石油化学工業における空気予熱器の低温煙ガスによる腐食およびスケール発生の原因分析

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この投稿は、2021年2月15日12時36分に王巍2によって最終的に編集されました。石油化学プラントの空気予熱器における低温排ガスによる腐食およびスケール発生の原因分析 1. 低温露点腐食のメカニズム SO3の生成について、一般的な燃料油や燃料ガスには少量の硫黄が含まれており、硫黄が燃焼するとすべてSO2に変わります。燃焼室内には過剰な酸素が存在するため、そのSO2の一部がさらに酸素と反応してSO3を生成します。通常の過剰空気条件では、全SO2の約1～3％がSO3に変換される。高温の煙ガス中のSO3ガスは金属を腐食しないが、煙ガスの温度が400℃以下に下がると、SO3は水蒸気と反応して硫酸蒸気を生成する。その反応式は次の通りである：SO3 + H2O = H2SO4。硫酸蒸気が炉の後部の加熱面に凝縮すると、低温硫酸露点腐食が発生する。同時に、低温の加熱面に凝結したこの硫酸液は、煙ガス中のほこりと付着して取り除きにくい汚れを形成し、煙ガスの流路を塞いだり、さらには閉塞させたりする。 2、腐食速度と壁温の関係 煙ガス中の硫酸蒸気と水蒸気は、冷たい表面に触れると凝縮を始め、その凝縮液中の硫酸濃度は非常に高くなる。一部の水蒸気が凝縮するため、煙ガス中の硫酸と水蒸気の濃度は低下する（ただし前者の低下が大きく、後者の低下は小さい）。その結果、煙ガスの露点も低下する。煙ガスが前方に流れ続けるうちにより低温の表面に遭遇するため、煙ガス中の水蒸気はさらに凝結し続けるが、凝結した液体中の硫酸濃度は徐々に低下していく。したがって、煙ガス中の硫酸の濃度は徐々に低下する。煙ガス凝縮液中の硫酸濃度が、熱交換面の腐食速度に最も大きな影響を与える。濃硫酸の鋼材に対する腐食速度は非常に遅く、一方、薄硫酸の腐食速度が最も速い。 上記は、硫酸濃度が腐食速度に与える影響のみです。しかし、運転中の実際の腐食速度は、鋼材の温度にも関係している。温度が高いと、化学反応の速度が速くなり、（同じ濃度の硫酸において）腐食の速度も速くなる。尾部の加熱面における実際の腐食状況は、もちろん結露濃度と壁温の両方に関係している。壁温が高く結露していない場合、腐食速度は非常に低い；結露が始まると、できた露の硫酸濃度が高すぎるため、壁温が高くても腐食速度はそれほど高くない；温度が低い熱交換面では、壁温は低下するものの、結露中の硫酸濃度が薄くなるため腐食速度が加速し、ある点で最大値に達する（一般的に露点温度より10～40℃低いところである）；その後、硫酸の濃度が低く、温度も低かったため、腐食速度は低下した。最後に、壁温が非常に低いため水蒸気が大量に凝結し、腐食速度も比較的激しくなる。 3、スケール発生の原因分析　原因は主に以下の通りです：（1）予熱器の構造設計が不適切で、下部に溝があるため、液体や不純物が溜まりやすく、最終的に物質同士の化学反応によってスケールが発生します。(2) 灰除去装置がなく、フィンに付着した灰が適時に除去されないため、灰が水蒸気と混ざって固体状になり、フィンチューブが局部的に詰まる。（3）予熱器の入口風温が低く、元の設計温度は20℃であるが、冬季の環境温度はマイナス26℃に達するため、風と煙ガスの熱交換量が多くなり、予熱器の末端温度が過度に低下する。この低温状態では水蒸気が発生し、煙道の内張りの粉化物と共にフィンの間に堆積して、最終的に予熱器の詰まりや炉の負圧低下を引き起こす。（4）炉頂から予熱器の煙道までの40メートル以上にわたる約150平方メートルの範囲に敷かれている、厚さ100mmの高密度鋳造材製のライニングは、熱伝導率が高く放熱損失も大きい。冬場には気温がマイナス26℃になると、ライニングの内面に結露が発生し、それによってライニングが粉状になってしまう。この粉状物質は煙気とともに予熱器に運ばれ、予熱器内のほこりの蓄積を悪化させる。（5）予熱器の断熱性能が悪く、器壁に近い部分の温度が容易に120℃を下回り、低温腐食や凝縮液が発生する。 上記の数々の理由により、最終的に予熱器の管群に大量のスケールが付着することになる。煙ガスの構造はかなり複雑ですが、主に硫酸塩成分で構成されています。その熱伝導率は金属よりもはるかに低く、一般的には0.058～5.8W/(m•℃)である。金属製の鋼管の熱伝導率はスケールのそれよりも6～10倍高く、つまり同じ伝熱面積であれば、スケールの熱抵抗は金属の6～10倍大きくなる。熱交換管の熱抵抗が増大し、最終的に使用できなくなる。