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镍基合金在烟气脱硫技术中的应用
摘 要
介绍在烟气脱硫FGD设备中常用的镍基合金，根据不同类型镍基合金的适应能力选择能经受
FGD 环境条件的镍基合金，重点是各类合金技术条件的化学成分以满足在低pH 值下盐酸溶液中耐蚀性能的
要求，同时简述FGD设备中几种有效的镍基合金结构型式和加工制造技术。
以煤油为主要燃料的工业企业，在其生产过程中通常都要产生一定数量的 S O 2，并随烟气排入大气给环境造成很大的危害，为了消除S O 2 的污染，开发烟气脱硫技术自然成为主要目标。
1974 年起发达国家在开发各种烟气脱硫的成套装置（Flue Gas Desulphurization 简称FGD ）系统中已经对脱硫技术取得了显著的成效，并在电厂安装了大型烟气脱硫装置。烟气脱硫工艺方法主要是石灰石湿法脱硫，除此以外，还有石灰浆液旋转喷雾法、半干法、炉内喷钙干法、电子束烟气脱硫、海水脱硫等。在化学反应机理上，烟气脱硫必然产生一定酸性程度的吸收液，所以FGD设备中必须采用能抗酸性的耐蚀性材料。
镍基合金由于具有良好的耐蚀性，所以选择和应用适当的镍基合金和不锈钢材料是 F G D设备中的关键问题，也是烟气脱硫成本及效益兼得的可行方法，使 F G D 设备整个寿命期内维修成本低，设备利用率高。大型燃烧设备，如发电厂锅炉排烟的脱硫遇到了各种材料问题，特别是当燃烧含有氯化物的高硫煤时，问题就更为复杂。
1.镍基合金的耐腐蚀性
镍基合金通常定义为主要含镍或镍是一种主要元素的一种合金材料。由于镍基合金表面有一层钝化膜，所以具有耐蚀性。这层钝化膜含有大量的铬和氧，当这层膜遭到破坏时，只要氧存在，这层膜也能提供耐蚀性。
增加铬和镍、钼和其它合金元素的含量可以提高镍基合金的耐蚀性，铬是提供镍基合金材料的耐腐蚀能力，镍能帮助受损的保护膜重新恢复钼能提高抗点蚀和缝隙腐蚀能力，镍还能提高加工性能，特别是提高焊接性能。
镍基合金是在生产过程中按最高标准制造的整体材料，用于制造 FGD 设备的关键部件，提供众所周知的特性。
2.如何选择镍基合金
设计 F G D 设备时所面临的问题是根据烟气特性确定材料的技术条件，材料的技术条件应该是在最低成本下满足对 F G D 吸收塔环境下的耐腐蚀性能。由于燃料燃烧后的产物所使用的水的质量、吸收塔的设计特点和所采用的种类不同，对每一种吸收塔环境条件都是独特的。
大量研究工作表明不同的氯离子浓度、p H值和温度对 F G D 装置上所用镍基合金材料的性能影响很大。局部侵蚀与pH 值和氯化物含量之间有相关关系，可以用来确定所用镍基合金的极限条件，以及 F G D 设备那些更需要使用耐腐蚀的镍基合金等的地方。
目前已经研究出有助于最大成本及效益选择镍铬钼合金材料的性能序列。以氯化物浓度和pH 值为基础
对石灰石--石膏工艺在正常操作温度为50~65的条件下，提出了从弱到非常强的不同程度腐蚀性条件下用于 F G D 吸收塔的不锈钢和镍基合金的选择指南。镍基合金的名义成份如表2所示，在冶炼过程中可以严格控制合金元素之间的配比。
3.1 整体金属
用整体金属建造的成本大大高于采用轧制复合或贴衬板的成本
3.2 轧制复合
多年来已经成功地应用不锈钢和各种镍基合金轧制的复合板，而且加工技术已经成熟。最近镍基合金625 和 C-276合金复合板已经制造成功，经过在 F G D 系统大面积的试验后，正被用于 F G D 装置的建造。在EPRI论文[ 2 ]中，建造FGD 装置的轧制复合板采用了厚度为 6 . 4 mm 的基板，1 . 6 mm厚的合金衬，成本较整体金属低10%~50%。轧制复合与贴衬板相比，对于同样是C-276镍基合金，轧制复合比贴衬板贵大约25%，而对于某些其它合金，则几乎没有差别。
在制造 F G D 设备中，对镍基合金625和镍基合金C-276薄规格复合板已经开发了许多不同的焊接接头型式和焊接工艺，每种型式都能满足特殊的环境。
3.3 贴壁纸（贴衬板）
金属贴板原理在F G D 设备中应用最普遍，如对管道、吸收塔、烟囱和类似的装置部件都已经使用镍基合金625 和C-276 或 C-22 来作衬板而，C-276 使用最广泛。
F G D 吸收塔用衬板已经发表了大量的文章，成功地制造这种装置的一些基本点如下：
（1）准备
焊接镍基合金之前必须彻底进行清洁，尤其在用薄金属衬替代之前或可能引起焊缝缺陷的垢清理之前要十分小心。对于污垢或表面杂质，首先可用喷砂去除，喷砂既可用干法也可用湿法。如果表面已被腐蚀，特别是点蚀必须用化学方法处理表面以便中和残留的腐蚀产物。例如用碱溶液去中和酸腐蚀产物任何突出部分，如焊缝的补焊应该修磨到允许贴衬后与基板取平。
（2）定位焊和焊缝
气体保护金属极电弧焊广泛地用于定位焊和缝焊，既可以使用脉冲电弧也可使用短周期转换型电弧。
气体保护金属极电弧焊GMAW和气体保护钨极电弧焊GTAW所用的焊丝都是镍铬钼类合金。它们是：
合金 焊丝（美国焊接协会规定）
镍基合金inonel625 ENiCrMo-3
哈氏合金C276 ENiCrMo-4
哈氏合金C-22 ENiCrMo-10（暂定）
一般的焊接程序是首先把薄板通过定位焊固定到基板上，按点焊顺序进行，薄板最后部分被定位后不能从基板拉开。第二和第三薄板补定位，在薄板上重叠厚度大约25 mm，倒角均匀。密封缝焊是合金对合金焊接，所以只要不烧透，就不会出现焊缝受基板稀释问题。
（3）塞焊
塞焊或点焊即使都一样地需要，但从优先选择焊接类型而言，这两者是有区别的。尽管对塞焊的需要还有争论，但是大型 FGD 吸收塔衬板已经采用塞焊，衬板宽度最宽 0.91 m 或 1.2 m。气体保护氩弧焊焊丝最大电流为400A，1 .6 m m 厚的 C-276镍基合金焊接时间5秒，采用自动焊接，气体保护金属极电弧点焊可以减少焊接时间，降低制造成本。
4.烟气脱硫装置实例
上海锅炉厂有限公司在1999 年10月成功配合设计及制造了由美国MARSULEX公司总承包、安装于越南法莱电厂配2台300MW机组，代表当今300M W燃煤机组烟气脱硫最先进技术的烟气脱硫的成套装置，
该装置脱硫流程图见图 2
其中的 2 台吸收塔按 API-65 0 进行设计，其结构设计相当复杂，直径达 11.5m，高 20m，壳体材料 A36，
内件有镍基合金C276三层锥形板支撑和三层衬C276支撑梁，并且内表面要全衬氯丁橡胶。对于这个新的产品，国内是第一次配合设计，第一次制造。它的成功设计制造结束了国内无法设计制造大机组脱硫装置的历史，为国内电厂环保要求将来增加脱硫装置树立了一个里程碑，同时更加增强我公司在环保这个新的经济增长点中的竞争力。
5.结论
（1）镍基合金由于良好的耐蚀性能，被广泛用于烟气脱硫技术中。根据烟气特性选择合适和经济的镍基合金，可以保证FGD 环境条件下的耐蚀性能。
（2）为确保FGD设备成本有效地降低，可以在设备设计中充分考虑镍基合金材料所用比例、设备制造费用、运行维护及寿命，选择有效益的镍基合金材料结构型式，在 F G D 装置中已经开发成功的可靠的贴衬板型式已被实践证明性能是很好的，既可适用车间制造也可适应现场组装。
（3）镍基合金对其本身、碳钢和低合金钢的加工制造性能都很好，在具体实施中要有可靠的焊接工艺确保其焊接性能和可靠的表面预处理措施确保镍基合金其表面的清洁及耐蚀性能。
介绍在烟气脱硫FGD设备中常用的镍基合金，根据不同类型镍基合金的适应能力选择能经受
FGD 环境条件的镍基合金，重点是各类合金技术条件的化学成分以满足在低pH 值下盐酸溶液中耐蚀性能的
要求，同时简述FGD设备中几种有效的镍基合金结构型式和加工制造技术。
以煤油为主要燃料的工业企业，在其生产过程中通常都要产生一定数量的 S O 2，并随烟气排入大气给环境造成很大的危害，为了消除S O 2 的污染，开发烟气脱硫技术自然成为主要目标。
1974 年起发达国家在开发各种烟气脱硫的成套装置（Flue Gas Desulphurization 简称FGD ）系统中已经对脱硫技术取得了显著的成效，并在电厂安装了大型烟气脱硫装置。烟气脱硫工艺方法主要是石灰石湿法脱硫，除此以外，还有石灰浆液旋转喷雾法、半干法、炉内喷钙干法、电子束烟气脱硫、海水脱硫等。在化学反应机理上，烟气脱硫必然产生一定酸性程度的吸收液，所以FGD设备中必须采用能抗酸性的耐蚀性材料。
镍基合金由于具有良好的耐蚀性，所以选择和应用适当的镍基合金和不锈钢材料是 F G D设备中的关键问题，也是烟气脱硫成本及效益兼得的可行方法，使 F G D 设备整个寿命期内维修成本低，设备利用率高。大型燃烧设备，如发电厂锅炉排烟的脱硫遇到了各种材料问题，特别是当燃烧含有氯化物的高硫煤时，问题就更为复杂。
1.镍基合金的耐腐蚀性
镍基合金通常定义为主要含镍或镍是一种主要元素的一种合金材料。由于镍基合金表面有一层钝化膜，所以具有耐蚀性。这层钝化膜含有大量的铬和氧，当这层膜遭到破坏时，只要氧存在，这层膜也能提供耐蚀性。
增加铬和镍、钼和其它合金元素的含量可以提高镍基合金的耐蚀性，铬是提供镍基合金材料的耐腐蚀能力，镍能帮助受损的保护膜重新恢复钼能提高抗点蚀和缝隙腐蚀能力，镍还能提高加工性能，特别是提高焊接性能。
镍基合金是在生产过程中按最高标准制造的整体材料，用于制造 FGD 设备的关键部件，提供众所周知的特性。
2.如何选择镍基合金
设计 F G D 设备时所面临的问题是根据烟气特性确定材料的技术条件，材料的技术条件应该是在最低成本下满足对 F G D 吸收塔环境下的耐腐蚀性能。由于燃料燃烧后的产物所使用的水的质量、吸收塔的设计特点和所采用的种类不同，对每一种吸收塔环境条件都是独特的。
大量研究工作表明不同的氯离子浓度、p H值和温度对 F G D 装置上所用镍基合金材料的性能影响很大。局部侵蚀与pH 值和氯化物含量之间有相关关系，可以用来确定所用镍基合金的极限条件，以及 F G D 设备那些更需要使用耐腐蚀的镍基合金等的地方。
目前已经研究出有助于最大成本及效益选择镍铬钼合金材料的性能序列。以氯化物浓度和pH 值为基础
对石灰石--石膏工艺在正常操作温度为50~65的条件下，提出了从弱到非常强的不同程度腐蚀性条件下用于 F G D 吸收塔的不锈钢和镍基合金的选择指南。镍基合金的名义成份如表2所示，在冶炼过程中可以严格控制合金元素之间的配比。
- 制造
3.1 整体金属
用整体金属建造的成本大大高于采用轧制复合或贴衬板的成本
3.2 轧制复合
多年来已经成功地应用不锈钢和各种镍基合金轧制的复合板，而且加工技术已经成熟。最近镍基合金625 和 C-276合金复合板已经制造成功，经过在 F G D 系统大面积的试验后，正被用于 F G D 装置的建造。在EPRI论文[ 2 ]中，建造FGD 装置的轧制复合板采用了厚度为 6 . 4 mm 的基板，1 . 6 mm厚的合金衬，成本较整体金属低10%~50%。轧制复合与贴衬板相比，对于同样是C-276镍基合金，轧制复合比贴衬板贵大约25%，而对于某些其它合金，则几乎没有差别。
在制造 F G D 设备中，对镍基合金625和镍基合金C-276薄规格复合板已经开发了许多不同的焊接接头型式和焊接工艺，每种型式都能满足特殊的环境。
3.3 贴壁纸（贴衬板）
金属贴板原理在F G D 设备中应用最普遍，如对管道、吸收塔、烟囱和类似的装置部件都已经使用镍基合金625 和C-276 或 C-22 来作衬板而，C-276 使用最广泛。
F G D 吸收塔用衬板已经发表了大量的文章，成功地制造这种装置的一些基本点如下：
（1）准备
焊接镍基合金之前必须彻底进行清洁，尤其在用薄金属衬替代之前或可能引起焊缝缺陷的垢清理之前要十分小心。对于污垢或表面杂质，首先可用喷砂去除，喷砂既可用干法也可用湿法。如果表面已被腐蚀，特别是点蚀必须用化学方法处理表面以便中和残留的腐蚀产物。例如用碱溶液去中和酸腐蚀产物任何突出部分，如焊缝的补焊应该修磨到允许贴衬后与基板取平。
（2）定位焊和焊缝
气体保护金属极电弧焊广泛地用于定位焊和缝焊，既可以使用脉冲电弧也可使用短周期转换型电弧。
气体保护金属极电弧焊GMAW和气体保护钨极电弧焊GTAW所用的焊丝都是镍铬钼类合金。它们是：
合金 焊丝（美国焊接协会规定）
镍基合金inonel625 ENiCrMo-3
哈氏合金C276 ENiCrMo-4
哈氏合金C-22 ENiCrMo-10（暂定）
一般的焊接程序是首先把薄板通过定位焊固定到基板上，按点焊顺序进行，薄板最后部分被定位后不能从基板拉开。第二和第三薄板补定位，在薄板上重叠厚度大约25 mm，倒角均匀。密封缝焊是合金对合金焊接，所以只要不烧透，就不会出现焊缝受基板稀释问题。
（3）塞焊
塞焊或点焊即使都一样地需要，但从优先选择焊接类型而言，这两者是有区别的。尽管对塞焊的需要还有争论，但是大型 FGD 吸收塔衬板已经采用塞焊，衬板宽度最宽 0.91 m 或 1.2 m。气体保护氩弧焊焊丝最大电流为400A，1 .6 m m 厚的 C-276镍基合金焊接时间5秒，采用自动焊接，气体保护金属极电弧点焊可以减少焊接时间，降低制造成本。
- 试验与检验
4.烟气脱硫装置实例
上海锅炉厂有限公司在1999 年10月成功配合设计及制造了由美国MARSULEX公司总承包、安装于越南法莱电厂配2台300MW机组，代表当今300M W燃煤机组烟气脱硫最先进技术的烟气脱硫的成套装置，
该装置脱硫流程图见图 2
其中的 2 台吸收塔按 API-65 0 进行设计，其结构设计相当复杂，直径达 11.5m，高 20m，壳体材料 A36，
内件有镍基合金C276三层锥形板支撑和三层衬C276支撑梁，并且内表面要全衬氯丁橡胶。对于这个新的产品，国内是第一次配合设计，第一次制造。它的成功设计制造结束了国内无法设计制造大机组脱硫装置的历史，为国内电厂环保要求将来增加脱硫装置树立了一个里程碑，同时更加增强我公司在环保这个新的经济增长点中的竞争力。
5.结论
（1）镍基合金由于良好的耐蚀性能，被广泛用于烟气脱硫技术中。根据烟气特性选择合适和经济的镍基合金，可以保证FGD 环境条件下的耐蚀性能。
（2）为确保FGD设备成本有效地降低，可以在设备设计中充分考虑镍基合金材料所用比例、设备制造费用、运行维护及寿命，选择有效益的镍基合金材料结构型式，在 F G D 装置中已经开发成功的可靠的贴衬板型式已被实践证明性能是很好的，既可适用车间制造也可适应现场组装。
（3）镍基合金对其本身、碳钢和低合金钢的加工制造性能都很好，在具体实施中要有可靠的焊接工艺确保其焊接性能和可靠的表面预处理措施确保镍基合金其表面的清洁及耐蚀性能。
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