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高炉TRT系统腐蚀积盐原因及防护措施

2020-06-09 08:15:32 hualin 14

高炉煤气是高炉炼铁过程中产生的气体,是钢铁企业内部生产使用的重要二次能源。高炉炼铁的原料煤的主要元素为碳(C),还有少量的硫化物(MSx);烧结矿中含有氯盐(CaCl2、MgCl2、FeCl3等)。


1、高炉煤气TRT系统腐蚀的特点


一些钢铁企业TRT投入使用半年左右就出现了补偿器、低温煤气管道腐蚀等一系列问题,导致频繁出现漏点,不得不停止高炉冶炼对管道进行焊补。但是,这种方法只能应付一时,造成管道腐蚀的介质依然不能消除,长此以往,必将严重影响高炉系统的稳定运行。为了解决这个问题,必须对造成腐蚀的因素和腐蚀的类型有所了解,高炉煤气的组成复杂,导致的腐蚀种类也不相同,大致分为以下几种:


(1)均匀腐蚀;随着煤气传输的距离增加,煤气的温度、压力会逐渐降低。煤气的露点温度大约为68℃左右,当煤气温度低于此温度,其中所含的水蒸气冷凝析出在管道的内壁形成一层水膜,煤气中所含的CO2、SO2、H2S、NOx等酸性气体就会与水生成相应的强酸,对煤气管道造成酸性腐蚀。


(2)电化学腐蚀;煤气中的酸性气体与水作用生成相应的强酸,强酸离解为强电解质,从而引起电化学腐蚀。


(3)电偶腐蚀;电偶腐蚀发生在不同材质之间,比如煤气管道和补偿器两种不同材质的金属材料,在冷凝水介质中相互接触就形成腐蚀电池,产生电偶腐蚀。


(4)缝隙腐蚀;此类腐蚀存在于管道连接处、管道焊缝处腐蚀产物附着处等部位。这些部位容易积聚冷凝水,因而引起电化学腐蚀。


(5)磨损腐蚀和应力腐蚀;这种腐蚀是由于腐蚀介质和机械因素的共同作用,主要是在焊口和管道内壁等部位引起腐蚀破坏,形成密集的凹坑和沟槽。

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图1高炉煤气TRT系统腐蚀积盐情况


2、高炉煤气TRT系统腐蚀积盐原因


高炉炼钢的原料和工艺使得在形成高炉煤气过程中存在着CO2、SO2、H2S、HCl、NOx等酸性气体组分以及少量的盐杂质,虽然经过一系列的干法除尘,但其中仍含有少量水分和盐杂质。高炉煤气的温度随着在TRT透平机内膨胀做功而逐渐降低,当透平机内的煤气温度低于煤气露点温度时,煤气中所含的酸性气体就会冷凝析出,并沿着管道内壁在管道底部汇聚,形成强腐蚀性液体,这种液体气流推动下流动,流过的地方发生化学反应,破坏了管道材料结构形成腐蚀层。随着腐蚀程度加剧,最终导致管道底部穿孔、漏气和滴水现象。同时,煤气中所含的盐分如NH4Cl等遇水及粉尘时会以固体形态析出并附着在透平的动静叶片和机壳内壁及出口管道上,形成积盐。


3、高炉煤气TRT系统防护措施


目前针对高炉煤气酸性腐蚀和积盐的现状的主要措施有


(1)强化设备;如采用价格昂贵的Incolog800材质的不锈钢波纹补偿器,增加管道设备的厚度,用安全泄压阀替代干法除尘筒体防爆膜等等。这些措施在一定程度上可以提高管道设备的使用寿命,但投资大,且不能从本质上解决问题。


(2)提高透平机入口煤气温度,减少积盐现象;该法不能解决腐蚀问题。


(3)添加缓蚀阻垢剂;当高炉无法改进操作方式时,在高炉煤气中添加缓蚀阻垢剂是一种有效的方法。该技术利用脱硫缓蚀阻垢剂在TRT入口前减少和抑制硫酸铵及氯化铵等积盐的形成,同时在叶片上形成保护膜,对煤气中酸性气体和灰尘对叶片的腐蚀冲刷起保护作用。


由以上解决方法可以看出,通过添加缓蚀剂、阻垢剂,能从根本上解决高炉煤气干式TRT系统腐蚀积盐问题。


3.1缓蚀剂


分类:


缓蚀剂的种类有很多,通常可根据缓蚀剂的化学组成成分、缓蚀剂使用的介质、对电极过程的影响、在金属表面形成保护膜的特征等不同而有不同的分类方法。


按缓蚀剂所含化学成分不同,可将缓蚀剂分为无机、有机和复合型三种


(1)无机缓蚀剂;主要包括铬酸盐、钼酸盐、锌盐、磷酸盐和聚磷酸盐等无机盐。


(2)有机缓蚀剂;主要包括含磷有机缓蚀剂和有机胺类缓蚀剂。含磷有机缓蚀剂和无机磷酸盐相比,其化学稳定性好,用量低,不易水解和降解。有机胺类缓蚀剂含有亲水极性基团胺基和亲油非极性基团烷基,能够吸附在金属表面形成保护膜或者与金属离子形成络合物保护膜而起到缓蚀作用。


(3)复合型缓蚀剂;主要包括铬酸盐系列、磷酸盐系列、锌盐系列、钼酸盐系列、硅酸盐系列、全有机缓蚀剂。两种或几种化合物复配使用的复合型缓蚀剂可以提高缓蚀效率,同时降低了缓蚀剂总浓度,降低了成本,也减轻了环境污染。


机理:


对于缓蚀剂的缓蚀机理有很多说法,现在主要有三种理论,分别为成膜观点、吸附机制和酸碱理论。


(1)成膜观点;缓蚀剂在管线金属表面形成一层不溶于水的保护膜,这层膜阻碍金属离子与水发生化学反应,起到了抑制金属的腐蚀过程。


(2)吸附机制;分为物理吸附和化学吸附,都是对具有极性基团的有机缓蚀剂。由静电作用或范德华力引起的为物理吸附,由缓蚀剂和金属形成配位键来实现的为化学吸附。通过吸附形成的配合物或螯合物达到阻止腐蚀介质和金属接触,从而起到缓蚀作用。


(3)酸碱理论;在此理论中,缓蚀剂将金属电子的转移过程转变为共享过程,通过阻止电子转移来阻止金属腐蚀,缓蚀的过程即为缓蚀剂中分子中的孤对电子向配位中心配位的过程,所形成的配位键强度服从软硬酸碱规则。


3.2阻垢剂


工业的发展离不开水资源,在工业用水系统中,污垢已经成为除腐蚀之外对材料和设备的第二大危害。因此,阻垢剂的研制对工业设备的保护起到重要作用。


分类:


阻垢剂种类繁多,按照其发展历程和起作用的官能团,大致可以分为天然聚合物阻垢剂,含磷类聚合物阻垢剂,共聚合物阻垢剂,绿色新型聚合物阻垢剂。


(1)天然聚合物阻垢剂;单宁、木质素、纤维素等天然有机高分子化合物曾经被用作阻垢剂,它们能与硬度离子形成螯合物而达到抑制结垢效果,但是由于使用成本较高,所以现在很少使用。


(2)含磷类聚合物阻垢剂;这类阻垢剂的阻垢机理是通过分子内的有些官能团或静电静电作用力吸附在晶体表面的活性点上,使晶体的生长速度减缓而保持在微晶状态,增加其溶解度而达到阻垢目的。但是磷会对环境造成污染,现在主要使用无磷阻垢剂。


(3)共聚合物阻垢剂;包括丙烯酸类共聚物、磺酸类共聚物、马来酸酐类共聚物等。这类阻垢剂是由对应的单体聚合而成,羧基是起作用的官能团,它不仅有分散和凝聚作用,而且能够干扰晶体形成过程中晶格的排列而起到阻垢目的。


(4)绿色新型聚合物阻垢剂;主要有聚环氧琥珀酸和聚天冬氨酸,这类阻垢剂具有无毒、可生物降解的特性。


机理:


阻垢剂能够和水中的成盐阳离子(Ca2+、Mg2+)形成可溶的螯合物,使微溶盐的溶解度提高,达到阻垢的目的。研究发现,阻垢剂阻碍沉淀积聚主要有三种途径,低剂量效应、晶格畸变作用及分散作用。


(1)低剂量效应;一定化学剂量的阻垢剂才能使硬度离子稳定于水中,当阻垢剂的浓度大于一定量后,它的阻垢作用就不再增强。HPMA就具有这种低剂量效应。


(2)晶格畸变作用;阻垢剂的加入,不仅与水中的硬度离子形成螯合物,而且与晶体表面曲折位置的硬度离子螯合,形成的螯合物占据晶体正常生长的晶格位置,阻碍晶体的继续生长。


(3)分散作用;阻垢剂相当于分散剂吸附在晶体颗粒表面,使颗粒表面形成双电层,改变其电荷状态,颗粒在静电作用下互相排斥,避免了颗粒碰撞继续生长。