浅析垃圾发电厂烟气中流速仪使用寿命短的原因

浅析垃圾发电厂烟气中流速仪使用寿命短的原因

林泰延

广州环投福山环保能源有限公司 广东 广州 511363

摘要：垃圾焚烧发电作为“减量化、无害化、资源化”处置生活垃圾的最佳方式，引起国家高度重视与关注。垃圾焚烧的同时，污染物排放的监管也成了重中之重，烟气流速作为监测垃圾电厂污染物排放的重要参数之一，其可靠性准确性要求是非常之高的。但是流速探杆仪位于烟道之中，受到烟气中酸性气体的影响，流速仪测量可靠性会有所下降且使用寿命大大缩短，故其防腐防断裂工作不容忽视，本文介绍了垃圾电厂中烟气流速仪延长使用寿命的技术措施。

关键词：流速仪，锈蚀，垃圾电厂，使用寿命短

1引言

为了达到国家的环境保护的排放要求，监管垃圾电厂（下文简称为电厂）的污染物排放量，烟气流速仪作为一个重要设备，将电厂烟气排放烟气流量实时准确地测量并通过分析仪数采仪等设备上传相关数据至环保局。

南方某垃圾发电厂烟气数据日均值如表1所示，取得是某日锅炉正常运行时的测量数据，污染物数据已进行氧气折算与水分折算，下文中的分析也是依据该表数据进行。

表1 某垃圾电厂污染物排放日均值表

由于湿度是通过傅里叶红外分析仪测量所得，而烟气在进入分析气室前会经过伴热管线，被均匀加热到180℃，所以表1中湿度是指烟气在180℃时的湿度并非烟气在142℃时的湿度。

目前某垃圾发电厂烟囱烟气流速采用皮托管流速仪进行测量，目前流速仪的使用寿命只有6个月左右，在临近寿命极限时，流速探杆根部其实已经腐蚀破孔，引起测量数据不准、异常波动等问题。本文着重分析烟囱中的皮托管流速仪寿命短的原因。

2皮托管流速仪探杆易断裂的外部原因分析

2.1探杆根部环境潮湿

观察到每次维护烟气流速仪时，流速仪面向烟囱一侧的法兰内表面及预埋套管内总非常潮湿且布满水珠，水汽以法兰内表面一侧最为严重，逐步向烟囱内减轻。潮湿的环境是钢材腐蚀常见的原因，通过以下计算我们知道预埋套管内潮湿程度。

相对湿度计算公式：

（1）

式（1）中，φ为相对湿度，e为水蒸气分压，E为水的饱和蒸汽压。

由表1的数据可知烟气压力为-0.4kPa，湿度为23%。另外180℃时水的饱和蒸汽压为1001.9kPa，可以算出水蒸气分压为230.4kPa，约等于127.4℃时的水的饱和蒸汽压，可得某电厂的烟气露点为127.4℃。流速仪通过预埋管以法兰连接的形式安装在烟囱上，预埋套管法兰距离烟囱外表面是有一段距离的的（30cm）且该段并未做保温措施，在外部环境40摄氏度的情况下，该预埋套管的法兰温度仅有75℃左右。75℃时水的饱和蒸汽压是38.563kPa,法兰内表面相对湿度达到了597.5%，这就造就了套管内潮湿的环境。

2.2烟气中较高的氧气含量

液态水的和O₂的存在是探杆氧化生锈的直接原因，相对较高的温度（75℃）又在一定程度上加快了这一进程。碳钢的主要成分是铁Fe，而铁的氧化生锈过程主要是以下三个方程式为主。

2Fe + O₂ + 2H₂O 2Fe（OH）₂ （2）

4Fe（OH）₂+ O₂ + 2H₂O 4Fe（OH）₃ （3）

2Fe（OH）₃ Fe₂O₃ + 3H₂O （4）

铁锈的主要成分是氧化铁(Fe₂O₃)，其结构疏松多孔，无法阻挡水分和氧气的进入，所以也无法阻挡探杆的腐蚀进程。

2.3酸性液体的产生

某电厂中排放的主要污染源有SO₂、NO、NO₂、NH₃、HCl、HF、CO、CO₂，除主要污染源外还含有O₂、N₂、H₂O等组份。烟气中的HCL、SO₂、NO₂等酸性气体遇冷凝水便产生反应形成了酸性溶液，其中主要的反应方程式为：

烟气中NO₂的含量为200mg/m³（取日均值计算），而氧气O₂含量为8%约等于114g/m³，所以氧气含量是远远大于NO

₂含量的所以NO₂与H₂O的反应方程式如下：

4NO₂ + O₂ + 2H₂O 4HNO₃ （5）

硝酸溶于水电离方程式为：

HNO₃ H⁺ + NO₃^- （6）

因为HCl极易溶于水，当烟气中的HCL气体溶于水会电离出氢离子与氯离子，电离方程式如下：

HCl H⁺ + Cl^- （7）

由于SO₂与水生成的H2SO3属于弱酸，化学反应方程式如下，属于可逆反应，又因为溶液呈较强酸性，所以该反应可以忽略不计：

SO₂ + H₂O H₂SO₃ （8）

亚硫酸H₂SO₃在水中的电离方程式如下：

H₂SO₃ H⁺ + HSO₃^- （9）

由（7）、（8）方程式不难看出，在酸性环境下，是利于方程从右向左反应的，故SO₂溶于水很少可以忽略不计。

由于探杆根部酸性液体的存在， 生成的氧化铁会被溶解形成Fe³⁺，这一过程一方面让铁锈的结构变得更加疏松，更便于溶液侵入；另一方面Fe³⁺也能将铁单质氧化为Fe²⁺，从而加速了探杆的腐蚀这一过程涉及反应主要可以用以下方程式表示。

铁锈溶解的（氧化铁与氢离子）离子方程式：

Fe₂O₃ + 6H⁺ 2Fe³⁺ + 3H₂O （10）

铁离子腐蚀铁单质梨子方程式：

Fe + 2Fe³⁺ 3Fe²⁺ （11）

亚铁离子Fe²⁺又会继续被空气中的氧气氧化最终生成铁锈（主要成分是Fe₂O₃∙XH2O，铁锈成分复杂，此处不深究铁锈成分）。

2.4铁锈本身的结构影响

从探杆表面新生成的铁锈因为体积膨胀，会不断地向外挤压，导致外层铁锈又进一步变得松散，最终脱落。外层铁锈的脱落导致溶液渗入探杆表面的通道变短变宽，也在一定程度上加快了金属探杆的腐蚀老化。

图1为现场使用了一段时间后的流速仪探杆，可以看到腐蚀主要发生在探杆根部及法兰内表面，而且锈蚀面向外膨胀凸起，表面颜色以红棕色（Fe₂O₃）为主.

图 1 碳钢探杆在烟气中使用一段时间后 图2全新探杆

2.5流速仪探杆的结构影响

上述四点的共同作用下，导致探杆根部的锈蚀过程大大加快，又因为探杆是水平悬空安装于烟道内，所以探杆末端在自重的影响下会施加一个较大的力给探杆根部，所以一旦锈蚀进行到一定程度，探杆壁厚到达一个临界值，在这个作用力的作用下探杆就会彻底断裂，从而使流速仪失去测量作用。

综上所得，流速仪探杆非正常寿命期呢断裂的主要原因凝结水的产生、烟气中氧气和酸性气体的存在，次要原因是探杆材质防腐蚀能力差、未做防腐保护及根部受力过大。

3皮托管流速仪探杆的材质对使用寿命的影响

碳钢的产量大，价格便宜，机械加工性能好，物理性能适中，能够满足大多数常规场合使用的强度要求，所以应用很广泛。现场原流速仪的探杆使用的是Q235低碳钢，Q235低碳钢的屈服强度仅有235MPa并且从现场实际发现其抗锈蚀能力较差。针对该情况，我们选用物理化学性能更加优秀2205双相不锈钢（2205DSS）作为流速仪探杆的材质。

2205双相不锈钢由21%的铬（Cr）、4.5%镍氮合金和2.5%钼（Mo）等构成的复合不锈钢，它含有40%-60%的奥氏体与60%-40%的铁素体。较之铁素体不锈钢，它韧性更好，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均明显提升并且还具有铁素体不锈钢膨胀系数小的特点；较之奥氏体不锈钢，它屈服强度更高（达到460Mpa），抗疲劳强度明显提升并且耐晶间腐蚀、应力腐蚀以及腐蚀疲劳等性能亦大幅度提高^[1,2]。

钢铁的防腐方法一般有涂层法、热镀锌、阴极保护法、电化学保护法，针对流速仪在垃圾电厂的工况分析，我们将探杆材质更换为2205双相不锈钢并做防腐涂层处理，为了检验其防腐效果，我们在厂内做了对照试验。试验方法是：利用流速仪平时的安装位置附近的备用孔，分别安装两支材质为2205双相不锈钢与Q235低碳钢的流速仪探杆，其中一支涂上防腐涂层，另一只无涂层。涂层采用环氧树脂防腐漆，涂层层数为2层（厚度1.5mm）。使用寿命的判定以流速测量失去准确性来判定。实验组1安装在#1锅炉烟囱，实验组2安装于#2锅炉烟囱。试验结果如表2所示。

表2 不同材质的及有无涂层的对流速仪探杆使用寿命的影响

某科技有限公司的皮托管流速仪探杆报价为：2205双相不锈钢探杆4880/一根，Q235低碳钢探探价格为4280/根。2205双相不锈钢探杆相比于Q235低碳钢探杆提高了14.02%的价格换来了119.62%（无涂层）、99.03%（有涂层）的寿命提升。无论是从流速仪测量的准确性、可靠性还是使用的经济性分析，2205双相不锈材质的探杆是更加适合垃圾电厂烟气流速测量的设备。

4结论及对策

结合本文分析，得出垃圾发电厂烟气中皮托管流速仪使用寿命短的原因如下。

（1）皮托管流速仪的预埋管直接与室外空气接触，使管内温度低于烟气露点（127.4℃）进而引起烟气中的气态水的凝结是探杆锈蚀的最根本的原因。

（2）烟气中的酸性气体溶于水形成酸性液体加速了探杆的锈蚀。

（3）用于制作皮托管流速仪探杆的碳钢抗腐蚀能力、力学性能较差。

针对上面3个原因，最为简单便捷的方法便是通过外包保温或者增加电伴热的措施是预埋套管内的温度高于烟气的露点，阻止水的凝结，可从根本上切断其锈蚀的条件，从而延长使用寿命；当然也可以通过使用更好的探杆材质并采取一定的防腐措施，从而延长使用寿命。

参考文献

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