化工設備換熱器的腐蝕原因分析及預防

任大為

(天脊煤化工集團股份有限公司，山西 潞城 047507)

引 言

焦爐是煤化工生產(chǎn)企業(yè)的核心設備，主要以生產(chǎn)冶金焦為主要目的、可以回收煉焦化學產(chǎn)品的水平式焦爐，由爐體和附屬設備構(gòu)成。在煤化工處理的過程中焦爐產(chǎn)生的廢氣需要進行脫硫、脫硝處理后才能排放到空氣中[1]。排放的煙氣需要經(jīng)過換熱器進行熱交換處理，提升對廢氣熱能的利用效率，提高煤化工生產(chǎn)的經(jīng)濟性。但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)脫硫脫硝系統(tǒng)的換熱器管道和翅片經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的腐蝕現(xiàn)象，不僅極大的降低了熱交換效率而且給脫硝系統(tǒng)的正常運行帶來了較大的安全隱患。本文利用電鏡掃描、能譜分析、X射線衍射分析等方案對換熱器的腐蝕原因進行了分析了氧化反應，最終導致了管道和翅片的腐蝕，因此根據(jù)換熱器的腐蝕原因及實際應用可行性，提出采用不銹鋼材質(zhì)管道或者對煙氣進行脫水脫氧處理的方案，提升換熱器的抗腐蝕效果，根據(jù)實際應用表明采用防腐蝕措施后，系統(tǒng)的抗腐蝕性得到了顯著的提升，極大的提升了換熱器的應用經(jīng)濟性和換熱效率。

1 煉焦系統(tǒng)的脫硫工藝及換熱器腐蝕情況

在煉焦系統(tǒng)中，產(chǎn)生的煙氣通過煙道匯集后與煙氣升溫系統(tǒng)燃燒產(chǎn)生的廢氣進一步混合，混合后的氣體溫度可達255 ℃左右，確保煉焦系統(tǒng)催化反應的順利進行，廢氣中的O2、NO等氣體與催化劑作用，生產(chǎn)N2、水等副產(chǎn)物，從而實現(xiàn)脫硝的目的。待系統(tǒng)脫硝完成后脫硝后的低溫煙氣和高溫煙氣在換熱器內(nèi)進行熱交換，將廢氣的溫度降低到100 ℃作用，然后再進入到脫硫系統(tǒng)進行脫硫處理，最終完成化工處理后的煙氣的排放，煉焦系統(tǒng)的脫硫、脫硝處理工藝流程，如圖1所示[2]。

圖1 脫硫脫硝工藝流程圖

該煉焦系統(tǒng)內(nèi)的換熱器為翅片式換熱器，熱交換面積大、換熱效率高，為了降低成本，換熱器材質(zhì)為ND鋼，在設備運行半年后的檢修中發(fā)現(xiàn)換熱器的表面、管道等位置出現(xiàn)了嚴重的腐蝕，而且系統(tǒng)內(nèi)的換熱器的換熱效率比最初降低了45.6%，嚴重影響了整個煉焦系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。因此迫切需要對換熱器設備發(fā)生腐蝕的原因進行分析，提升設備的抗腐蝕能力和運行穩(wěn)定性。

2 腐蝕區(qū)域的電鏡掃描及能譜分析

掃描電子顯微鏡的是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子，不同化學成分的二次電子相對強度差異性較大，因此通過對掃描處的二次電子相對強度進行能譜分析[3]即可確定掃描區(qū)域的化學物質(zhì)，利用電鏡對翅片和管道腐蝕處的物質(zhì)進行掃描，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同腐蝕區(qū)域的電鏡掃描結(jié)果示意圖

由圖2a)可知在翅片腐蝕區(qū)域，腐蝕產(chǎn)物中的氧元素的含量最高，達到了40%以上，且從圖譜1到圖譜8，氧元素的質(zhì)量分數(shù)從48%降低了到40.5%，圖譜中鐵元素的質(zhì)量分數(shù)占比達到了50%以上，其他的硫元素、錳元素等的質(zhì)量分數(shù)總占比約為1.5%～2%，說明在翅片上主要發(fā)生了氧化腐蝕。在管道腐蝕區(qū)域，腐蝕物中的氧元素的含量和鐵元素的含量占比同樣達到了總占比的97%左右，而且在腐蝕物中的硫元素的占比達到了1%以上，說明在管道內(nèi)除了氧化腐蝕之外還發(fā)生了一定的硫化腐蝕。

3 X射線衍射分析

X射線衍射相分析[4]是利用X射線在晶體物質(zhì)中的衍射效應進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)，具有掃描速度快、分析結(jié)果準確性高的優(yōu)點。

由圖3 a)和圖3 b)可知，在翅片和管道處腐蝕區(qū)域，含量最大的兩種物質(zhì)為FeO(OH)及Fe2O3，其中在翅片上腐蝕區(qū)域FeO(OH)的含量占到了95.4%，F(xiàn)e2O3含量占到了4.6%，在管道內(nèi)腐蝕區(qū)域FeO(OH)的含量占到了36.6%，F(xiàn)e2O3含量占到了63.4%，因此表明該區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物中氧化腐蝕占據(jù)了主要因素。

圖3 不同腐蝕區(qū)域的衍射分析結(jié)果示意圖

通過電鏡掃描、能譜分析、X射線衍射分析，最終確定在煉焦系統(tǒng)換熱器內(nèi)的腐蝕主要包括了氧化腐蝕和硫化腐蝕兩個方面，其中氧化腐蝕占據(jù)主導地位，對通過換熱器的廢氣的含量進行頻譜分析，確定在反應過程中廢氣內(nèi)的氧氣含量占比達到了8%～9%，水蒸氣的含量達到了16%～19%，由于煙氣的溫度較高，因此在高溫作用下和管道材質(zhì)發(fā)生了氧化腐蝕反應，同理，廢氣內(nèi)的硫元素在氧氣作用下和管道材質(zhì)發(fā)生了硫化反應，最終導致管道系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴重的腐蝕。

4 煤化工設備腐蝕預防

由于煤化工換熱器設備的工作環(huán)境惡劣，在高溫下容易發(fā)生反應，因此可采用不銹鋼材質(zhì)來替代現(xiàn)有的普通鋼材，提升腐蝕性，同時在換熱器入口處設置脫氧脫水裝置，降低進入到換熱器內(nèi)的氧氣和水的含量，降低對換熱器腐蝕的影響。采用上述方案后對換熱器的運行情況進行監(jiān)測，半年后換熱器的運行效率比最初僅降低2.7%，拆開檢查內(nèi)部無明顯的銹蝕現(xiàn)象，換熱效率的降低主要是由于換熱器上灰塵覆蓋較多導致的，因此表明了采用不銹鋼和增加脫氧脫水裝置對防止換熱器腐蝕的有效性。

5 結(jié)論

針對脫硫系統(tǒng)換熱器易腐蝕，影響換熱穩(wěn)定性和設備運行安全性的現(xiàn)狀，本文利用電鏡掃描、能譜分析、X射線衍射分析等方案對換熱器的腐蝕原因進行了分析，并針對性的提出了相應的預防措施，根據(jù)實驗驗證表明：

1) 由電鏡掃描和能譜分析可知，翅片和管道腐蝕區(qū)域，氧元素的含量和鐵元素的含量占比同樣達到了總占比的97%左右，硫元素的占比達到了1%以上，說明腐蝕區(qū)域的主要發(fā)生了氧化腐蝕和硫化腐蝕。

2) 由x射線衍射分析可知，在翅片和管道處腐蝕區(qū)域，含量最大的兩種物質(zhì)為FeO(OH)及Fe2O3，因此表明該區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物中氧化腐蝕占據(jù)了主要因素。

3) 采用不銹鋼材質(zhì)來替代現(xiàn)有的普通鋼材，提升腐蝕性，同時在換熱器入口處設置脫氧脫水裝置，降低進入到換熱器內(nèi)的氧氣和水的含量，能夠有效的降低換熱器的腐蝕。