水泥廠窯尾袋除塵器酸結(jié)露現(xiàn)象的分析和研究

大氣網(wǎng)訊:摘要：分析了水泥廠窯尾袋式除塵器酸結(jié)露、酸腐蝕的原因，估算了水泥窯尾煙氣在不同SO2 濃度下的煙氣酸露點(diǎn)；并結(jié)合水泥行業(yè)實(shí)際情況，針對(duì)避免和減少袋除塵器酸結(jié)露和腐蝕問題，提出保證窯尾煙氣溫度高于酸露點(diǎn)減少冷凝現(xiàn)象、降低漏風(fēng)率、采用耐腐蝕材料（推薦考登鋼）和采用防腐涂層等一系列相關(guān)措施。

1 除塵設(shè)備酸腐蝕的現(xiàn)狀

隨著國(guó)家對(duì)礦山開采的限制以及優(yōu)質(zhì)石灰石存量的減少，很多水泥廠不得不使用低品位石灰石，其含硫量為0.2%~2.0%。由于目前水泥行業(yè)中大量余熱發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施，使得窯尾煙氣溫度越來(lái)越低（<110 ℃），窯尾除塵器、風(fēng)機(jī)、煙囪出現(xiàn)嚴(yán)重的酸腐蝕現(xiàn)象（如圖1所示）。水泥行業(yè)開始關(guān)注并嘗試解決SOx排放問題。

2 腐蝕的原因分析

2.1 硫的轉(zhuǎn)化

（1）燃料硫。水泥廠燃料大多采用破碎后的煤粉，煤粉中含有硫化物、硫酸鹽和有機(jī)硫。煤粉噴在分解爐或回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，分解爐中存在大量的活性CaO，同時(shí)溫度處在高溫脫硫反應(yīng)的溫度區(qū)間，因此產(chǎn)生的SO2 或SO3 氣體可以在分解爐被CaO吸收或在過(guò)渡帶和燒成帶與堿結(jié)合生成硫酸鹽?？梢哉f(shuō)正常情況下，燃料中的硫很少會(huì)影響窯尾煙氣硫的排放。

（2）原料硫。水泥廠原料中的硫化物大部分為黃鐵礦和白鐵礦（兩者均為FeS2），還含有少量單硫化物（如FeS），該類硫化物會(huì)在500~600 ℃發(fā)生氧化反應(yīng)生成SO2，位置位于C2或C3 旋風(fēng)筒處。原料中還含有部分硫酸鹽（CaSO4或CaSO4·2H2O），這兩種礦物質(zhì)在低于1 400 ℃下很穩(wěn)定。

2.2 SO3 的產(chǎn)生

SO3 的生成非常復(fù)雜，主要是原子氧的作用而生成SO3，而原子氧主要是在燃燒反應(yīng)中形成的。如：CO+O2→CO2+O H+O2→OH+O

這些原子氧很活潑，容易將SO2 轉(zhuǎn)化成SO3。另外，氧分子、二氧化碳及金屬氧化物在高溫輻射下，其中一部分也會(huì)分解出原子氧而使SO2 轉(zhuǎn)化成SO3。當(dāng)壓力一定時(shí)，SO2 轉(zhuǎn)化成SO3 的平衡曲線如圖2 所示。從圖2 可以看出低溫時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)化成SO3 有利，在850 ℃以上的高溫下，SO3 幾乎不產(chǎn)生。

圖3 為各種催化物質(zhì)的作用下SO2 轉(zhuǎn)化成SO3 與溫度的關(guān)系。從圖3 可以看出，催化物質(zhì)作用一般只發(fā)生在500~800 ℃之間，其中Fe2O3 和煙塵對(duì)轉(zhuǎn)化所起的影響最為顯著。對(duì)于化工行業(yè)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)化率一般為3.2%~8.7%，對(duì)于重有色冶金來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)化率一般為6%~10%，燃煤在燃燒過(guò)程中，絕大部分都是氣態(tài)SO2，僅有1%~5%的SO2會(huì)被氧化成SO3。

水泥生產(chǎn)工藝中，由于C2 或C3 旋風(fēng)筒存在著Fe2O3、Al2O3、SiO2 和煙塵等催化物質(zhì)，煙氣里的SO2有一部分會(huì)轉(zhuǎn)化成SO3。其中SO3 生成量的多少取決于SO2 的濃度、煙塵成分和流量、預(yù)熱器的溫度分布以及過(guò)?？諝饬康取Ｋ嗍炝仙a(chǎn)整個(gè)工藝是堿性環(huán)境，SO3 生成后部分會(huì)被生料粉吸收，最終有多少SO3 會(huì)進(jìn)入窯尾煙氣凈化系統(tǒng)中，并無(wú)具體數(shù)據(jù)，這需要根據(jù)具體工程或項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)定。建議設(shè)計(jì)選型時(shí)暫按重有色冶金的轉(zhuǎn)化率作為參考（6%~10%），計(jì)算SO3量和煙氣酸露點(diǎn)。

3 酸露點(diǎn)的計(jì)算

氣態(tài)SO3 對(duì)設(shè)備幾乎不發(fā)生腐蝕，但當(dāng)它與煙氣中水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽時(shí)，卻大大提高了煙氣的酸露點(diǎn)，并在結(jié)露部位發(fā)生氣液相轉(zhuǎn)變，凝結(jié)成硫酸液滴腐蝕設(shè)備。

影響煙氣酸露點(diǎn)溫度的因素很復(fù)雜，目前尚沒有煙氣酸露點(diǎn)的理論計(jì)算公式，一般皆由試驗(yàn)取得，或通過(guò)試驗(yàn)加上理論推導(dǎo)等方法確定。Müller[2]在1959 年使用熱力學(xué)關(guān)系式計(jì)算了含有很低濃度H2SO4 蒸氣的煙氣的酸露點(diǎn)，并為許多研究者的試驗(yàn)所證實(shí)。Müller曲線是現(xiàn)在評(píng)價(jià)各種酸露點(diǎn)測(cè)量方法的基礎(chǔ)。

荷蘭學(xué)者A.G.Okkes[3]根據(jù)Müller試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出，式（1）中原文分壓?jiǎn)挝痪鶠闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓。文獻(xiàn)比較了式（1）計(jì)算結(jié)果與該文中由碳、硫含量及過(guò)量空氣系數(shù)繪制的計(jì)算圖確定露點(diǎn)結(jié)果，兩者相差不到1.5 ℃，式（1）計(jì)算精度比較高，適用范圍廣。

考慮到生料磨運(yùn)行時(shí)，窯尾煙氣中SOx的濃度會(huì)大幅度下降，計(jì)算酸露點(diǎn)時(shí)，只需考慮生料磨停止運(yùn)行時(shí)的SOx的濃度。水泥廠的生產(chǎn)工藝和某些重有色冶金相似，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料SO2 轉(zhuǎn)化為SO3 的轉(zhuǎn)化率介于6%~10%之間。為了考慮窯尾相關(guān)設(shè)備的安全，在沒有SO3 濃度數(shù)值時(shí)，計(jì)算煙氣酸露點(diǎn)溫度時(shí)建議采用6％的轉(zhuǎn)化率。根據(jù)公式（1）計(jì)算出不同SO2濃度下酸露點(diǎn)值，具體數(shù)據(jù)見圖4。

4 防腐蝕的對(duì)策

影響水泥廠窯尾設(shè)備腐蝕的因素很多，但最直接的原因是煙氣中含有SO2 等酸性物質(zhì)和煙氣溫度接近酸露點(diǎn)，甚至低于酸露點(diǎn)，致使煙氣中水蒸氣發(fā)生冷凝，在金屬表面析出冷凝水，形成酸液腐蝕設(shè)備[4]。

控制酸腐蝕最有效的措施是改進(jìn)工藝系統(tǒng)和操作方法，減少或避免出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。但水泥廠實(shí)際生產(chǎn)中，煙氣全部用于余熱發(fā)電，再通過(guò)立磨烘干和粉磨物料后，窯尾除塵器進(jìn)口溫度大多低于酸露點(diǎn)溫度。減少酸腐蝕具體措施如下：

4.1 增加生料磨運(yùn)轉(zhuǎn)率，減少進(jìn)入除塵器的SO3

現(xiàn)在大多數(shù)情況下，NSP 窯的煙氣全部用于余熱發(fā)電后，再通過(guò)生料磨烘干和粉磨物料。由于煙氣和磨內(nèi)物料（大部分是石灰石細(xì)粉）均勻接觸，煙氣中絕大部分SO3 會(huì)被物料所吸收，煙氣的酸露點(diǎn)將會(huì)大幅度提高，所以提高生料磨運(yùn)轉(zhuǎn)率有利于提高窯尾煙氣酸露點(diǎn)溫度，也利于減少設(shè)備的酸腐蝕。

4.2 控制好除塵器進(jìn)口煙氣溫度，降低漏風(fēng)率

1）提高除塵器進(jìn)口溫度

由于水泥廠的原料無(wú)法變化，煙氣中含有的SOx濃度是穩(wěn)定的，酸露點(diǎn)溫度也是相對(duì)固定的，提高除塵器進(jìn)口溫度是減少酸腐蝕關(guān)鍵措施之一。

除塵器溫度過(guò)低還會(huì)造成煙氣中水分冷凝析出。特別是北方的水泥廠冬天溫度特別低，除塵器進(jìn)口溫度低于110 ℃，很難保證除塵器頂部不低于100℃，大量酸性氣體會(huì)和析出冷凝水分形成酸液，該酸液的腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于酸性氣體的腐蝕。

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)建議，冬天時(shí)除塵器溫度南方的水泥廠不低于120 ℃，北方的水泥廠不低于130 ℃。

2）降低漏風(fēng)率

漏風(fēng)是造成除塵器腐蝕的原因之一。除塵器密封性的好壞主要取決于殼體。要使殼體保持良好的密封性，必須保證其制造、安裝質(zhì)量。人孔門和檢查孔處最容易漏風(fēng)，建議采用雙層門，密封可以采用耐熱硅橡膠。

輸灰系統(tǒng)的漏風(fēng)是一個(gè)特別容易被忽視的位置，可以考慮多增加部分回轉(zhuǎn)卸料器或翻板閥來(lái)減少漏風(fēng)率。

3）加強(qiáng)除塵器頂部保溫

大多數(shù)水泥廠袋除塵器采用頂部檢修、換袋，這種結(jié)構(gòu)容易造成保溫不完整，門蓋漏風(fēng)、結(jié)露現(xiàn)象。改造設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用大門配小門的雙層門組合模式，減少頂部散熱和漏風(fēng)現(xiàn)象。

4.3 加強(qiáng)除塵器的保溫

由于窯尾除塵器進(jìn)口溫度不高，保溫變得愈發(fā)重要。但很多水泥廠由于對(duì)除塵器保溫重視不夠，材料質(zhì)量差、施工水平低，使用一段時(shí)間后，保溫材料大面積脫落，致使殼體內(nèi)、外壁的溫差較大而產(chǎn)生冷凝水，造成殼體和靠近殼體的內(nèi)部構(gòu)件被腐蝕。保溫層的材質(zhì)和厚度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁睾统龎m器進(jìn)出口氣體溫差以保證≯ 30 ℃為宜，并通過(guò)計(jì)算確定。

4.4 采用耐腐蝕材料

除塵器的部分位置和主要部件，如花板、龍骨等可采用不銹鋼材。但不銹鋼材只抗硫酸，不抗鹽酸。當(dāng)出現(xiàn)酸性氣體會(huì)和析出冷凝水分形成酸液時(shí)，不銹鋼材仍會(huì)有腐蝕，只是腐蝕的速度比普通鋼材緩慢。對(duì)于大型窯尾袋除塵器而言，采用不銹鋼材材質(zhì)，價(jià)格將十分昂貴，大多用戶難以接受。

水泥廠的SOx濃度大多數(shù)在300~1 200 mg/Nm3范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于很多行業(yè)的濃度。殼體、花板、袋籠可考慮采用考登鋼（ND鋼）代替昂貴的不銹鋼，雖然這種鋼材不如不銹鋼耐腐蝕，但是價(jià)格卻便宜得多。美國(guó)對(duì)考登鋼的研究表明，耐蝕率為一般低碳鋼的20 倍。我國(guó)相關(guān)資料也表明，考登鋼耐蝕性為Q235鋼的2.5 倍，若采用高性能考登鋼，耐蝕效果會(huì)更好。考登鋼的價(jià)格只比普通Q235鋼貴20%。

4.5 采用防腐蝕涂層

防腐蝕涂層有多種，殼體現(xiàn)在常用的是鋁粉有機(jī)硅高溫防腐漆，涂?jī)蓪覹E61-400（耐溫300 ℃），每層膜厚約60 μm。袋籠采有機(jī)硅噴涂。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)礦山的管控，水泥廠原料中硫含量波動(dòng)越來(lái)越大，窯尾袋除塵器的腐蝕現(xiàn)象越來(lái)越多，也越來(lái)越嚴(yán)重。若要控制和減少腐蝕，保證窯尾煙氣溫度都高于酸露點(diǎn)是最關(guān)鍵因素，同時(shí)減少除塵器頂部冷凝現(xiàn)象、降低漏風(fēng)率、采用耐腐蝕材料和防腐涂層也是減少腐蝕重要措施。本文的分析和研究結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

原標(biāo)題:水泥廠窯尾袋除塵器酸結(jié)露現(xiàn)象的分析和研究