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「应用」不锈钢在烟气脱硫装置中使用经验

阿斯米合金  2020-10-19 2:31:59  2913
内容摘要:二氧化硫对大气污染可形成有损于自然、环境和人身健康的酸雨,因为这个原因,在德国和欧洲的其它地方从20世纪80年代起就已硬性规定在燃烧电厂中使用烟气脱硫装置(FGD)。世界上90%以上的烟气脱硫使用的是...

二氧化硫对大气污染可形成有损于自然、环境和人身健康的酸雨,因为这个原因,在德国和欧洲的其它地方从20世纪80年代起就已硬性规定在燃烧电厂中使用烟气脱硫装置(FGD)。

世界上90%以上的烟气脱硫使用的是湿法石灰和石灰石工艺。目前,烟气脱硫装置中较为成熟的材料是碳钢加有机防腐涂层、玻璃钢、不锈钢和镍基合金。

由于不锈钢的选择必须依据腐蚀环境(如氯离子含量、酸度和温度等)和装置的结构设计而定,所以本文也讨论了不锈钢选材问题。这是一篇关于不锈钢在烟气脱硫装置中不同部位的成功使用案例,作者为在不锈钢耐腐蚀领域的专家,详实介绍了与FGD耐腐蚀金属的材料与应用,值得从业者阅读。

1、不锈钢

在烟气脱硫装置中选择不锈钢时要考虑以下几个方面的因素:腐蚀环境、工况条件(如温度)、脱硫装置工艺流程的设计、整体经济效益(包括初步投资、维修保养和停机产值损失等)。

由于从烟气入口处到出口处的腐蚀强度是逐渐减弱的,所以可以根据一个装置的具体工况条件设计一个兼顾总体经济效益的不锈钢选材方案。表1中列举了在烟气脱硫装置中可以应用的、经过试验的奥氏体和双相不锈钢。它们的合金化程度比常用的304型和316型奥氏体不锈钢要高出很多,所以也具有极好的耐蚀性能。表1中列举了一些镍基合金作为比较。


烟气脱硫


2、腐蚀环境

脱硫装置中吸收塔的腐蚀环境受诸如氯离子浓度、氟离子浓度、酸度、温度以及易引起沉积和缝隙的结构部位等多种因素的影响。而这些又是由燃料和脱硫工艺过程所决定的。这些因素之间相互作用的复杂关系决定了整个系统在不同阶段吸收二氧化硫时的腐蚀条件。这些阶段为干净气体的冷凝、原烟气的冷凝,介质为冷却液、吸收液、原烟气。

点蚀和缝隙腐蚀是在脱硫过程中最经常出现的腐蚀,而应力腐蚀破裂与电偶作用是第二位的。在腐蚀环境苛刻的地方,比如烟气入口处,均匀腐蚀也可能发生,所以通常使用的是镍基合金材料。

奥氏体和双相不锈钢的耐点蚀和耐缝隙腐蚀的能力可以通过加入合金元素铬、钼和氮来改善。同时氮还可以在不降低延展性的情况下,提高不锈钢的强度,以使工程技术人员在设计装置时尽量减少容器的壁厚,降低成本。

不锈钢的耐点蚀当量(PRE)是根据著名经验公式PRE = x %Cr+ 3.3%Mo+ 30%N计算得来的。它给出了PRE值与点蚀临界温度(CPT)和缝隙腐蚀临界温度(CCT)的关系。这些临界温度可以根据相应的实验标准,如ASTM­G48,实际测出,具体结果在表2中给出。这样的实验结果可以用来对比不同的不锈钢的耐蚀性能,而且对实际选材也有很大的指导意义。另外,在模拟烟气脱硫溶液的实验中,结果给出了在实验室环境中不同材料的耐蚀能力,这样的实验环境是最接近实际工况的(结果见表3)。根据两个多世纪来实验室和现场试验的经验与结果,总结出了一个在烟气脱硫装置中不锈钢和镍基合金的选材指南,详见图1。这个指南为工程师更经济、更准确地使用金属材料提供了依据。


烟气脱硫

①PRE =X%Cr + 3.3%Mo + 30%N ②表中CPT和CCT值均为典型值。

不同的产品和表面状态,如交货表面,可能会有与表中略不相同的值。

注:1.实验条件根据ASTM-G48标准对烟气脱硫合金的描述进行。2.表面处理为研磨粒度120,干磨。


烟气脱硫

①PRE =X%Cr + 3.3%Mo + 30%N ②表中的CPT值均为典型值。

不同的产品和表面状态,如交货表面,可能会有与表中略不相同的值。

注:1.实验溶液为11.4%H2SO4+1.2%HCl+1%FeCl3+1%CuCl2;

2.实验时间为24h;3.表面处理为研磨粒度120,干磨。


图1中的不同区域代表了在烟气脱硫装置正常工作情况下,不同酸性和氯离子及氟离子浓度条件下,不同金属材料在不同温度中的工作条件。不同钢种的选择是建立在实验室试验、现场试验以及长时间工业经验的基础之上的。值得注意的是,结构设计、材料加工和操作人员都会对材料的使用有影响。

烟气脱硫

图1烟气脱硫环境中不锈钢选材指南


烟气脱硫

图2烟气脱硫工厂的工艺流程


烟气脱硫


3、强度要求

机械强度是很重要的材料特性,它可以直接影响到设备壁厚的选择,从而间接地影响到整个脱硫装置的总投资。如表1所示,超级奥氏体不锈钢,如4565,其氮含量很高,因而其屈服强度和抗拉强度也很高。这样可以降低壁厚,相应地减少材料用量和焊接费用。在腐蚀条件不是太苛刻的条件里,4565已逐渐地被双相不锈钢,2205(UNS32205)所代替,因为双相不锈钢也具有很高的强度和相当程度的耐蚀性。


4、钢种的选择与服役周期成本

根据腐蚀程度的不同,可以将脱硫装置分为不同的区域,如图2所示。根据这些区域的具体工况条件,可以为整体脱硫装置提供具有经济效益的材料选择。表4给出了在吸收塔、喷管、喷雾器、风扇、干净气体输送管、烟囱等不同部位上选用合适不锈钢的建议。4565和2205代表了目前的最新概念,即全部用不锈钢制造吸收塔,其他钢种如超级奥氏体不锈钢254 SMO也可以在烟气脱硫装置中使用。

虽然与碳钢和其他金属结构相比,不锈钢的初步造价可能会高些,但考虑到吸收塔整个服役周期的全部费用,不锈钢还是一个经济实用的解决方案。

与其他非金属结构不同,不锈钢结构不需要维护与维修,也不会影响烟气脱硫装置在服役周期内的运行量。用不锈钢制作的烟气脱硫装置的寿命较长,其选材的原则是烟气脱硫装置的寿命至少与电厂的寿命相同。

即使全部使用不锈钢,其总服从长远来讲,不锈钢烟气脱硫役周期成本也比非金属防腐涂层要装置的最大优势是其可靠性。在选低。使用不锈钢复合板或不锈钢粘材和安装过程中使用适当的不锈钢贴技术(大多在维修时使用),也会有可以保证长久的服役周期。另外,不利于降低总服役周期成本。锈钢还可以抵抗运行过程中的突发事件。虽然在极端情况下不锈钢也会受损,但烟气脱硫装置却很可能继续运行,保证了电厂的正常工作。


5、焊接

几个世纪以来,在焊接高合金化奥氏体和双相不锈钢方面已经积累了许多经验,保证焊缝良好的一个重要因素是使用正确的、与母材相配合的填充金属,以保证焊缝的耐蚀性能和机械性能。为了克服冷凝过程中发生的偏析现象,保证焊材中高铬和(或)钼的含量是非常重要的,所以在为烟气脱硫装置焊接超级奥氏体不锈钢时常常使用镍基合金。焊接双相不锈钢时也经常采用过量合金化的焊材。在焊接较厚的超级奥氏体不锈钢部件时,较为经济的做法是采用双相不锈钢焊丝填底,最后两层用镍基合金焊材相结合的办法。值得注意的是,即使采用了过量合金化的焊材,但由于母材热影响区的偏析,焊缝处的耐蚀性还是会受到影响。受影响的程度与钢种有关。为了确定最终的、最佳的焊接方案,应与相应的材料供应商讨论。


6、结论

根据合金元素铬、钼和氮含量,不锈钢可以具有不同的耐蚀性能。如果这些性能可以胜任不同部位的耐蚀要求,不锈钢则可以为烟气脱硫装置提供非常经济的材料方案。在过去,不同种类的不锈钢均在烟气脱硫装置中应用过,并且效果良好。但长期实践经验表明,超级奥氏体不锈钢和双相不锈钢这样的组合可以提供一个更加简捷的解决方案。其优势在于低服役周期成本、低维修费用、易采购和设备寿命长等特点。

作者:Bernd Beckers,孙长庆,WinfriedHeimann,Malin Snis(奥托昆普不锈钢有限公司)

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