Надежность эксплуатации воздухоподогревателей связана с процессами коррозии, развивающимися на поверхности ме­талла, контактирующего с топочными газами. В дымовых га­зах серосодержащих топлив основными коррозионно-активными компонентами являются оксиды серы (SO₂, SО₃), кисло­род, вода.

Процесс низкотемпературной коррозии обусловлен дей­ствием серной кислоты, образующейся в результате реакции серного ангидрида (SО3) и водяных паров. При сжигании серы в мазуте первоначально образуется сернистый ангидрид (SO2), при этом около 3 -5% окисляется до SО3 в зависи­мости от содержания кислорода, влажности и температуры топочного газа [6]. Окисление SО2 до SО3 происходит по реакции:

SO₂ + ⅟₂O₂ ↔ SO₃. 

Выход SО3 возрастает при увеличении избытка воздуха, По мере его повышения от 5—7 % до значительных величин конверсия возрастает с 3 до 20 % [7].

По современным представлениям, SO3 образуется в ре­зультате двух процессов: гомогенного окисления диоксида серы атомарным кислородом в зоне пламени и гетерогенного окисления на твердых поверхностях. Многочисленными иссле­дованиями установлено, что гомогенная реакция SO2 с моле­кулярным кислородом протекает очень медленно даже при высоких температурах, а реакция S02 с атомарным кислоро­дом протекает довольно быстро и имеет место в зоне пла­мени вследствие термической диссоциации молекулярного кис­лорода:

О₂ ↔ 2О. 

Дополнительное образование атомарного кислорода воз­можно также при столкновении активированных молекул ди­оксида углерода, присутствующих в пламени, с молекулой О₂:

СО₂ + О₂ ↔ СО₂ +О + О.

Избыточный по отношению к необходимому для полного сгорания топлива кислород реагирует с наиболее окисляемым из образовавшихся продуктов сгорания газов — диоксидом серы. Поэтому сжигание мазута с низкими избытками воз­духа приводит к понижению концентрации SО₃, однако при наличии подсоса воздуха содержание SО₃ значительно возра­стает вследствие каталитического окисления диоксида серы.

Fe2O3 катализирует окисление SO₂ в SO₃. Катализаторами образования SО₃ служат сульфат железа (III) на поверхностях нагрева, а также отложения золы, содержащие ванадий и же­лезо, или продукты сгорания, содержащие ванадий.

Образовавшийся серный ангидрид вступает в реакцию с во­дяными парами дымовых газов с образованием серной кислоты:

SО₃ + H₂О ↔   H₂SO₄

При определенной температуре, называемой точкой росы кислоты t_p, начинается конденсация H2SO4 на холодных по­верхностях нагрева. При этом конденсация происходит при температуре стенки ниже соответствующей точки росы кислоты, которая чаще всего находится в пределах 70—170 С [8].

Рис. 7.4. Диаграмма фазового равновесия двухкомнонентной системы H₂SO₄ — Н₂О при Р_Н2O + Р_SO3 =10 кПа; pН2О = 8,5 кПа [3]

1 — линия росы; 2 — линия кипения; 3 — точка росы при PSО3=0; Р_Н2О = 8,5 кПа; 4 - точка росы при Р_SO3 = 3Па 

Кроме точки росы кислоты процесс коррозии характеризуется также скоростью конденсации кислоты и образованием пленки на поверхности, температурой и концентрацией кислоты.

Температура точки росы в значительной степени зависит от содержания SО₃ в дымовых газах, парциального давления образующейся серной кислоты и водяных паров. При этом концентрация SО₃ определяется содержанием серы в топливе, избытком воздуха, видом топочной камеры, методом сжигания.

Концентрация H₂SO₄ в пленке росы обусловливается темпе­ратурой стенки и давлением паров Н2О и SО3.

На рис. 7.4 показана диаграмма фазового равновесия си­стемы H₂SO₄ — Н₂О для суммарного давления паров P_SO3+Р_Н2О = 10 кПа. Нижняя пограничная кривая 2 характеризует зави­симость температуры кипения жидкой H₂SO₄ от ее концентра­ции, а верхняя кривая 1 — линию росы. Незначительное содер­жание H₂SO₄ в паровой фазе резко повышает точку росы по сравнению с точкой росы чистых водяных паров. Охлаждение продуктов сгорания до 150 °С и ниже приводит к пересыщению паров и конденсации кислоты в объеме с образованием ту­мана [3]. 

Рис. 7.5. Зависимость точки росы от содержания серы в мазуте и количества SO3 [9]. На кривых указано количество S_общ. перешедшее в SO₃ 

Рис. 7.6 Зависимость точки росы от концентрации свободного кислорода (коэффициента избытка воздуха α) [9]

На кривых указано содержание серы в мазуте

Рис. 7.7. Зависимость скорости коррозии углеродистой стала (0,19 % С) от концентрации серной кислоты [9] 

Зависимость точки росы от содержания серы в мазуте пред­ставлена на рис. 7. 5. При содержании серы в топливе 1 % точка росы дымовых газов повышается до 130 °С; При содер­жании серы 1—5 % каждый процент серы повышает tр прибли­зительно на 4°С. При содержании серы 3—3,5% точка росы дымовых газов составляет прибл. 150—170 °С, значительное снижение наблюдается лишь при содержании серы менее 0,5 %.

Точка росы зависит не только от содержания в топливе серы, серного ангидрида и влажности дымовых газов. Она в значительной степени определяется коэффициентом избытка воздуха α. На рис. 7.6 приведены данные по влиянию коэффи­циента избытка воздуха на точку росы при сжигании мазутов с содержанием серы 1,3—3,2%. Сжигая мазут с малыми коэффи­циентами избытка воздуха, можно значительно снизить tp. Так, при содержании кислорода 0,2 % точка росы не зависит от со­держания серы в топливе и составляет 52 °С, приближаясь к точке росы чистых водяных паров [9].

Важным фактором в процессе коррозии трубных пучков воздухоподогревателей из углеродистой стали является концен­трация H₂SO₄. Концентрация серной кислоты в пленке росы с понижением температуры стенки понижается. С другой стороны, скорость коррозии металла определяется концентрацией H₂SO₄. При концентрациях серной кислоты 60—90 % скорость коррозии углеродистой стали сравнительно мала и не зависит от концентрации H2SО4 (рис. 7.7). Максимальная скорость коррозии наблюдается при концентрации серной кислоты примерно 52%, а затем с понижением концентрации коррозия уменьшается. 

Рис. 7.8. Зависимость скорости коррозии от температуры стенки при сжигании сернистого мазута (2,7— 2,85 % S) [11] 

На рис. 7.8 представлена зависимость скорости коррозии металла от температуры стенки при поперечном обтекании. Максимальная скорость коррозии соответствует температуре стенки ниже 70 °С и около 110°С. Минимальное значение на­блюдается при температуре стенки не ниже 140 °С и в узком интервале температур 80—90°С.

Таким образом, скорость коррозии металла под действием серной кислоты определяется количеством выпавшей росы, кон­центрацией H₂SO₄ в пленке росы и температурой стенки.

Отложения золы играют большую роль в процессе коррозии. Гигроскопичность этих отложений и способность к адсорбции обусловливают поглощение SО₃. При остановке печи кислые отложения золы адсорбируют воду, гидролизуются и выделяют кислоту непосредственно на поверхности металла. Это приво­дит к резкому увеличению скорости коррозии в период остановок.

Использование малосернистого топлива и эксплуатация то­почных устройств с минимальным избытком воздуха, поддер­жание температуры стенки выше точки росы серной кислоты — основные факторы снижения коррозионного разрушения ме­талла.