黄磷尾气对燃气设备高温腐蚀行为及燃烧特性研究

发布时间：2017-08-26 05:09

  本文关键词：黄磷尾气对燃气设备高温腐蚀行为及燃烧特性研究

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【摘要】：黄磷尾气是高热值、但杂质含量复杂的工业尾气,由于有磷、硫等杂质的存在,尾气利用过程中,短时间内使设备严重腐蚀而失效,利用率不足50%,其余是火炬燃烧后排入大气,既浪费了有价、宝贵的CO资源,又污染了大气环境,资源高消耗、环境严重污染制约了黄磷行业的健康发展。有效利用黄磷尾气,是磷化工多年来国内外的研究热点。黄磷尾气杂质及含量、燃烧利用过程形成的燃烧产物、腐蚀产物演化过程、腐蚀类型、燃烧特性,是决定黄磷尾气有效利用的关键因素。本论文通过测定黄磷原料、炉气以及尾气成份,进行了定性、定量分析,获得了真实有效的数据,开展了黄磷尾气燃烧现场腐蚀研究和模拟实验腐蚀研究,同时对磷单组分腐蚀、磷-硫共存腐蚀环境下,不同材料的腐蚀产物组织结构和形貌进行了鉴定和分析,揭示了其腐蚀机理；提出了磷的腐蚀露点概念,研究了尾气混合气COx-POx-NOx-H2O的腐蚀露点,验证了PH3是加速黄磷尾气燃气对设备的腐蚀设想；采用传统燃气燃烧理论,开展了燃烧特性研究,提出了黄磷尾气混合体系平均质量、平均动力粘度、平均理论燃烧温度等指标,为对黄磷尾气的资源化利用提供了科学的理论依据。论文揭示了黄磷尾气燃气最新成果,归纳总结正确。1、采用传统腐蚀机理理论研究——电化学方法与实际烧蚀部件鉴定、分析方法相结合,开展了黄磷尾气资源化利用过程中燃气对设备腐蚀行为研究。在本课题组发明的系列腐蚀研究专利装置中,研究不同材料的样件,在磷酸腐蚀、硫酸-硫酸协同腐蚀环境下的腐蚀产物的形成机制；通过XRD、XPS、SEM等腐蚀产物形貌和组织结构鉴定、分析,揭示了黄磷尾气燃气腐蚀类型是电化学腐蚀、晶界腐蚀、露点腐蚀、高温腐蚀、硫化物应力开裂(SSC)、连多硫酸晶间腐蚀共存。腐蚀动力学研究表明：(1)在磷酸环境COx-POx-NOx-H2O下,材料年腐蚀速率为：Q245R16MnR304316L；低温耐磷酸腐蚀性能：16MnRQ245R;高温耐磷酸腐蚀性能：316L30416MnRQ245R。(2)在磷酸-硫酸共存环境COx-POx-SO-NOx-H2O下,材料腐蚀速率为：16MnRQ245R304316L合金；高温耐磷酸-硫酸腐蚀性能：合金316L30416MnRQ245R。2、采用腐蚀动力学和腐蚀热力学研究,结合新的理论计算方法,提出了磷的露点腐蚀概念。通过测定、分析不同材料在不同低温下的腐蚀极化曲线(Polarizationalcuvers)、塔菲尔曲线(Tafel cuvers)、腐蚀交流阻抗(AC impedance corroded),分析磷环境下及磷-硫共存环境下腐蚀动力学曲线,运用Gibbs相律,推导黄磷尾气多成分混合气COx-POx-NOx-H2O体系磷酸露点计算式,通过现场腐蚀研究和实验模拟腐蚀研究,获得了磷环境下的低温腐蚀露点、高温磷腐蚀露点、高温磷-硫共存腐蚀露点,验证了PH3加速了燃气对设备的腐蚀的设想。(1)在磷酸环境POx-NOx-COx-H2O尾气体系,Q245R、304、316L、合金,高温磷酸的露点温度均为300℃-350℃；16MnR高温腐蚀露点为700℃。(2)在磷-硫共存环境POx-SOx-NOx-COx-H2O尾气混合体系中,Q245R、304、316L、合金,露点腐蚀温度为300℃-350℃。黄磷尾气混合体系CO-H2-CH4-H2S-PH3-COS-SC2-P4的腐蚀露点,与理论计算温度为358.25℃相符,表明PH3加速了燃气对设备的腐蚀。3、采用理论计算与实际检测相结合研究方法,开展了黄磷尾气燃气燃烧特性研究。在本课题组发明的专利装置中,利用Tanford扩散理论、ESCMO湍流燃烧等理论,测定实际黄磷尾气燃烧的温度、不同空气过剩系数下的燃烧温度场分布,研究火焰的辐射特性,获得了黄磷尾气燃气燃烧时的温度场、流场分布。结合采用热力学软件Factsage6.1,计算CO-H2-CH4-H2S-PH3-COS-SC2-P4体系下,不同温度的熵变、焓变、比热吉布斯自由能变、平衡常数等。采用传统燃气燃烧理论,提出了黄磷尾气混合体系CO-H2-CH4-H2S-PH3-COS-SC2-P4平均质量为28.48806667 g/mol,平均动力粘度为1.68232E-05(Pa.s),着火点为100℃,平均理论燃烧温度为2017.267℃,平均燃烧特征系数β=0.283646933；最佳空气过剩系数α：净化前α=1.2-1.4,净化后α=1.3,理论计算α=1.02等,为黄磷尾气燃气利用提出了理论依据。4、结合以上研究成果,成功开发了系列黄磷尾气燃气锅炉,实现了黄磷企业几十年一直要做而未能做的黄磷尾气燃气锅炉产业化应用。
【关键词】：黄磷尾气 资源化利用 磷腐蚀露点 磷硫协同腐蚀 燃烧特性
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X78
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第1章 绪论14-42
• 1.1 黄磷尾气的产生14-17
• 1.2 国内外黄磷尾气的利用、研究现状及发展趋势17-19
• 1.3 国内外腐蚀研究现状19-32
• 1.3.1 腐蚀学科的发展20
• 1.3.2 磷腐蚀20-21
• 1.3.3 硫和CO_2腐蚀21-24
• 1.3.4 露点腐蚀24-29
• 1.3.5 高温腐蚀29-30
• 1.3.6 腐蚀热力学30-32
• 1.4 国内外含CO燃料技术研究现状32-34
• 1.5 研究方向的提出34
• 1.6 研究内容34-35
• 1.7 技术路线35-37
• 1.7.1 黄磷尾气燃气腐蚀研究35-37
• 1.7.2 黄磷尾气燃气燃烧特性研究37
• 1.8 论文工作的主要成果、创新点37-42
• 1.8.1 论文工作的主要成果37-40
• 1.8.2 创新点40-42
• 第2章 试验与分析方法42-57
• 2.1 试验方法及标准42
• 2.1.1 腐蚀研究试验方法及标准42
• 2.1.2 烟气成分测定标准42
• 2.2 实验材料42-46
• 2.3 实验设备46-48
• 2.4 实验样品制备48-50
• 2.5 研究方法50-57
• 2.5.1 尾气及杂质成分、含量测定50
• 2.5.2 腐蚀研究50-53
• 2.5.3 黄磷尾气燃气燃烧特性研究53-54
• 2.5.4 防止或减缓磷对材料腐蚀的方法研究54
• 2.5.5 检测方法54-57
• 第3章 实际黄磷尾气烧蚀部件的腐蚀产物组织特征57-109
• 3.1 黄磷尾气生产工艺57-58
• 3.1 黄磷尾气成分58-67
• 3.1.1 黄磷生产原料成分测定58-61
• 3.1.2 实际黄磷尾气成分及烟气成分测定61-67
• 3.2 实际黄磷尾气燃气烧蚀构件的腐蚀显微特征67-82
• 3.2.1 实际黄磷尾气燃气烧蚀构件的垢渣和结晶体71-81
• 3.2.2 实际黄磷尾气燃气设备现场烧蚀金属构件81-82
• 3.3 实际黄磷尾气燃气挂件腐蚀研究82-103
• 3.3.1 研究挂件82-85
• 3.3.2 送检样品85-86
• 3.3.3 实际黄磷尾气燃烧腐蚀挂件腐蚀产物XRD、SEM、EDS86-103
• 3.4 实际黄磷尾气燃气烧蚀构件腐蚀机理分析103-107
• 3.5 本章小结107-109
• 第4章 黄磷尾气腐蚀动力学109-162
• 4.1 试样的变化111-115
• 4.1.1 单组分磷酸腐蚀111-112
• 4.1.2 磷酸-硫酸共存环境下的腐蚀112-115
• 4.2 单组份磷酸环境115-144
• 4.2.1 研究条件115-117
• 4.2.2 Q245R117-128
• 4.2.3 304不锈钢128-135
• 4.2.4 316L不锈钢135-137
• 4.2.5 16MnR137-142
• 4.2.6 低温腐蚀研究分析142-143
• 4.2.7 磷腐蚀结论143-144
• 4.3 磷酸-硫酸共存环境144-160
• 4.3.1 研究条件144-145
• 4.3.2 Q245R145-147
• 4.3.3 304不锈钢147-149
• 4.3.4 316L不锈钢149-151
• 4.3.5 合金151-153
• 4.3.6 不同材料腐蚀动力学及腐蚀速率对比153-155
• 4.3.7 年腐蚀速率155
• 4.3.8 腐蚀动力学趋势方程155-156
• 4.3.9 腐蚀速率趋势方程156-157
• 4.3.10 磷-硫共存环境腐蚀研究分析157-160
• 4.5 本章小结160-162
• 第5章 磷及磷-硫环境下腐蚀产物形貌及组织结构162-217
• 5.1 磷单组份环境下腐蚀组织结构162-177
• 5.1.1 磷酸浸泡研究162-167
• 5.1.2 含磷环境下高温腐蚀研究167-177
• 5.2 含磷-硫共同环境下高温协同腐蚀研究177-207
• 5.2.1 不同材料试样XRD及产物分析177-193
• 5.2.2 不同材料试样SEM、EDS及产物分析193-207
• 5.3 磷及磷-硫环境下腐蚀机理分析207-215
• 5.3.1 磷酸环境下高温腐蚀208-209
• 5.3.2 含磷酸-硫酸环境下高温腐蚀209-215
• 5.4 本章小结215-217
• 第6章 黄磷尾气混合体系高温烟气腐蚀露点217-231
• 6.1 黄磷尾气体系混合尾气露点计算式217-220
• 6.1.1 黄磷尾气多成分混合气体系磷酸露点计算化学反应式217-218
• 6.1.2 混合气COx-POx-NOx-H2O体系露点温度的热力学推导218-220
• 6.2 低温露点研究220-228
• 6.2.1 腐蚀极化曲线和塔菲尔曲线220-222
• 6.2.2 腐蚀交流阻抗图222-226
• 6.2.3 分析与讨论226-228
• 6.3 高温烟气露点分析228-230
• 6.3.1 磷高温环境气氛下露点分析228-229
• 6.3.2 磷-硫共存环境气氛下露点分析229-230
• 6.4 本章小结230-231
• 第7章 黄磷尾气混合体系燃烧特性研究231-269
• 7.1 混合体系CO-H_2-CH_4-H_2S-PH_3-COS-SC_2-P_4燃烧热力学计算233-251
• 7.1.1 熵、焓、吉布斯自由能、比热233-243
• 7.1.2 质量、密度、低热值243-246
• 7.1.3 动力粘度、理论空气需要量、理论烟气量246-248
• 7.1.4 理论燃烧温度、空气过剩系数、燃烧特征系数248-251
• 7.2 实际黄磷尾气燃烧特性251-267
• 7.2.1 温度测定251-252
• 7.2.2 燃烧火焰252-257
• 7.2.3 燃烧温度场分布257-266
• 7.2.4 燃烧后烟气处理266-267
• 7.3 本章小结267-269
• 第八章 研究结果应用269-273
• 8.1 黄磷尾气燃气锅炉研制269-272
• 8.2 本章小结272-273
• 第九章 结论和展望273-275
• 9.1 结论273-274
• 9.2 展望274-275
• 致谢275-276
• 参考文献276-282
• 在学期间发表的学术论文与研究成果282-286
• 获奖282-283
• 发表的学术论文283-284
• 授权和申请的专利284-285
• 主持和参与的科研项目285-286
• 培养的学生286

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郑士卓;张欣;白银环;许健;;低热值气体燃料层流燃烧特性[J];北京交通大学学报;2011年01期

2 赵钦新;张知翔;杜文智;张智超;;模拟气氛下硫酸露点的腐蚀试验研究[J];动力工程学报;2012年05期

3 林安飞;陈海平;范永春;;循环流化床锅炉机械未完全燃烧热损失计算方法的探讨[J];电站系统工程;2006年01期

4 米翠丽;阎维平;李皓宇;;富氧燃烧方式下烟气对受热面传热特性影响的数值研究[J];电站系统工程;2009年04期

5 张清,李全安,文九巴,白真权;H_2S分压对油管钢CO_2/H_2S腐蚀的影响[J];腐蚀科学与防护技术;2004年06期

6 王广伟;张建良;苏步新;邵久刚;邱家用;;考虑化学反应平衡的理论燃烧温度计算[J];钢铁;2012年04期

7 梅毅;杨亚斌;宋耀祖;蒋家羚;王政伟;;热法磷酸生产中热能的回收与利用[J];中国工程科学;2005年S1期

8 李彦,武彬,徐旭常;SO_2、SO_3和H_2O对烟气露点温度影响的研究[J];环境科学学报;1997年01期

9 魏凯丰;姚传荣;吕克桥;;天然气气体粘度和雷诺数计算[J];哈尔滨理工大学学报;2006年03期

10 温敬平;烟气酸露点测量仪国内外技术水平分析[J];江苏理工大学学报;1994年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 朱晓航;硫酸装置关键设备腐蚀机制与防护对策[D];哈尔滨工业大学;2010年

2 何小威;高温燃气温度和浓度同时检测模拟研究[D];华中科技大学;2012年

，

本文编号：739831