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    VEGF鱗片材料在電廠煙囪中的應用可行性研究

    更新時間:2016-12-14 11:14:44 點擊數:2483

    摘要:本文介紹了鱗片複合樹脂膠泥的特點,以及目前國內電廠煙囪的實際運行情況,討論了VEGF材料在脫硫煙囪中應用的技術可行性,並就VGEF在煙囪防腐蝕應用中可能采用的技術措施進行了試驗表征和分析。
    關鍵詞: VEGF 鱗片脫硫煙囪應用可行性
    1、 前言
    我國是一個能源結構以燃煤為主的國家,大氣汙染屬煤煙型汙染,粉塵、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)是我國大氣的主要汙染物。如2000年我國燃煤電廠的NOx的排放量達到290萬噸。由於我國能源結構的特點,導致了酸雨的環境汙染和較多的腐蝕情況,因此對於燃煤發電廠中產生大量的二氧化硫或氮氧化物的防治是勢在必行。目前國內外較為有效的手段是煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization 簡稱“FGD”)。而采用濕法石灰石洗滌法是當今世界各國煙氣脫硫技術中應用最多也是最成熟的工藝。2003年我們國家的濕法脫硫設備國產化率已在96%以上,預計到2010年,國產化率可達100%。雖然脫硫後煙氣中含有的腐蝕性介質含量較少,但由於脫硫後煙氣的溫度一般都在硫酸的露點以下,因此對於不同結構形式的煙囪內壁,均有不同程度的腐蝕發生。而我們國內針對脫硫煙囪的防腐蝕措施,無論在煙囪的設計、施工等標準規範方麵,還是在工程實際應用上麵,都存在著空白或沒有足夠的經驗積累。目前國內新煙囪選擇了鈦材,但鈦材不僅成本高,而且目前市場供需矛盾明顯,是否能滿足防腐蝕要求還需要觀察和跟蹤。由於VEGF玻璃鱗片複合材料已成功應用於煙氣脫硫裝置,積累了比較豐富的經驗,因此我們來探討VEGF玻璃鱗片複合材料在煙囪中的防腐蝕應用可行性,這不僅為新建脫硫煙囪采用的防腐蝕措施提供了一個新的選擇,同時也為國內電廠舊煙囪的改造帶來實際的參考價值。
    2、 濕法煙氣脫硫工藝的煙囪運行工況條件
    濕法石灰石洗滌法是國外應用最多和最成熟的工藝,也是國內火電廠脫硫的主導工藝。濕法脫硫工藝主要流程是,鍋爐的煙氣從引風機出口側的煙道接口進入煙氣脫硫(FGD)係統。在煙氣進入脫硫吸收塔之前經增壓風機升壓,然後通過煙氣—煙氣加熱器(GGH),將煙氣的熱量傳輸給吸收塔出口的煙氣,使吸收塔入口煙氣溫度降低,有利於吸收塔安全運行,同時吸收塔出口的清潔煙氣則由GGH加熱升溫,煙氣溫度升高,有利於煙氣擴散排放。經過GGH加熱器加熱後煙氣溫度一般在80℃左右,可使煙囪出口處達到更好的擴散條件和避免煙氣形成白霧。GGH之前設的增壓風機,用以克服脫硫係統的阻力,加熱後的清潔煙氣靠增壓風機的壓送排入煙囪。當不設GGH加熱器加熱係統時,煙氣溫度一般在40~50℃。
    煙氣經過脫硫後,煙氣中的二氧化硫的含量大大減少,而洗滌的方法對除去煙氣中少量的三氧化硫效果並不好,因此仍然殘留近10%的二氧化硫和三氧化硫。由於經濕法脫硫,煙氣濕度增加、溫度降低,煙氣極易在煙囪的內壁結露,煙氣中殘餘的三氧化硫溶解後,形成腐蝕性很強的稀硫酸液。脫硫煙囪內的煙氣有以下特點:
    1)煙氣中水份含量高,煙氣濕度很大;
    2)煙氣溫度低,脫硫後的煙氣溫度一般在40~50℃之間,經GGH加溫器升溫後一般
    在80℃左右;
    3) 煙氣中含有酸性氧化物,使煙氣的酸露點溫度降低;
    4) 煙氣中的酸液的濃度低,滲透性較強。
    5) 煙氣中的氯離子遇水蒸氣形成氯酸,它的化合溫度約為60℃,低於氯酸露點溫度時,就會產生嚴重的腐蝕,即使是化合中很少量的氯化物也會造成嚴重腐蝕。
    由於脫硫煙囪內煙氣的上述特點,對煙囪設計有如下影響:
    1) 煙氣濕度大,含有的腐蝕性介質在煙氣壓力和濕度的雙重作用下,結露形成的冷凝物具有很強的腐蝕性,對煙囪內側結構致密度差的材料產生腐蝕,影響結構耐久性。
    2) 低濃度稀硫酸液比高濃度的酸液腐蝕性更強。
    3) 酸液的溫度在40-80℃時,對結構材料的腐蝕性特別強。以鋼材為例,40-80℃時的腐蝕速度比在其它溫度時高出約3-8倍。
    由此可知,排放脫硫煙氣的煙囪比排放普通未脫硫煙氣的煙囪對防腐蝕設計要求要高得多,這也許與我們的傳統觀念有所不同。目前,電廠煙囪主要在以下三種工況下運行:
    1)  排放未經脫硫的煙氣,進入煙囪的煙氣溫度在1300C左右。在此條件下,煙囪內
    壁處於幹燥狀態,煙氣對煙囪內壁材料屬氣態均勻腐蝕,腐蝕情況相當輕微。
    2)  排放經濕法脫硫後的煙氣,並且煙氣經GGH係統加熱,進入煙囪的煙氣溫度在800C
    左右,煙囪內壁有輕微結露,導致排煙內筒內側積灰。根據排放煙氣成分及運行等條件的不同,結露腐蝕狀況將有所變化。
    3)  排放經濕法脫硫後的煙氣,進入煙囪的煙氣溫度在40~500C,煙囪內壁有嚴重結
    露,沿筒壁有結露的酸液流淌。
    在設有脫硫係統的電廠,由於在運行時,煙氣有可能不進入脫硫裝置,而通過旁路煙道進入煙囪。此時,煙氣溫度較高,一般在130℃左右,故設計煙囪時,還必須考慮在此溫度工況下運行對煙囪的影響。
    同時在煙囪的防腐蝕設計中還應該考慮到以下幾個綜合因素:殘留的灰粉平均粒度(大約10um)、灰粉的硬度(約莫式硬度7.0)、灰粉的衝擊能量(2.05*10-12J)、灰粉的濃度(600mg/m3)、煙囪的最大曲率變化(實際不大於1%)。
    歐美等發達國家電廠煙氣脫硫開始的時間比較早,根據國內外的經驗,目前濕法脫硫後的煙囪鋼內筒內襯防腐主要有四類形式:
    l         耐酸腐蝕的金屬合金薄板材作內襯,材料包括鎳基合金板(C-276、C22)、鈦板(TiCr2)等;
    l         耐腐蝕的輕質隔熱的製品粘貼,隔絕煙氣和鋼內筒接觸,如發泡耐酸玻璃磚內襯;
    l         采用耐酸、耐熱、保溫澆築材料,使用澆注或壓力噴漿技術安裝內襯;
    l         玻璃鱗片塗層等防酸腐蝕塗料,

    3、VEGF材料的特點
    VEGF鱗片膠泥(塗料)是以乙烯基酯樹脂材料為主材加入10%-40%片徑不等玻璃鱗片等材料配製而成的,其中VEGF是vinyl ester glass flake的縮寫。鱗片膠泥含有的玻璃鱗片,在膠泥施工完畢後,扁平型的玻璃鱗片在樹脂連續相中呈平行重疊排列,從而形成致密的防滲層結構。腐蝕介質在固化後的膠泥中的滲透必須經過無數條曲折的途徑,因此在一定厚度的耐腐蝕層中,腐蝕滲透的距離大大的延長,相當於有效地增加了防腐蝕層的厚度。所以VEGF材料具有以下特點:
    1》              耐腐蝕性能好。由於鱗片塗層采用的基體樹脂是高性能的乙烯基酯樹脂,該類型樹脂具有較環氧樹脂更好的耐腐蝕性能。
    2》              較低的滲透率。鱗片塗層的抗水蒸汽滲透率比普通環氧樹脂塗料高6-15倍,比普通環氧FRP高4倍。
    3》              鱗片塗層具有較強的粘結強度,不僅指樹脂基體與其中的玻璃鱗片之間的粘結強度較高,而且鱗片塗層與基材之間的粘結強度高,同時鱗片塗層不易產生龜裂、分層或剝離,附著力和衝擊強度較好,從而保證較好的耐蝕性。
    4》              耐溫差(熱衝擊)性能較好。塗層中由於含有許多玻璃鱗片,因此消除了塗層與鋼鐵之間的線膨脹係數的差別,鱗片塗層的線膨脹約為11.5×10-6m/m℃,鋼鐵的線膨脹係數為12.0×10-6 m/m℃,兩者之間比較相近,使鱗片塗層適合於溫度交變的重腐蝕環境。
    5》              耐磨性好。鱗片塗層在固化後的硬度較高,且有韌性,在粒子的衝刷耐磨性較好,鱗片塗層的破壞是局部的,其擴散趨勢小,易於修複。
    6》              具有適中的造價。與目前FGD裝置中的主要選用:鈦複合板、不鏽鋼、整體鎳基合金、整體玻璃鋼等相比,玻璃鱗片塗層具有最好的性價比。
    7》              工藝性較好。由於鱗片塗層的固體成份和添加劑根據需要可以調節配比,使塗料能適應多種氣候,多種工藝要求的配置方法。能解決低溫氣候的固化問題,和每道工藝之間的施工間隙時間的長短。
    4、VEGF材料的應用性研究
    根據VEGF材料在電廠煙囪中的實際應用中可能出現的一些技術問題,我們分別對材料的各方麵的性能進行了測試和表征。
    4.1 VEGF塗層的耐磨損特性
    如前文所述,煙氣中含有大量的粉塵,同時在腐蝕性的介質作用下,磨損的實際情況可能會較為明顯,所以我們對碳鋼上表麵塗覆VEGF膠泥的試樣進行了耐磨損試驗。
    4.1.1實驗方法:
    采用高壓空氣攜帶一定粒度的磨料,對玻璃鱗片塗層進行快速衝刷磨損,原理見圖4.1。1。

    圖4.1。1:衝蝕磨損試驗示意圖
    4.1.2 試驗條件:
    空氣壓力0.1Mpa;磨料為硬度莫式8.5的棱角碳化矽磨料,實體密度2.45kg/m3,磨料粒度分布見表4.1。2-1。環境溫度常溫,其它測試時的條件見表4.1。2-2,一次固定衝刷時間10min,實驗結果見表4.1。2-3,

    表4.1。2-1 磨料粒度分布
    粒度分布

    >750μm

    750μm~500μm

    500μm~330μm

    <330μm
    百分比(%)

    26

    11.5

    31

    31.5
    按正態分布計算平均粒徑

    447.5μm

    表4.1。2-2 測試試驗的其它參數(平均粒徑447.5μm計算)

    空氣流速(口徑Ф6.5mm)

    噴口處200m/s

    磨料粒子流速

    噴口處200m/s
    噴口至試片距離

    180mm

    粒子撞擊試片速度

    70m/s

    粒子衝擊能量

    平均2.25×10-6J

    磨料的濃度

    526.6 g/m3

    表4.1。2-3 耐磨損試驗數據
    試樣編號

    7#

    9#

    11#
    10min內消耗SiC磨料量

    2673g

    2620g

    2871g
    試樣原重量

    234.50g

    301.21g

    280.50g
    試驗後重量

    233.60g

    300.50g

    279.77g
    試樣失重

    0.90g

    0.71g

    0.73g
    3個磨料消耗平均

    2721g
    3個失重平均

    0.78g
    3個平均核心磨損麵積

    40cm×60cm
    10min內3個平均磨損厚度

    2.71×10-3mm

    4.1.3       試驗數據分析和討論:
    A>塗層表麵損壞形式:經過10min高強度衝刷磨損後,塗層的損壞主要為微小的點狀現象,即在高能量的磨料粒子衝擊下塗層出現類式微切削和微小剝離的狀況,塗層未出現超過1mm直徑的斑點剝離現象,表明塗層具有較好的韌性和良好的塗層結合能力。
    B>塗層估計的耐磨性能:通過磨料和灰粉的衝擊能量、顆粒數目和硬度比值可以預計(具體見表4.1。3),VEGF塗層安全磨損量為1mm在煙囪內的條件下使用,有90.6年的耐磨壽命,即使在高溫條件下塗層的耐磨性能有所變化,再考慮煙囪入口氣流彎轉時的顆粒不均勻性,塗層的耐磨壽命也足夠長。再者,在煙囪入口衝刷區將塗層的厚度可適當增加,塗層還可以進行簡單方便的修補工作。所以VEGF複合材料有足夠的耐磨損特性並能夠滿足在煙囪中的使用環境。

    表4.1。3 實際煙囪工況條件的對比:

    煙囪流速

    <20m/s

    灰粉平均粒度

    10μm

    灰粉的硬度

    約莫式硬度7.0

    灰粉的衝擊能量

    2.05×10-12J

    灰粉的濃度

    <600mg/m3

    磨料與灰粉的比強度

    1.2
    4.2 VEGF塗層的彎曲試驗
    由於考慮到一些煙囪的高空特性,包括是地球本身的運動、地震和風力作用等情況,煙囪尤其是高空部位可能會發生搖動等角度偏向或偏離,同時煙囪在安裝和運輸過程中可能會發生一些不可控的力學作用等,所以有必要對VEGF材料的耐(抗)彎性能進行表征和確定。
    試驗中我們對2.5mm厚度的碳鋼上塗有2mm厚度的玻璃鱗片塗層進行彎曲試驗(碳鋼板越厚,其彎曲的曲率半徑越大,塗層越不容易受到破壞,而實際碳鋼的厚度遠大於2.5mm),試樣彎曲達到 15°角度時候塗層出現微裂紋,試樣彎曲達到20°角度,裂紋擴張開裂,試樣彎曲達到 25°角度塗層與金屬表麵剝離(具體見圖4.2)。而φ7000mm工件在搬運過程中,如注意起吊操作的方法,工件可能出現的最大變形將小於5°彎曲角度,因此可以認為由於塗層所具有的良好韌性及與金屬基體良好的結合,完全可以承受搬運過程中出現的一定量的變形,而不會出現塗層剝離和開裂現象。同時,在安裝後的正常運作的煙囪的角度偏向在1度以內,煙筒的碳鋼基體的曲率半徑很大,局部不連續的可能發生的最大曲率變化不大於1%,所以VEGF材料的抗彎曲特性完全可以滿足實際施工和運行的需要。

    圖4.2 塗層彎曲結果圖
    4.3 VEGF材料的耐高溫特性
    如前文所述,不論是經過脫硫後的煙氣,還是沒有脫硫後的煙氣,不論FGD係統中是否還有GGH,在設計及實際應用中,內襯防腐蝕材料均應該考慮到在一些正常情況下的材料的耐溫性,以防止不正常運作情況下,對VEGF塗層的破壞。
    4.3.1試驗方法:
    將塗有玻璃鱗片塗層的試樣,置入高溫烘箱內加熱,在設定的溫度區間內保溫一定時間,取出冷卻後觀察試片表麵塗層的變化。
    4.3.2試驗過程(具體見表4.4):
    (1)              放入烘箱試片共10片,保溫1小時,取出一片試片觀察玻璃鱗片塗層表麵基本未出現變化;
    (2)              9片試片再次升溫在175℃保溫1小時烘箱(升溫速度10℃/min),取出一片試片觀察玻璃鱗片塗層表麵開始出現輕微的色澤(表麵微氧化)加深變化,呈淡黃色;
    (3)              留7片試片在烘箱中,再次升溫至200℃保溫2小時後,取出三片試片觀察玻璃鱗片塗層表麵與175℃保溫1小時取出的試片基本一致,表麵塗層色澤稍有加深。留四片試片在烘箱中200℃繼續保溫28小時後,取出2片試片(累計30小時)觀察玻璃鱗片塗層表麵僅比200℃保溫2小時取出的試片,表麵色澤略有加深。保溫時間累計50小時後,取出最後剩餘的2片試片,觀察試片的表麵色澤、外觀、打磨的斜坡口與30小時的試片基本沒有變化。
    (4)              另外取出的2片(175度保溫1小時)試片放入300℃電烤箱內,1小時後觀察,試片色澤已由黃色轉褚紅色,再升溫到340℃,1小時後對試片觀察,色澤進一步加深,同時塗層出現裂紋。

    表4.5試驗中試片安排表

    溫度℃

    120

    175

    200

    300

    340

    時間(hr)

    1

    1

    2(3片)

    1

    28(2片)

    50(2片)

    1

    試片數量

    10

    9

    7

    2

    4.3.3試驗結果分析:
    經過不同溫度階段的塗層試片斷麵觀察,溫度對塗層的影響過程可以概括為:隨著溫度的上升,塗層表麵(極薄,不超過10μm)開始出現氧化現象,在200℃以內,塗層的內部結構沒有出現變化,僅有表麵出現氧化,氧化的程度和高溫持續的時間有關。
    但首先這層氧化膜極薄,表麵不會開裂,氧化反應不會向塗層縱伸方向發展,在經曆一定時間後(估計數天),氧化過程會達到飽和。這些從試驗的試片中可以看出:對比200℃停留2小時、和200℃停留30小時和200℃停留50小時試片,塗層表麵氧化膜的顏色改變趨勢越來越小,塗層內部材質未發現變化。隨著溫度上升到300℃以後,塗層內部質量有所改變,具體原因為:
    VEGF鱗片塗層采用的樹脂基料為酚醛環氧乙烯基類,其分子結構為:
    樹脂固化物的強度、耐熱性,與樹脂分子主鏈中的主要基團的結構、樹脂的交聯密度有關。樹脂的耐化學藥品性即耐水、酸、堿、鹽、溶劑的性能與組成其分子的各基團的種類及樹脂的交聯密度有關。
    從本實驗結果來看,溫度到上升120℃,塗層的色澤無變化,而且塗層的硬度有所提高,溫度再提高175℃以上,色澤發生變化主要因為基料樹脂在聚合過程中添加的胺類化合物促進劑出現氧化。(基料樹脂在交聯完成後,少數的胺類化合物促進劑遊離附著於高分子網格鏈之間,與空氣接觸容易被氧化)
    高於300℃後,由於分子熱運動加劇,基料樹脂的開始降解(聚苯乙烯降解溫度為240度),塗層內部質量下降,穩定的分子結構被破壞,塗層出現開裂。
    酚醛環氧乙烯基酯玻璃鱗片塗層的基料樹脂出現降解的情況下,塗層不可避免的要開始破壞(酚醛環氧的分解溫度360℃),玻璃鱗片雖然存在可以控製破壞,形式為分層破壞,但對於一個很大麵積的塗層表麵來說,這種破壞的修補工作量還是太大了。
    所以從上麵的試驗結果清楚地表明:
    1.     200℃時塗層的內部材料沒有變化,200℃塗層的表麵硬度有所提高,耐蝕性能和耐磨損性能不會有大的變化。
    2.     耐溫試驗試片的加熱升溫速度和降溫速度,都大於塗層在煙囪內(鋼製煙囪帶有外保溫)工作的溫度衝擊速度,塗層在抗熱衝擊的性能上表現優越。
    3.     塗層使用溫度不能超過300℃,即使短時間(1小時)300度的煙氣沒有直接造成塗層開裂,塗層的使用年限也會受到很大的影響。
    4.       總之,以酚醛環氧乙烯基酯玻璃鱗片為核心的VEGF複合塗層防腐蝕體係,在200℃以下溫度長期工作的穩定性是沒有問題。適合使用在不設置GGH的脫硫煙囪內,既耐腐蝕、耐磨損、局部易修複。

    4.4 VEGF材料的耐腐蝕
    VGEF類玻璃鱗片複合材料在國內外的FGD(包括前入口處煙氣中)運行多年,均有大量的成功應用案例,所以VEGF耐腐蝕性是完全滿足煙囪中的使用要求,同時我們也把VEGF試片浸泡在10%的稀硫酸和20%的NaOH溶液中,放置25天後,試片顏色沒有改變,表麵光滑,且無粘性物質附著,說明VEGF材料完全能夠滿足煙囪中腐蝕條件,包括在沒有GGH裝置中的煙囪的防腐蝕。
    5、VEGF材料的耐腐蝕襯裏的經濟性
        如前文所述,如采用VEGF鱗片複合材料,在FGD裝置中可以省卻GGH裝置,這個FGD建設費用可節省4200萬元/2台GGH(其中2 台GGH的設備村身費用達3600萬,其它安裝等費用達600萬);同時,以約4000平米的煙囪為計算單位,VEGF鱗片襯裏的防腐蝕費用為約400萬,每台煙囪的襯鈦合金成本約為1200萬防腐蝕增加費用,襯鎳基合金板的費用約為1000萬;雖然采用VEGF材料在15年左右會進行維修和防護,但也可根據情況進行局部或者是全部的防腐蝕處理,所以采用VEGF材料作為防腐蝕襯裏具有相當的經濟性競爭優勢,尤其在老電廠的煙囪的防腐蝕改造,尤其具有更大的競爭性。
    6、VEGF塗層的應用案例
    目前國內采用鱗片複合材料在鋼煙囪內襯的應用案例基本沒有,但是國外尤其是日本已成熟地應用鱗片複合材料內襯於煙囪中,如日本富士樹脂工業株式會社等,泰國石化集團1994的電廠脫硫煙囪,90年代在台灣的幾個大型化纖項目(台塑集團、南亞集團)的電廠中的煙囪防腐蝕等得到使用。目前在國內一些非煙囪(如FGD煙道)中的防防腐蝕已正常使用10年了,沒有任何大修。
    7、結論
        綜上所述,VEGF複合材料完全可以勝任電廠中的煙囪防腐蝕應用需要,不論FGD總體裝置中是否設置有GGH,VEGF材料在煙囪的防腐蝕應用均具有明顯的綜合經濟性和技術可行性,尤其是對於舊電廠中的煙囪的改造有較大的實際指導意義。