CN109680313B - 烟气管道、其制备方法及垃圾焚烧烟气回收装置 - Google Patents

烟气管道、其制备方法及垃圾焚烧烟气回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种烟气管道、其制备方法及垃圾焚烧烟气回收装置。该烟气管道包括：管道本体以及Ni‑Cr纳米涂层，Ni‑Cr纳米涂层设置在管道本体的内表面。利用Ni‑Cr纳米涂层能够有效改善垃圾焚烧烟气管道表面的防腐性能，进而解决了垃圾焚烧产生的烟气对烟气管道的腐蚀严重的问题，从而提高了烟气回收净化装置的稳定性和使用寿命。

Description

烟气管道、其制备方法及垃圾焚烧烟气回收装置
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体而言，涉及一种烟气管道、其制备方法及垃圾焚烧烟气回收装置。
背景技术
随着国家对生态环境问题越来越多的重视，石油、冶金、化工等行业中产生的烟气需要进行回收和净化，以达到国家规定的排放标准，这对大气环境治理来说是一项非常重要的工作，应用垃圾焚烧处理技术处理生活和医疗垃圾，具有轻量化和减量化的优势，但是垃圾焚烧后产生的飞灰，含有二噁英及重金属等，存在二次污染问题。
由于垃圾焚烧产生的飞灰含水量、氯量高，并伴有大量金属盐和有机物，因此烟气中含有盐酸、水蒸气、二氧化硫、一氧化碳、甲烷等复杂的腐蚀性成分，烟气排放温度高(600-1200℃)。高温下，烟气中的Cl元素将与管道材料中的Fe、Ni、Cr等金属元素反应生成易挥发金属氯盐，破坏材料表面的保护性氧化膜，并且，Cl元素从表面向管道材料内部扩散，造成晶界腐蚀因此加速了Fe、Ni、Cr的氯化反应和挥发，因此管道材料的腐蚀速度加快而失效。由于以上主要原因，高温熔融固化飞灰过程中产生的烟气进入烟气净化系统后对管道及净化设备具有很强的腐蚀作用，烟气管道和处理设备出现使用寿命短、腐蚀快、经常维修等问题，降低了烟气净化系统的效率，增加了企业的生产成本，甚至可能使烟气达不到国家规定的排放标准而被迫停产。因此，垃圾焚烧产生的烟气对管道和设备的腐蚀问题成为飞灰熔融固化技术推广与应用亟待解决的问题。
然而，在高温腐蚀领域，高温氧化和热腐蚀研究比较深入，腐蚀机理较清楚，理论较成熟，但是垃圾焚烧过程中的高温氯化腐蚀，还没有一个能够得到研究人员广泛接受的腐蚀机理模型，在国内还鲜有的报道。
在垃圾焚烧烟气防腐设计时，根据经验可以选择具有自身耐腐蚀的材料比如2520、310s等不锈钢，减缓烟气管道在高温、氯化等条件下的腐蚀速度，但根据对一些不锈钢在垃圾焚烧烟气下的腐蚀速度的研究表明，成本较高，而且2520、310s等耐高温不锈钢在垃圾焚烧产生的高温含氯、盐等成分复杂的烟气下腐蚀速度也相对较高。因此需要根据垃圾焚烧产生的烟气对烟气管道的腐蚀情况，有针对性地制定烟气回收净化装置的防腐措施，以降低企业成本和因烟气管道腐蚀失效而引起的停产风险。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种烟气管道、其制备方法及垃圾焚烧烟气回收装置，以解决现有技术中的垃圾焚烧产生的烟气对管道腐蚀严重的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种烟气管道，该烟气管道包括：管道本体以及Ni-Cr纳米涂层，Ni-Cr纳米涂层设置在管道本体的内表面。
进一步地，管道本体的材质为不锈钢。
进一步地，Ni-Cr纳米涂层中Cr纳米颗粒的重量百分含量为15％～30％；优选地，Cr纳米颗粒的粒径为15～60nm；优选地，Ni-Cr纳米涂层的厚度为10～60μm。
根据本发明的第二个方面，提供了一种垃圾焚烧烟气回收装置，该装置包括烟气管道，烟气管道为上述任一种烟气管道。
根据本发明的第三个方面，提供了一种上述任一种烟气管道的制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供管道本体；在管道本体的内表面设置Ni-Cr纳米涂层，进而得到烟气管道。
进一步地，在管道本体的内表面设置Ni-Cr纳米涂层的步骤包括：将镀镍溶液与Cr纳米颗粒混合，得到混合镀液；将管道本体在混合镀液中进行直流电镀，以在管道本体的内表面形成Ni-Cr纳米涂层。
进一步地，镀镍溶液包括含镍主盐、导电盐、pH缓冲剂、表面活性剂和水；优选地，含镍主盐为NiSO4·6H2O，导电盐包括C6H5NaO7·2H2O和NaCl，pH缓冲剂为HBO3，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵和溴化十六烷基吡啶；优选地，镀镍溶液中，含镍主盐的含量为50～200g/L，导电盐中的C6H5NaO7·2H2O的含量为50～200g/L，导电盐中的NaCl的含量为5-30g/L，pH缓冲剂的含量为5～30g/L，表面活性剂的含量为0.5～1mol/l。
进一步地，混合镀液中Cr纳米颗粒的含量为150～200g/L；优选地，Cr纳米颗粒的粒径为15～60nm。
进一步地，直流电镀的过程中，电流密度为0.5～6A/dm2，电镀温度为30～50℃。
进一步地，直流电镀的过程中，对混合镀液进行搅拌，优选搅拌的速度为150～300rpm。
本发明提供了一种烟气管道，其包括管道本体和位于其表面的Ni-Cr纳米涂层。利用Ni-Cr纳米涂层能够有效改善垃圾焚烧烟气管道表面的防腐性能，进而解决了垃圾焚烧产生的烟气对烟气管道的腐蚀严重的问题，从而提高了烟气回收净化装置的稳定性和使用寿命。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例1中制备的烟气管道的表面SEM照片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
正如背景技术部分所描述的，现有技术中垃圾焚烧产生的烟气对烟气管道的腐蚀严重，甚至有使烟气管道腐蚀失效而引起的停产的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种烟气管道，其包括管道本体和设置在管道本体的内表面的Ni-Cr纳米涂层。利用Ni-Cr纳米涂层能够有效改善垃圾焚烧烟气管道表面的高温抗腐蚀性能，进而解决了垃圾焚烧产生的烟气对烟气管道的腐蚀严重的问题，从而提高了烟气回收净化装置的稳定性和使用寿命。
作为烟气管道，尤其是用于垃圾焚烧产生的烟气的管道，在厚度和防腐性能等方面有严格要求，为了使上述烟气管道更好地满足这些要求，在一种优选的实施方式中，Ni-Cr纳米涂层为Cr纳米颗粒和Ni金属共沉积形成的电镀层。Cr纳米颗粒和Ni金属共沉积形成的电镀层，由于Cr纳米颗粒的尺寸效应使其晶粒尺寸为纳米级(如图1所示)，致密性更高、孔隙率较低，镀层中Cr纳米颗粒均匀分散在金属Ni基体中，在高温烟气条件下，Cr纳米颗粒尺寸小，能迅速在涂层表面形成氧化铬保护膜，延长烟气管道的服役时间。
为了进一步改善烟气管道的抗高温防腐性能，在一种优选的实施方式中，Ni-Cr纳米涂层中Cr纳米颗粒的重量百分含量为10％～30％。更优选地，如图1所示，Cr纳米颗粒的粒径为15～100nm。进一步优选地，Ni-Cr纳米涂层的厚度为10～60μm。
根据本发明的第二方面，还提供了一种垃圾焚烧烟气回收装置，该装置包括烟气管道为上述任一种烟气管道。本申请的烟气管道表面设置的Ni-Cr纳米涂层能够有效改善烟气管道表面的抗高温腐蚀性能，进而解决了垃圾焚烧产生的烟气对烟气管道的腐蚀严重的问题，从而提高了烟气回收净化装置的稳定性和使用寿命。
根据本发明的第三方面，还提供了一种烟气管道的制备方法，其包括以下步骤：提供管道本体；在管道本体的内表面设置Ni-Cr纳米涂层，进而得到烟气管道。利用Ni-Cr纳米涂层能够有效改善烟气管道表面的抗高温腐蚀性能，进而解决了垃圾焚烧产生的烟气对烟气管道的腐蚀严重的问题，从而提高了烟气回收净化装置的稳定性和使用寿命。
在一种优选的实施方式中，在管道本体的内表面设置Ni-Cr纳米涂层的步骤包括：将镀镍溶液与Cr纳米颗粒混合，得到混合镀液；将管道本体在混合镀液中进行直流电镀，以在管道本体的内表面形成Ni-Cr纳米涂层。采用上述直流电镀的方式，将Cr纳米颗粒和镀镍溶液的混合镀液作为电解液，能够使Cr纳米颗粒与Ni金属共沉积形成Ni-Cr纳米颗粒电镀层。
该方法利用纳米复合电镀工艺将金属Ni与Cr纳米颗粒共沉积在烟气管道的内壁，能够形成纳米级晶粒的致密的Ni-Cr纳米涂层，Cr纳米颗粒均匀分散在金属Ni基体中，从而获得具有Ni-Cr纳米涂层的烟气管道。在高温烟气条件下，Cr纳米颗粒尺寸小，能迅速在涂层表面形成氧化铬保护膜，延长烟气管道在垃圾焚烧产生的高温含氯、盐等复杂成分烟气作用下的服役时间。
在一种优选的实施方式中，镀镍溶液包括含镍主盐、导电盐、pH缓冲剂、表面活性剂(以保证镀镍液中纳米颗粒在镀液中均匀悬浮)和水；优选地，含镍主盐为NiSO4·6H2O，导电盐包括C6H5NaO7·2H2O和NaCl，pH缓冲剂为HBO3，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵和溴化十六烷基吡啶。采用上述镀镍溶液，Ni金属的沉积过程更为稳定。优选地，镀镍溶液中，含镍主盐的含量为50～200g/L，导电盐中的C6H5NaO7·2H2O的含量为50～200g/L，NaCl的含量为5-30g/L，pH缓冲剂的含量为10～30g/L，表面活性剂的含量为0.5～2mol/l。
在一种优选的实施方式中，混合镀液中Cr纳米颗粒的含量为50～300g/L。将Cr纳米颗粒的含量控制在上述范围内，有利于控制镀层中Cr纳米颗粒的含量在更为适宜的范围内，既能够更充分地改善烟气管道的抗高温腐蚀性能，又有利于控制镀层厚度。优选地，Cr纳米颗粒的粒径为15～50nm。该粒径下有利于更精密地控制镀层厚度。
为了使电镀过程更为稳定，形成更致密、更稳定的Ni-Cr纳米颗粒镀层，在一种优选的实施例中，直流电镀的过程中，电流密度为0.5～6A/dm2，电镀温度为30～50℃。优选地，对混合镀液进行搅拌，优选搅拌的速度为150～300rpm。
以下通过实施例进一步说明本发明的有益效果：
实施例1
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为30℃，电流密度I＝3A/dm2。在Cr纳米颗粒(平均粒径为15nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为180rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 100g/L，C6H5NaO7·2H2O 110g/L，NaCl 10g/L，HBO3 20g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)1mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)0.5mol/l，Cr纳米颗粒的含量为200g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为15wt％，厚度为30μm。
实施例2
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为40℃，电流密度I＝3A/dm2。在Cr纳米颗粒(平均粒径为34nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为300rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 200g/L，C6H5NaO7·2H2O 200g/L，NaCl 30g/L，HBO3 30g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)1mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)0.5mol/l，Cr纳米颗粒的含量为300g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为30wt％，厚度为30μm。
实施例3
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为40℃，电流密度I＝3A/dm2。在Cr纳米颗粒(平均粒径为34nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为180rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 50g/L，C6H5NaO7·2H2O 50g/L，NaCl 5g/L，HBO3 5g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)1mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)0.5mol/l，Cr纳米颗粒的含量为200g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为20wt％，厚度为30μm。
实施例4
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为50℃，电流密度I＝6A/dm2。在Cr纳米颗粒(粒径为34nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为220rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 120g/L，C6H5NaO7·2H2O 150g/L，NaCl 8g/L，HBO3 15g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)1mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)1mol/l，Cr纳米颗粒的含量为200g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为25wt％，厚度为30μm。
实施例5
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为30℃，电流密度I＝3A/dm2。在Cr纳米颗粒(平均粒径为20nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为180rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 100g/L，C6H5NaO7·2H2O 110g/L，NaCl 10g/L，HBO3 20g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)1mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)0.5mol/l，Cr纳米颗粒的含量为150g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为18wt％，厚度为45μm。
实施例6
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为50℃，电流密度I＝4A/dm2。在Cr纳米颗粒(粒径为34nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为200rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 120g/L，C6H5NaO7·2H2O 140g/L，NaCl 12g/L，HBO3 25g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)0.5mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)1mol/l，Cr纳米颗粒的含量为200g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为23wt％，厚度为18μm。
实施例7
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为50℃，电流密度I＝0.5A/dm2。在Cr纳米颗粒(粒径为15nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为180rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 220g/L，C6H5NaO7·2H2O 210g/L，NaCl 4.5g/L，HBO3 29g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)0.5mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)1mol/l，Cr纳米颗粒的含量为200g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为15wt％，厚度为60μm。
实施例8
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为45℃，电流密度I＝4.5A/dm2。在Cr纳米颗粒(粒径为100nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为150rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 220g/L，C6H5NaO7·2H2O 210g/L，NaCl 4.5g/L，HBO3 29g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)1mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)1mol/l，Cr纳米颗粒的含量为150g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为10wt％，厚度为10μm。
实施例9
本实施例中，在304不锈钢烟气管道内表面利用纳米复合电镀工艺在其表面制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层，其中电镀温度为55℃，电流密度I＝4.5A/dm2。在Cr纳米颗粒(粒径为200nm)与Ni共沉积过程中，采用机械搅拌，搅拌速度为350rpm，其中镀镍液的成分如下：NiSO4·6H2O 220g/L，C6H5NaO7·2H2O 210g/L，NaCl 4.5g/L，HBO3 29g/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)1mol/l和溴化十六烷基吡啶(HPB)1mol/l，Cr纳米颗粒的含量为320g/L。
经电子扫描电镜能谱检测，Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为35wt％，厚度为62μm。
对比例1
与实施例1相同的304不锈钢烟气管道内表面未制备Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层。
对比例2
该对比例中选用低碳钢烟气管道，在该管道的内表面制备与实施例1中一样的Ni-Cr纳米耐高温氯化腐蚀涂层。
经电子扫描电镜能谱检测，该Ni-Cr纳米复合镀层的Cr含量为15wt％，厚度为30μm。
采用高温下在管式炉内通腐蚀性气体，气体成分模拟垃圾焚烧烟气成分，在相同温度经过相同的腐蚀时间的方法，对上述各实施例和对比例2的烟气管道分别进行耐高温氯化腐蚀测试，结果列于表1中。
表1：
项目 耐腐蚀性(腐蚀深度μm)
实施例1 40
实施例2 5
实施例3 16
实施例4 10
实施例5 35
实施例6 37
实施例7 29
实施例8 45
实施例9 50
对比例1 200
对比例2 156
从上述表1的结果可以看出：表面具有Ni-Cr纳米防腐涂层的垃圾焚烧的烟气管道的耐高温氯腐蚀性相助提高，其腐蚀速度远远低于普通碳钢烟气管道的腐蚀速率。而且，制造成本低于采用耐高温不锈钢310S、2520等材质的烟气管道的成本。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1.本申请根据垃圾焚烧产生烟气高温、含氯、含盐、且垃圾焚烧烟气回收装置中烟气管道的高温段腐蚀速度快的特点，在其内壁采用纳米复合电镀的工艺制备Ni-Cr纳米防腐涂层，不仅工艺简单易操作，成本相对较低。
2.Ni-Cr纳米防腐涂层中Cr纳米颗粒均匀分散在金属Ni基体中，在高温烟气条件下，Cr纳米颗粒尺寸小，能迅速在涂层表面形成氧化铬保护膜，延长烟气管道的服役时间。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种垃圾焚烧烟气回收装置，所述装置包括烟气管道，其特征在于，所述烟气管道包括：
管道本体,所述管道本体的材质为不锈钢，所述不锈钢为304不锈钢；
Ni-Cr纳米涂层，设置在所述管道本体的内表面，所述Ni-Cr纳米涂层中Cr纳米颗粒的重量百分含量为20％～30％，所述Cr纳米颗粒的平均粒径为34nm，所述Ni-Cr纳米涂层的厚度为30μm。
2.一种权利要求1所述的垃圾焚烧烟气回收装置中的烟气管道的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供管道本体，所述管道本体的材质为不锈钢，所述不锈钢为304不锈钢；
在所述管道本体的内表面设置Ni-Cr纳米涂层，进而得到所述烟气管道，在所述管道本体的内表面设置所述Ni-Cr纳米涂层的步骤包括：
将镀镍溶液与Cr纳米颗粒混合，得到混合镀液；
将所述管道本体在所述混合镀液中进行直流电镀，以在所述管道本体的内表面形成所述Ni-Cr纳米涂层，所述镀镍溶液包括含镍主盐、导电盐、pH缓冲剂、表面活性剂和水，所述含镍主盐为NiSO4·6H2O，所述导电盐包括C6H5NaO7·2H2O和NaCl，所述pH缓冲剂为HBO3，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵和溴化十六烷基吡啶，所述镀镍溶液中，所述含镍主盐的含量为50～200g/L，所述导电盐中的C6H5NaO7·2H2O的含量为50～200g/L，所述导电盐中的NaCl的含量为5-30g/L，所述pH缓冲剂的含量为5～30g/L，所述表面活性剂的含量为0.5～1mol/L，其中，所述十六烷基三甲基溴化铵的含量为1mol/L，所述溴化十六烷基吡啶的含量为0.5mol/L或1mol/L，所述混合镀液中所述Cr纳米颗粒的含量为200～300g/L，所述Cr纳米颗粒的平均粒径为34nm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述直流电镀的过程中，电流密度为0.5～6A/dm2，电镀温度为30～50℃。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述直流电镀的过程中，对所述混合镀液进行搅拌。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的速度为150～300rpm。
CN201910124235.4A 2019-02-18 2019-02-18 烟气管道、其制备方法及垃圾焚烧烟气回收装置 Active CN109680313B (zh)

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