采用热喷涂技术防腐提高燃沼气锅炉寿命的探讨
王跃凤,周颖
工 业 锅 炉
摘 要:燃沼气锅炉因沼气中含有H2S物质,由此产生氢鼓疱、氢脆及酸性腐蚀,对锅炉寿命有极大的影响。文章论述了有关机理和采用热喷涂技术防腐的必要性,并介绍了热喷涂技术防腐的实际使用效果。
关键词:燃沼气锅炉;热喷涂技术;防腐;寿命
1 问题的提出
南山矿业有限责任公司是一座以生产精矿粉为主业的大型现代化矿山,位于市郊,其东部是一垃圾处理厂,每年生产大量的沼气,其成分为:CH4,80%;H2S,50mg/m3;H2O,9%;H2,10%。而其边缘是公司的铵油炸药的生产基地,基地内拥有一台WNS型2t/h燃柴油锅炉,在柴油不断涨价的现实情况下,生产炸药的成本远大于产出的效益,公司领导慎重决策,与有关单位联系,把单一燃油炉改造成燃油、燃沼气两用炉,光燃料这一项,经测算每年可为公司节约60万元。但由于沼气中含有H2S,故而如何防止H2S腐蚀,提高燃油燃沼气锅炉寿命成为目前的探讨课题。
如何提高燃油燃沼气锅炉在正常运行下的使用寿命呢?据分析,H2S造成的腐蚀是影响其寿命的主要因素。
腐蚀的实质是金属材料与环境间的一种物理—化学反应,其结果造成金属的性能发生变化,并导致金属、环境和其他组成部分的技术体系的功能受到损伤。腐蚀不仅使金属材质的性能劣化与破坏,而且还可能破坏环境。腐蚀遍布各生产领域,给国民经济带来巨大损失。
2 燃沼气锅炉的腐蚀机理
燃沼气锅炉的腐蚀主要是由H2S物质造成的。其腐蚀有两种:一种是氢鼓疱、氢脆;另一种是酸性腐蚀。
2·1 氢鼓疱、氢脆形成的原因
沼气是垃圾经过发酵后产生的以甲烷(CH4)为主的一种清洁型燃料,其中含有H2S和H2O。现我公司使用的燃料含H2S为50mg/m3,H2O为9%,其含量大于国家有关部门制定的含H2S为20mg/m3的标准。常温下,硫化氢与钢作用生成原子氢,该物质被钢吸收进入钢材内部后会造成腐蚀。具体分析为:盛装沼气的管路和设备与含有H2S的水溶液接触时,管道与设备表面的自由电子与硫化氢水溶液中的氢离子(H+)作用而形成吸附在其金属表面的氢原子。同时硫化氢水溶液是弱酸,与钢还发生其他反应,这样就为氢鼓疱、氢脆提供更有利的形成条件,进而更易引起氢腐蚀。
2·1·1 氢鼓疱
硫化氢与金属作用产生氢原子,氢原子扩散到金属内部裂纹或钢板夹层空隙中,在此聚集两个氢原子结合成氢分子即氢气,氢分子的体积远远大于氢原子的体积,而金属内部裂纹或钢板夹层空隙是一定的,故而压力急剧增大,当压力越来越大时,压强超过金属的屈服强度,金属产生塑性变形,就会出现氢鼓疱,如金属塑性差,就会破裂(如图1)。
部裂纹或钢板夹层空隙中扩散,而且还渗透溶于铁素体中形成固溶体,使金属晶体的晶格发生变形,而导致金属的韧性和塑性降低,材料变脆;另外,氢原子向钢材内部渗透扩散时,由于钢材的吸附作用,会在内表面形成脆化层,这个脆化层随着时间和氢原子渗透的加强而增大,严重时引起脆裂,从而使金属表面产生脱落,或者产生漏点,引起沼气泄漏,带来不安全因素。
2·2 酸性腐蚀
酸性腐蚀主要是氢硫酸、亚硫酸及少量的硫酸腐蚀。
2·2·1 氢硫酸腐蚀
氢硫酸是硫化氢溶于水而得到酸性溶液。因沼气中含有水及硫化氢,从而生成氢硫酸。氢硫酸与金属表面的Fe发生化学反应,产生蜂窝状腐蚀物FeS。由此可见,金属表面的材质机械性能随蜂窝状腐蚀物的产生而劣化,由于氢硫酸的不断渗入内部,金属机械性能完全改变而破坏。
2·2·2 亚硫酸及少量的硫酸腐蚀
沼气经喷嘴喷射入炉膛中燃烧,沼气中的可燃物全部燃烧,其中也包括H2S气体。H2S燃烧产生高温的SO2和水蒸气。水蒸气和高温的SO2在锅炉的烟气流程中,其热量被水吸收,因而这两种物质的温度急剧下降,当降低到160℃时,SO2和水蒸气生成亚硫酸,附在锅炉管壁上,从而与管子表面的Fe起化学反应,腐蚀管束,使管子表面的材质机械性能劣化,起皮脱落。
同时,又有少量的SO2转变成SO3,SO3再与水蒸气生成硫酸,与锅炉管子表面的Fe起化学反应,腐蚀管束,同样使管子表面的材质机械性能劣化,起皮脱落。
在锅炉改造的前期,对锅炉本体进行检测,发现锅炉燃烧系统内管壁蜂窝状腐蚀物明显,有金属起皮现象。
3 燃沼气锅炉防腐的必要性
由于市政府投资,我市垃圾处理厂沼气生产线已上马,而我公司燃油锅炉改制成燃沼气燃油锅炉也基本完工。锅炉是我公司矿石开采所需铵油炸药生产的必要设备,锅炉的好坏、寿命的长短直接影响我公司的经济效益,因而就有必要对锅炉本体和管道进行防腐。防腐处理后,锅炉完全达到使用要求,同样锅炉的使用寿命提高,并为企业节约大量的费用。在探讨各种防腐措施中,热喷涂技术防腐效果最佳,总计费用最少。
4 热喷涂技术原理
热喷涂技术是采用将金属喷涂材料加热熔化或软化,靠热源自身的动力或外加的压缩气流作动力,将熔滴雾化并推动熔粒成喷射粒束,以一定速度喷射到基体表面形成涂层(如图2)。
热喷涂过程包括喷涂材料在热源中加热加速和高速运动的微粒与基体表面牢固结合的过程。从喷涂材料进入热源到形成涂层,首先是喷涂材料加热形成熔滴。熔滴雾化后,在气压的作用下向基体冲击,遇到基体,产生强烈碰撞,呈扁形状牢固粘结在基体表面,从而形成致密均匀的涂层,起到防腐和保护作用。
5 热喷涂技术如何防腐
常用热喷涂材料有铝、锌、镍、铬及不锈钢,这些材质经高温加热后,喷射到基体上,形成致密均匀的涂层,使H2S难以接触基体,消除产生氢鼓疱、氢脆的先决条件,从而消除氢鼓疱、氢脆。
热喷涂材料铝、锌、镍、铬及不锈钢具有很强的耐腐蚀性,因而这些材料形成的涂层具有很强耐腐蚀性,隔绝了酸与基体的接触,抵制了基体表面酸腐蚀。据实验数据,碳钢的年平均腐蚀量为450~550g/m3,而铝、锌、镍、铬及不锈钢的年平均腐蚀量为2~3g/m3,因而在储有沼气管道及锅炉燃烧流程管路中,采用热喷涂技术防腐是提高锅炉使用寿命的有效手段。
6 热喷涂技术防腐在我单位使用情况
在我公司硫酸厂制酸流水线中的余热锅炉,同样主要受到含硫物质的腐蚀。五年前对原有的腐蚀管道及本体部位采用热喷涂技术防腐,五年后对其管道及本体再进行检测分析,由于涂层的保护,在检测部位没有产生蜂窝状腐蚀物,表面光亮、平整;管壁的机械性能及厚度检测这两项指标均未减弱,从而证实:采用热喷涂技术防腐是提高燃沼气锅炉使用寿命的有效手段。
参考文献略
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