玻璃鋼/復(fù)合材料在濕法煙氣脫硫中應(yīng)用的研究
1前言
我國(guó)是一個(gè)能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主的國(guó)家,大氣污染屬煤煙型污染。在電力、金屬冶煉、玻璃及玻纖、化工等行業(yè),由于燃煤、含硫較高的重油和礦物原料中本身含硫、氟化鈣等,煙氣中含有大量的二氧化硫、HF等有毒有害氣體,對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染,是酸雨的主要成因。酸雨和二氧化硫污染造成農(nóng)作物、森林和人體健康等方面的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。
為遏制酸雨污染的進(jìn)一步發(fā)展, 98年1月21 日國(guó)務(wù)院以國(guó)函[1998] 5號(hào)文批準(zhǔn)了國(guó)家環(huán)保局制定的《酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)劃分方案 》。以火電廠為例,新建、改建燃煤含硫量大于1%的電廠,必須建設(shè)脫硫設(shè)施;現(xiàn)有燃煤含硫量大于1%的電廠,到2000年前采取減排措施,在2010年前分批建成脫硫設(shè)施或采取其它具有相當(dāng)效果的措施。
煙氣脫硫是當(dāng)今燃煤電廠控制二氧化硫排放的主要措施。而濕式石灰石洗滌法是當(dāng)前世界各國(guó)應(yīng)用最多、最成熟的工藝。國(guó)家電力公司已將濕式石灰石脫硫工藝確定為火電廠煙氣脫硫的主導(dǎo)工藝。濕式石灰石煙氣脫硫已納入國(guó)產(chǎn)化計(jì)劃,計(jì)劃到2003年濕法脫硫設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)96%以上,到2010年國(guó)產(chǎn)化率達(dá)100%,從而達(dá)到大幅度降低脫硫設(shè)備造價(jià)的目的。
2 濕法煙氣脫硫工藝的選材
濕法脫硫工藝的基本原理是,煙氣中的SO2、SO3、HF或其它有害成份,在高溫狀態(tài)下與含有某些化學(xué)介質(zhì)的水相遇,并發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生稀硫酸、硫酸鹽或其它化合物,煙氣溫度也同時(shí)降低到露點(diǎn)以下。這就給脫硫裝置帶來(lái)了嚴(yán)重的露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題。
火電廠煙氣中含有SO2、NOx、HCl、HF 等氣體。因此,脫硫系統(tǒng)洗滌液中含有H2SO4、HCl、HF 等溶液,且含20%左右的固化物。如不設(shè)煙氣再加熱,吸收塔入口煙氣溫度可高達(dá)160—180℃,且有一定的干、濕界面。吸收塔出口煙溫較低,為55℃左右,處于露點(diǎn)以下。因此,濕式脫硫系統(tǒng)對(duì)材質(zhì)的耐蝕、耐磨、耐溫要求極為嚴(yán)格。同時(shí),脫硫系統(tǒng)要求與電站主機(jī)、主爐同步運(yùn)行,因此對(duì)脫硫系統(tǒng)的可靠性、利用率和使用壽命要求也極高。
研究選擇合適的材質(zhì)是各國(guó)脫硫工作者長(zhǎng)期致力的目標(biāo)。各國(guó)依據(jù)本國(guó)的燃料質(zhì)量、環(huán)保的要求和經(jīng)濟(jì)承受力,在選擇脫硫設(shè)備的材質(zhì)方面也不盡相同。如美國(guó)主要采用鎳基合金或碳鋼內(nèi)覆高鎳合金板,德國(guó)采用碳鋼內(nèi)襯橡膠和玻璃鋼,日本采用碳鋼內(nèi)涂玻璃鱗片乙烯基酯樹(shù)脂。
國(guó)內(nèi)外的電力、化工、冶金設(shè)計(jì)研究部門,為了克服濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中脫硫塔、煙道和煙囪及襯里的腐蝕,一直在尋求一種造價(jià)低、耐高溫、耐腐蝕的材料。
玻璃纖維增強(qiáng)塑料,也稱玻璃鋼(FRP或GRP),用于制作煙氣脫硫裝置始于20世紀(jì)70年代初,尤其是酚醛環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂的開(kāi)發(fā),針對(duì)煙氣脫硫獨(dú)特要求的試驗(yàn)研究,以及大直徑玻璃鋼纏繞技術(shù)的問(wèn)世,使玻璃鋼脫硫裝置得到較為廣泛的應(yīng)用。自從1972年起,采用乙烯基酯樹(shù)脂做成的玻璃纖維增強(qiáng)塑料在許多濕法脫硫系統(tǒng)中獲得了成功應(yīng)用。
3玻璃鋼的優(yōu)良特點(diǎn)
與金屬材料或其它無(wú)機(jī)材料相比,玻璃鋼具有十分顯著的性能特點(diǎn)。它重量輕、比強(qiáng)度高、電絕緣、耐瞬時(shí)超高溫、傳熱慢、隔音、防水、易著色、能透過(guò)電磁波,是一種兼具功能和結(jié)構(gòu)特性的新型材料。
3.1耐腐蝕性能
玻璃鋼的耐腐蝕性,主要取決于樹(shù)脂。隨著合成技術(shù)的不斷進(jìn)步,樹(shù)脂的性能也在不斷提高,尤其在二十世紀(jì)六十年代乙烯基酯樹(shù)脂的誕生,進(jìn)一步提高了玻璃鋼的耐腐蝕性能、物理性能以及耐熱性。事實(shí)上,用乙烯基酯樹(shù)脂做成的玻璃鋼成功地用在比濕法脫硫系統(tǒng)環(huán)境更苛刻的環(huán)境,已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。
3.2耐熱性能
在濕法脫硫工藝中,高溫是必須考慮的一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)榛旌蠚怏w在進(jìn)口的溫度范圍為160℃到180℃,系統(tǒng)中的部件又要承受臨時(shí)的高溫急冷,潛在的熱破壞和產(chǎn)生的高腐蝕性副產(chǎn)品導(dǎo)致人們選用象高鎳合金C-276這樣昂貴的結(jié)構(gòu)材料以滿足使用壽命要求。
熱震性能試驗(yàn)(通過(guò)把兩種玻璃鋼層合板放到204℃以上的溶液中,取出后立即放入冷水并保存2小時(shí),再對(duì)兩種層合板進(jìn)行6個(gè)小時(shí)的干燥后測(cè)定彎曲強(qiáng)度。)表明用乙烯基樹(shù)脂制成的玻璃鋼層合板保留了絕大部份抗彎強(qiáng)度,高的延伸率使它具有極好的抗沖擊性能和對(duì)溫差、壓力波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)的適應(yīng)范圍更大。用乙烯基酯樹(shù)脂做成的玻璃鋼已成功地替換了因熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的濕法脫硫系統(tǒng)的煙囪襯里。乙烯基酯樹(shù)脂玻璃鋼做成的脫硫塔,可用于更高的溫度,壽命更長(zhǎng),也更可靠。
玻璃鋼的長(zhǎng)期使用溫度取決于樹(shù)脂基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和熱變形溫度(HDT)。雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂的HDT高于105℃,酚醛改性環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂的HDT高于145℃。美國(guó)Dow Chemical公司開(kāi)發(fā)并已生產(chǎn)出可以用于使用溫度為220℃的FGD洗滌塔。
3.3耐磨蝕性能
在腐蝕環(huán)境中玻璃鋼的耐磨性能優(yōu)于鋼材,為提高玻璃鋼的耐磨性,可以在樹(shù)脂基體中加入適當(dāng)?shù)奶盍稀?7年,位于德國(guó)Weisweiler的RWE火電廠采用石灰-石灰石濕法脫硫工藝,石灰水中固體物含量約15%,洗滌塔和輸送石灰漿液的管道均為玻璃鋼,由于在樹(shù)脂中加入填料,有較好的耐磨性能,至今使用良好。
3.4玻璃鋼的價(jià)格優(yōu)勢(shì)
國(guó)外的研究資料表明,根據(jù)設(shè)備的尺寸和類型、玻璃鋼的造價(jià)約是高鎳合金造價(jià)的1/3。直徑4米的玻璃鋼吸收塔造價(jià)僅是用高鎳合金包覆吸收塔的一半。
由于玻璃鋼耐化學(xué)腐蝕而且造價(jià)比高鎳合金低,所以許多濕法脫硫系統(tǒng)裝置使用玻璃鋼已取得了很好的效果,據(jù)國(guó)外資料介紹,玻璃鋼已在濕法脫硫系統(tǒng)的以下方面獲得了成功應(yīng)用:
①吸收塔塔體,②石灰溶解槽, ③集液器、除霧器,④漿液輸送管路 ⑤煙道,⑥煙囪
4 玻璃鋼的成型工藝
采用微機(jī)控制立式纖維纏繞工藝,即在微機(jī)控制下,模具繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng),繞絲頭帶著浸潤(rùn)樹(shù)脂的玻璃纖維沿模具軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng),兩者運(yùn)動(dòng)的速比由微機(jī)控制,纏繞的層數(shù)由微機(jī)按預(yù)先輸入的參數(shù)控制,樹(shù)脂固化后在模具表面形成制品。
成型過(guò)程中模具是垂直于地面的,故稱立式纏繞。最大直徑可達(dá)25米,解決了采用臥式纏繞法無(wú)法整體纏繞大直徑制品的問(wèn)題,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。與傳統(tǒng)的臥式纏繞工藝相比,立式纏繞的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下四個(gè)方面:
①可以實(shí)現(xiàn)大直徑制品的纏繞;
②纏繞過(guò)程中除環(huán)向外,還引入螺旋纏繞,給軸向提供了必要的強(qiáng)度,以滿足抗風(fēng)、抗地震等要求;
③內(nèi)襯層、強(qiáng)度層和外防護(hù)層一次成型,內(nèi)襯無(wú)縱向接縫,提高了制品的強(qiáng)度;
④制品垂直脫模,避免了脫模過(guò)程中的反轉(zhuǎn),保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
內(nèi)表面層可選用聚酯纖維增強(qiáng),使玻璃鋼具有耐氟性能,在65℃的環(huán)境下,耐HF濃度可達(dá)10%。 向樹(shù)脂中添加適量的填料,提高了玻璃鋼的耐磨性。固化體系采用過(guò)氧化甲乙酮(MEKP)和鈷鹽室溫固化,短時(shí)間內(nèi)輔以紅外加熱固化成型,大幅度降低了固化過(guò)程的能耗。
5 玻璃鋼在煙氣脫硫裝置中的應(yīng)用情況
5.1國(guó)外的應(yīng)用情況
美國(guó)是最早將玻璃鋼應(yīng)用于煙氣脫硫領(lǐng)域的國(guó)家,始于20世紀(jì)70年代。20世紀(jì)80年代,歐洲掀起了玻璃鋼制造脫硫設(shè)備的熱潮, 1984年,德國(guó)BASF公司決定在其位于Ludwigshafen和Marl的燃煤電廠采用Wellman-Lord濕法洗滌塔。每個(gè)電廠建2座洗滌塔,直徑9.5米,高度35.5米。當(dāng)時(shí),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月的實(shí)驗(yàn)室研究(模擬使用環(huán)境),預(yù)計(jì)不需維護(hù)至少可使用20年。
1987年11月,BASF公司和歐洲的Owens Corning玻纖公司在倫敦聯(lián)合主辦了脫硫用玻璃鋼設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)交流會(huì),肯定了玻璃鋼的作用,促進(jìn)了玻璃鋼在煙氣脫硫領(lǐng)域的應(yīng)用。
當(dāng)前世界上不少公司,如Monsanto公司、Bischof公司、Babcock公司、BASF公司、Fiberdur-Vanck公司、ABB公司、Plastilon等公司在冶煉廠、造紙廠和垃圾焚燒爐的煙氣脫硫中較為廣泛地用玻璃鋼制造煙道、吸收塔、噴淋管、除霧器、漿液管道和濕煙囪等。在火電廠煙氣脫硫中,漿液輸送管道、除霧器已普遍用玻璃鋼生產(chǎn)。近年來(lái),由于大直徑玻璃鋼纏繞技術(shù)問(wèn)世(容器直徑可從3.6m到25m),國(guó)外公用事業(yè)公司已對(duì)玻璃鋼生產(chǎn)火電廠脫硫系統(tǒng)中的主要部件,如吸收塔、氧化槽等,越來(lái)越感興趣。
20世紀(jì)90年代初期,玻璃鋼脫硫設(shè)備正趨于大型化,例如Plastilon公司計(jì)劃制造直徑為20米的脫硫吸收塔。如德國(guó)某電廠的一臺(tái)166MW機(jī)組上裝設(shè)由Plastilon公司制造的石灰石漿液吸收塔(不設(shè)預(yù)洗滌塔),直徑10米,高34.8米,于93年投運(yùn)。美國(guó)潔凈煤技術(shù)示范計(jì)劃二期(CCT-II)中的CT-121噴射鼓泡床煙氣脫硫塔(100MW,不設(shè)預(yù)洗滌塔)也用玻璃鋼制造,已于1992年10月投運(yùn),證明玻璃鋼吸收塔無(wú)論從結(jié)構(gòu)上,還是從化學(xué)方面均是可靠的。
5.2國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況
連云港連眾玻璃鋼集團(tuán)有限公司于1996年與美國(guó)Monsanto環(huán)境化學(xué)公司、安徽省金隆銅業(yè)有限公司合作,設(shè)計(jì)制作了一套玻璃鋼制SO2吸收裝置,用于硫酸裝置凈化工段。珞璜電廠引進(jìn)的濕式石灰石煙氣脫硫裝置中的除霧器、噴淋管、塔壁沖洗管均為玻璃鋼,北京某公司脫硫裝置中,石灰漿液輸送管道和貯存罐均為玻璃鋼,廣東某電廠脫硫裝置中洗滌塔內(nèi)漿液輸送管道和石灰溶解貯罐均為玻璃鋼。深圳西部電力公司海水脫硫裝置中的海水輸送及恢復(fù)管道采用了連云港連眾玻璃鋼集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的大口徑玻璃鋼管道,連眾公司還為廣東瑞明電廠、杭鋼公司等脫硫工程供應(yīng)了玻璃鋼管道。
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)用于煙氣脫硫系統(tǒng)的玻璃鋼制品還比較少,主要是缺少有關(guān)的制造技術(shù)和評(píng)價(jià)方法。連云港連眾玻璃鋼集團(tuán)有限公司于1995年從美國(guó)引進(jìn)了用于生產(chǎn)大直徑玻璃鋼制品的現(xiàn)場(chǎng)纏繞機(jī),可以滿足制造煙氣脫硫裝置這類大型制品的要求。
安徽金隆公司硫酸系統(tǒng)是銅冶煉系統(tǒng)的配套裝置,凈化工序采用了美國(guó)Monsanto環(huán)境化學(xué)公司的動(dòng)力波洗滌技術(shù)吸收二氧化硫氣體。該技術(shù)具有世界先進(jìn)水平,在我國(guó)尚屬首次引進(jìn),其中的玻璃鋼設(shè)備結(jié)構(gòu)新、技術(shù)要求高、缺乏可資借鑒的先例、制作安裝難度較大,美方曾一再?gòu)?qiáng)調(diào)需從美國(guó)購(gòu)進(jìn)。Monsanto環(huán)境化學(xué)公司為此專門派譴專家赴連眾公司實(shí)地考察,在廣泛考察及論證的基礎(chǔ)上,認(rèn)為連眾公司在技術(shù)、裝備、管理、產(chǎn)品質(zhì)量等方面均已達(dá)到美國(guó)同類工廠的水平,有能力按Monsanto環(huán)境化學(xué)公司的要求,按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。這套煙氣脫硫洗滌系統(tǒng)主體由一級(jí)脫硫塔(也叫一級(jí)動(dòng)力波洗滌器)、氣體冷卻塔、二級(jí)脫硫塔(也叫二級(jí)動(dòng)力波洗滌器)及相應(yīng)的連接管路組成。最大直徑為6.7米,高度14.4米。按照要求,所有設(shè)備均采用機(jī)械纏繞為主、手工糊制為輔的制造工藝,主體設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)制作。
上述項(xiàng)目經(jīng)過(guò)6個(gè)月的建設(shè),安裝調(diào)試完畢,并順利通過(guò)了業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)院及Monsanto環(huán)境化學(xué)公司的聯(lián)合驗(yàn)收。動(dòng)力波脫硫洗滌系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐表明,該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制作、安裝各方面均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,具體表現(xiàn)在:
1、動(dòng)力波脫硫裝置投運(yùn)以來(lái),對(duì)保證全系統(tǒng)的高運(yùn)轉(zhuǎn)率起到了關(guān)鍵作用;
2、運(yùn)行1年后,會(huì)同Monsanto環(huán)境化學(xué)公司專家對(duì)動(dòng)力波脫硫系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面的性能考核測(cè)試,考核結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求,受到美國(guó)專家的高度評(píng)價(jià);
3、玻璃鋼塔體和盤管內(nèi)部光滑不結(jié)垢,脫硫效率90%以上,同時(shí)玻璃鋼耐腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格比鋼襯膠低,降低運(yùn)行成本和維修費(fèi)用10%。
玻璃鋼煙氣脫硫洗滌系統(tǒng)在我國(guó)的首次成功投運(yùn),標(biāo)志著我國(guó)硫酸工業(yè)煙氣和電廠脫硫凈化技術(shù)提高到了一個(gè)新的水平,也充分說(shuō)明我國(guó)具備設(shè)計(jì)、制作、安裝等方面的能力。
6結(jié) 論
1、用玻璃鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的合金鋼、碳鋼內(nèi)襯橡膠和碳鋼內(nèi)涂樹(shù)脂鱗片樹(shù)脂等材質(zhì)制造具有耐腐蝕性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)的煙氣脫硫裝置為脫硫設(shè)備國(guó)產(chǎn)化降低造價(jià)提供了途徑。
2、玻璃鋼經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)、制造和安裝,用于濕法脫硫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和整套裝置中,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,使用壽命長(zhǎng),運(yùn)行可靠,在國(guó)外已有廣泛的應(yīng)用,技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析是可行的。
3、用酚醛環(huán)氧型乙烯基樹(shù)脂做成的玻璃鋼具有良好抗熱震性,可以避免在溫度達(dá)200℃時(shí)熱震條件下產(chǎn)生的分層,能在200℃左右的煙氣中長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。
4、因玻璃鋼是各向異性材料,其優(yōu)良的性能來(lái)之于合理的設(shè)計(jì)、正確的選材和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝控制,因此,用于濕法脫硫系統(tǒng)的玻璃鋼在材料選擇和工藝方面有專門的要求。
5、建議建立應(yīng)用玻璃鋼作為脫硫裝置的示范工程,以促進(jìn)玻璃鋼這種新型復(fù)合材料在煙氣脫硫系統(tǒng)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。
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