CN113295605A - 一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置及实验方法，涉及烟气腐蚀模拟方法技术领域。该方法将催化剂放置于管式炉1内的催化剂放置区，将空白试样以及表面分散有烟灰介质的待测试样放置于管式炉2内的试样放置区，向管式炉1通入模拟烟气以对模拟烟气进行预处理，然后将预处理后的模拟烟气通入管式炉2中，待反应结束后，清除试样表面的腐蚀产物，根据试样失重计算试样腐蚀速率。该装置通过两个管式炉实现了试样和催化剂的单独温度控制，便于通过温度控制催化剂的活性，同时也保证了试样的腐蚀试验温度的设定不受催化剂影响。实验装置整体上结构简单，布局合理，可采用现有的几种设备实施烟灰腐蚀或烟气腐蚀的模拟。

Description

一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及烟气腐蚀模拟方法技术领域，具体而言，涉及一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置及实验方法。

背景技术

锅炉是通过燃烧将燃料的化学能转化为热能，并将热能传给水使之升温、汽化、过热以产生所需的蒸汽或高温热水以供动力机械或其他设备使用的装置。锅炉的腐蚀分为高温腐蚀和低温腐蚀两种，其中高温腐蚀主要指熔盐热腐蚀。无论是燃油锅炉还是燃煤锅炉，燃料中含有的V、Na和S等元素均会在锅炉内部被氧化形成V₂O₅和Na₂SO₄等氧化物及各种盐类，而V₂O₅和Na₂SO₄或NaCl又会进一步反应生成一系列低熔点的钒酸盐，这些物质会随烟灰一起沉积在高温过热器、高温再热器和水冷壁等高温设备上，溶解金属表面自然形成的保护性氧化膜，进而向金属内部侵蚀，造成腐蚀破坏，影响锅炉的正常运行，极大程度上缩短了锅炉的使用寿命。

针对锅炉运行中出现的高温腐蚀问题，一般应对策略是选择耐热性能和耐烟灰腐蚀性能均较好的材料用于过热器、再热器等高温部件。而在寻找或研发性能更好的钢种和合金时，需要一种能模拟锅炉烟灰/烟气腐蚀环境的试验方法来研究材料的高温腐蚀行为，为进一步探讨材料耐蚀性能的影响因素及变化规律提供基础。

目前尚无专门针对模拟烟灰/烟气腐蚀试验的方法。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置及实验方法以解决上述技术问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供了一种烟灰腐蚀或烟气腐蚀模拟实验的方法，该方法包括将催化剂放置于管式炉1内的催化剂放置区，将空白试样以及表面分散有烟灰介质的待测试样放置于管式炉2内的试样放置区，向管式炉1通入模拟烟气以对模拟烟气进行预处理，然后将预处理后的模拟烟气通入管式炉2中，待反应结束后，清除试样表面的腐蚀产物，根据试样失重计算试样腐蚀速率；待测试样的测试面具有凹槽，将模拟烟灰组分的盐分散于待测试样表面的凹槽内。

锅炉烟气的主要成分是氮气、氧气、二氧化碳和二氧化硫，另外还含有少量的三氧化硫等其它气体，由于三氧化硫在常温状态下是液态，配制模拟烟气无法添加三氧化硫，管式炉1的作用在于：对模拟烟气进行预处理，从而使模拟烟气成分中的部分二氧化硫转化为三氧化硫，从而使得预处理后的模拟烟气更加贴合实际烟气。经过预处理后的模拟烟气流入管式炉2内，金属试样在烟气氛围下与烟灰介质发生反应而被腐蚀。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述方法还包括待测试样的制备，待测试样的制备包括：在待测试样的测试面预制凹槽，然后将模拟烟灰组分的盐分散于待测试样表面凹槽内。在其他实施方式中，也可以购买市售的具有凹槽结构的试样。

需要说明的是上述凹槽的设置使得烟灰产生的腐蚀仅发生于凹槽区域，而高温氧化腐蚀发生于待测试样的表面。此外，设计具有凹槽的试样结构，也便于将烟灰介质调制成适当的液体或悬浮液均匀涂于试样表面。设置试样具有凹槽结构也便于计算腐蚀面积。

凹槽的形状以及大小可以根据实际的需要进行设置，例如可以是椭圆形、长方形等形状。

在模拟锅炉烟灰/气腐蚀试验中，金属材料在受到沉积盐腐蚀的同时，也伴随着一定程度的高温氧化腐蚀，温度越高，高温氧化腐蚀越严重。

为准确计算试样的烟灰腐蚀速率，应在试验过程中增加空白试样，即不附着烟灰成分的试样，这样设置便于单独计算氧化腐蚀速率。附着烟灰待测试样的腐蚀失重扣除高温氧化腐蚀的失重即为单独烟灰腐蚀造成的失重。然后根据凹槽面积来计算烟灰造成的腐蚀速率；烟灰试样总的腐蚀速率等于氧化腐蚀速率与烟灰造成的腐蚀速率总和。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述试样腐蚀速率采用如下公式进行计算：

V₀＝8.76×10⁹×Δm₀/(s·t·ρ) (1)

V₁＝8.76×10⁹×(Δm₁-Δm₀)/(s₁·t·ρ) (2)

V_C＝V₁+V₀ (3)

式中：V₀为空白试样的高温氧化腐蚀速率，mm/a；

V₁为烟灰对待测试样所形成的腐蚀速率，mm/a；

V_c为附着烟灰的待测试样的总腐蚀速率，mm/a；

Δm₀为空白试样的腐蚀失重，g；

Δm₁为附着烟灰待测试样的腐蚀失重，g；

s为试样表面积，mm²；

s₁为试样凹槽区域的面积，mm²；

ρ为试验材料的密度，kg/m³；

t为试验时间，h。

需要说明的是，上述空白试样的腐蚀失重即为空白试样在管式炉中发生氧化腐蚀后的失重；上述附着烟灰待测试样的腐蚀失重即为沉积盐腐蚀和高温氧化腐蚀共同造成的试样失重。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述模拟烟灰组分的盐为固体或液体，当模拟烟灰组分的盐为液体时，在放入试样放置区前进行干燥处理。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述通入模拟烟气包括先通入排空气体进行吹扫，然后切入烟气，开启管式炉1和管式炉2的加热程序。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述烟气进气系统中的储气组成包括：氮气、氧气、二氧化碳和二氧化硫。

例如分别设置体积比为81.5％的氮气、5％的氧气、13％的二氧化碳和0.15％的二氧化硫。在其他实施方式中，上述烟气进气系统中的混合烟气组成可以根据实际拟模拟的烟气组成进行混合配伍。

需要说明的是，本发明提供的模拟实验方法适用于金属材料的烟灰腐蚀或烟气腐蚀。金属材料可以选自黑色金属、有色金属和特种金属材料中的任意一种。例如选自：铝、铜、镍、不锈钢(例如，430 级不锈钢、304不锈钢)、银、钛、铁、锡、锆、铍、镁、铅、铌、坝塔尔合金、碳钢、锌、黄铜、金、铬镍铁合金、磷青铜、以及各种定制合金。也可以在金属复合结构中结合不止一层网状物材料，并且可以将金属纤维与玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维或芳族聚酰胺纤维结合。

本发明提供了一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，其包括模拟烟气系统、管式炉1、管式炉2和烟气处理装置，管式炉1内设置有催化剂放置区，管式炉2内设置有试样放置区，模拟烟气系统、管式炉1、管式炉2与烟气处理装置依次通过管路连接，模拟烟气系统包括烟气进气系统。

管式炉具有耐腐蚀、易操作的优势，且通过管式炉反应，操作人员可以实时观察管式炉内试样的加热情形。

发明人利用模拟烟气系统的烟气进气系统提供烟气模拟实际工况下的进气，烟气进入管式炉1中，在高温加热下，管式炉1中的催化剂催化烟气发生化学反应从而对模拟烟气进行预处理，预处理后的高温烟气由管式炉1进入管式炉2，在管式炉2的高温环境下，试样发生沉积盐腐蚀和氧化腐蚀。由此，可对试样同时进行沉积盐腐蚀和氧化腐蚀模拟。

需要说明的是，上述管式炉1内设置有催化剂放置区是指，在管式炉1的炉管内设置的用于盛放催化剂的区域。在其他实施方式中，也可选择将催化剂直接设置于管式炉1的炉管中。

管式炉1用于将模拟烟气中的部分二氧化硫催化转化为三氧化硫，使得进入管式炉2中的烟气同时具有二氧化硫和三氧化硫成分，使得试样的模拟腐蚀试验更为贴近工况，有利于更为准确的评价多种金属材质的耐烟灰腐蚀性能。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述模拟烟气系统还包括气体排空系统，气体排空系统包括排空气体储罐，烟气进气系统包括烟气混合罐，排空气体储罐和烟气混合罐通过设置进气管路与管式炉1 的被加热介质进口相连。

气体排空系统用于去除管式炉中的残余空气等介质，防止残余其它介质对试样的检测造成影响，从而导致误差较大。

在一种实施方式中，上述的烟气混合罐中包含有多种混合气体，在具体模拟试验中，可以根据拟模拟实验的需要进行自适应调整混合气体的种类以及各组分气体的百分比。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述进气管路上设置有三通阀，排空气体储罐为氩气罐。此外，在其他实施方式中，上述的排空气体储罐也可根据需要进行自适应调整，并不限于上述的氩气罐。例如，可以选择其他的惰性气体，例如氦气、氡气等。

上述设置三通阀以方便操作人员切换烟气和排空气这两路气体，在其他实施方式中，也可根据需要设置其它的阀门以实现气路的控制。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述管式炉1的被加热介质出口通过烟气转接管与管式炉2的被加热介质进口连通，管式炉2的被加热介质出口通过烟气处理管连接烟气处理装置，烟气处理装置为烟气碱洗罐。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述管式炉2内设置有至少两个试样放置区。在具体实施方式中，在管式炉2的炉管中，间隔放置两个试样即可，也可根据需要设置至少两个试样放置区。为了对比沉积盐腐蚀带来的失重，发明人特设置空白试样和表面附有沉积盐的待测试样，通过待测试样与空白试样的失重差值即可获知沉积盐腐蚀带来的失重。

在一种实施方式中，上述的烟气碱洗罐为多个氢氧化钠烟气收集装置或氢氧化钾烟气收集装置。氢氧化钠以及氢氧化钾的溶液浓度可根据实际需要进行设置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，该装置通过两个管式炉实现了试样和催化剂的单独温度控制，便于通过温度控制催化剂的活性，同时也保证了试样的腐蚀试验温度的设定不受催化剂影响。实验装置整体上结构简单，布局合理，可采用现有的几种设备实施烟灰腐蚀或烟气腐蚀的模拟，另外，上述装置可以同时评价多种金属材质的耐烟灰腐蚀性能。本发明还提供了一种实验方法，该方法简单易行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置示意图；

图2为金属试样结构图；

图3为实验例1试验后试样的宏观形貌；

图4为实验例2试验后试样的宏观形貌。

具体实施方式

现将详细地提供本发明实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行多种修改和变化而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，参照图1所示，该模拟实验装置包括从左至右(沿图中气路通道的箭头指示方向)依次设置的模拟烟气系统、管式炉1、管式炉2和烟气处理装置。在管式炉1内设置有催化剂放置区。本实施例中，在管式炉2内设置有3处试样放置区，用于放置试片，模拟烟气系统、管式炉1、管式炉2与烟气处理装置依次通过管路连接。

模拟烟气系统包括烟气进气系统和氩气罐(即为排空气体储罐)。本实施例中，烟气进气系统由混合烟气罐组成，混合烟气罐内由体积比为81.5％的氮气、5％的氧气、13％的二氧化碳和0.15％的二氧化硫组成。在其他实施方式中，上述烟气进气系统中的混合烟气组成可以根据实际拟模拟的烟气组成进行混合配伍。

排空气体储罐和烟气混合罐通过设置进气管路与管式炉1的被加热介质进口相连。管式炉1的被加热介质出口通过烟气转接管与管式炉2的被加热介质进口连通，管式炉2的被加热介质出口通过烟气处理管连接烟气处理装置。

本实施例中烟气处理装置包括三个氢氧化钠池，且两两氢氧化钠池通过烟气吸收管连通。

本实施例提供了一种使用上述模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置进行烟灰腐蚀或烟气腐蚀模拟实验的方法，该方法包括：

(1)先将待测试样预制凹槽，空白对照和待测试样均需预制相同大小相同深度的凹槽(金属试样的结构图参照图2所示)，经过清洗、称重、预处理后备用；然后将模拟烟灰组分的盐充分研磨成细粉，取适量均匀分散于待测试样表面凹槽区域(在其他实施方式中，对于不易水解的盐类，可以将其配制成一定浓度的盐溶液，再将盐溶液滴于试样的凹槽区域，烘干后备用)；

(2)将试样以一定间隙并排摆于石英架上，置于管式炉内的耐火砖上；将管式炉密封，连接好管路；

(3)通过管路上设置的三通阀对Ar气和烟气进行先后切换；分别开启装有试样和催化剂的管式炉的加热程序，使试样管式炉温度上升到试验温度，管式炉1上升至能将SO₂部分催化转化成SO₃的适当温度(锅炉烟气的主要成分是氮气、氧气、二氧化碳和二氧化硫，另外还含有少量的三氧化硫等其它气体，由于三氧化硫在常温状态下是液态，配制模拟烟气无法添加三氧化硫，模拟烟气流经管式炉1使得部分SO₂转化成SO₃，使得预处理后的模拟烟气更加贴合实际烟气)；

(4)待两个管式炉升至目标温度后，开始计时；

(5)试验结束后，取出试样，观察试样表面腐蚀形貌，并做腐蚀产物物相分析；

(6)用洗液清除试样表面腐蚀产物后，根据失重计算腐蚀速率。

上述试样腐蚀速率采用如下公式进行计算：

V₀＝8.76×10⁹×Δm₀/(s·t·ρ) (1)

V₁＝8.76×10⁹×(Δm₁-Δm₀)/(s₁·t·ρ) (2)

V_C＝V₁+V₀ (3)

式中：V₀为空白试样的高温氧化腐蚀速率，mm/a；

V₁为烟灰对待测试样所形成的腐蚀速率，mm/a；

V_c为附着烟灰的待测试样的总腐蚀速率，mm/a；

Δm₀为空白试样的腐蚀失重，g；

Δm₁为附着烟灰待测试样的腐蚀失重，g；

s为试样表面积，mm²；

s₁为试样凹槽区域的面积，mm²；

ρ为试验材料的密度，kg/m³；

t为试验时间，h。

实验例1

称取0.06g的焦硫酸钠均匀分散于304不锈钢试样的凹槽区域，然后将上述分散有焦硫酸钠的304不锈钢试样与304不锈钢空白试样一起放入管式炉内升温至370℃，并通入烟气(混合烟气罐内由体积比为81.5％的氮气、5％的氧气、13％的二氧化碳和0.15％的二氧化硫组成)，试验时间为96个小时。采用图1所示的实验装置图进行模拟实验。

图3为试验后空白试样(图3中的a图)和分散有焦硫酸钠的试样(图3中的b图)的宏观形貌。清洗试样后，根据失重计算得到 304不锈钢试样的高温氧化腐蚀速率为0.022mm/a，焦硫酸钠所造成的腐蚀速率为0.064mm/a，试样总的腐蚀速率为0.084mm/a。

实验例2

将偏钒酸钠和五氧化二钒按摩尔比10:7的比例混合研磨均匀，称取0.06g研磨混匀后的混合物均匀分散于304不锈钢试样的凹槽区域，然后将上述分散有偏钒酸钠和五氧化二钒混合物的304不锈钢试样与304不锈钢空白试样一起放入管式炉内升温至600℃，并通入烟气(混合烟气罐内由体积比为81.5％的氮气、5％的氧气、13％的二氧化碳和0.15％的二氧化硫组成)，试验时间为96个小时。采用图1所示的实验装置图进行模拟实验。

图4为试验后空白试样(图4中的a图)和分散有偏钒酸钠和五氧化二钒混合物试样(图4中的b图)的宏观形貌。清洗试样后，根据失重计算得到304不锈钢试样的高温氧化腐蚀速率为0.019mm/a，偏钒酸钠和五氧化二钒所造成的腐蚀速率为1.203mm/a，试样总的腐蚀速率为1.222mm/a。

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 (10)

1.烟灰腐蚀或烟气腐蚀模拟实验的方法，其特征在于，所述方法包括将催化剂放置于管式炉1内的催化剂放置区，将空白试样以及表面分散有烟灰介质的待测试样放置于管式炉2内的试样放置区，向所述管式炉1通入模拟烟气以对模拟烟气进行预处理，然后将预处理后的模拟烟气通入管式炉2中，待反应结束后，清除试样表面的腐蚀产物，根据试样失重计算试样腐蚀速率；所述待测试样的测试面具有凹槽，将模拟烟灰组分的盐分散于所述待测试样表面的凹槽内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试样腐蚀速率采用如下公式进行计算：

V₀＝8.76×10⁹×Δm₀/(s·t·ρ) (1)

V₁＝8.76×10⁹×(Δm₁-Δm₀)/(s₁·t·ρ) (2)

V_C＝V₁+V₀ (3)

式中：V₀为空白试样的高温氧化腐蚀速率，mm/a；

V₁为烟灰对待测试样所形成的腐蚀速率，mm/a；

V_c为附着烟灰的待测试样的总腐蚀速率，mm/a；

Δm₀为空白试样的腐蚀失重，g；

Δm₁为附着烟灰待测试样的腐蚀失重，g；

s为试样表面积，mm²；

s₁为试样凹槽区域的面积，mm²；

ρ为试验材料的密度，kg/m³；

t为试验时间，h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟烟灰组分的盐为固体或液体，当所述模拟烟灰组分的盐为液体时，在放入所述试样放置区前进行干燥处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通入模拟烟气包括先通入排空气体进行吹扫，然后切入烟气，开启所述管式炉1和所述管式炉2的加热程序。

5.一种模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，其特征在于，其包括模拟烟气系统、管式炉1、管式炉2和烟气处理装置，所述管式炉1内设置有催化剂放置区，所述管式炉2内设置有试样放置区，所述模拟烟气系统、所述管式炉1、管式炉2与所述烟气处理装置依次通过管路连接，所述模拟烟气系统包括烟气进气系统。

6.根据权利要求5所述的模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，其特征在于，所述模拟烟气系统还包括气体排空系统，所述气体排空系统包括排空气体储罐，所述烟气进气系统包括烟气混合罐，所述排空气体储罐和所述烟气混合罐通过设置进气管路与所述管式炉1的被加热介质进口相连。

7.根据权利要求6所述的模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，其特征在于，所述烟气进气系统中的储气组成包括：氮气、氧气、二氧化碳和二氧化硫。

8.根据权利要求6所述的模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，其特征在于，所述进气管路上设置有三通阀，所述排空气体储罐为氩气罐。

9.根据权利要求5所述的模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，其特征在于，所述管式炉1的被加热介质出口通过烟气转接管与所述管式炉2的被加热介质进口连通，所述管式炉2的被加热介质出口通过烟气处理管连接所述烟气处理装置，所述烟气处理装置为烟气碱洗罐。

10.根据权利要求9所述的模拟烟灰腐蚀或烟气腐蚀的实验装置，其特征在于，所述管式炉2内设置有至少两个试样放置区。

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