0 0 O f l a n d o F l o r i d a U S A p a p e rn 8 2 8 3 C CT e c h n o l o g i e s F i n a lR e p o r tR2 1 2 0 1 I n v e s t i g a t i o no fC o r r o s i o nR e s i s t a n c eo fD u p l e xa n d4 6 M o c o n t a i n i n gS t a i n l e s sS t e e l si nF G D S c r u b b e rA b s o r b e rS l u r r yE n v i r o n m e n t s D e c e m b e r2 0 1 9 9 5 M u l t i p a r t n e rr e s e a r c hp r o g r a mu n d e rc a r eo fN I D lC a n a d a 4 J P e u l t i e r B B o z m e f o i s a n dJ P A u d o u a r d D u p l e xa n dS u p e r d u p l e xS t a i n l e s sS t e e l sf o rP o l l u t i o nC o n t r o lS y s t e m s A I R P O L2 0 0 4 N A C EA i rP o l l u t i o nC o n t r o lS e m i n a r W a s h i n g t o n D C U S A A u g u s t2 9 2 0 0 4 5 L P e u l t i e r EB a r r a u I EA u d o u a r d C o r r o s i o nR e s i s t a n c eo fD u p