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FRP玻璃鋼復合材料論壇

標題: 廢棄物焚燒裝置中的防腐技術 [打印本頁]

作者: alexwtt 時間: 2006-5-9 11:29
標題: 廢棄物焚燒裝置中的防腐技術
廢棄物焚燒裝置中的防腐技術
武  兵王天堂沈偉陸士平
(上海富晨化工有限公司 200233)
摘要：本文詳細闡述了廢棄物焚燒裝置中的驟冷塔、洗滌器、煙囪等部位的腐蝕原理和相應防腐材料技術，并對多年的實際防腐蝕應用經驗進行了系統(tǒng)的總結，這就為廢棄物焚燒裝置中的防腐提供可靠的處理方案，包括樹脂的選擇和設備的結構形式。
關鍵詞：廢棄物；乙烯基樹脂；防腐蝕；驟冷塔；洗滌器；煙囪

1．前言
改革開放以來，隨著國民經濟的高速發(fā)展、人口的不斷增多以及人民生活水平的日益提高，各種廢棄物的產生量也日漸增多,廢棄物對環(huán)境的污染已經成為日益嚴重的問題之一。如何經濟、有效地進行廢棄物處理已成為城市發(fā)展中一個不容忽視的問題，焚燒法是目前國內外最通用的廢棄物處理方法，是將廢棄物置于高溫爐中，使其中可燃成分充分燃燒后，煙氣經過達標處理后再通過煙囪排放的一種方法。因垃圾的成分復雜且含有大量的腐蝕性物質，一般的處理方法是采用濕法脫除有害氣體，煙氣中含有粉塵，二氧化硫、氟化氫、氯化氫、氮氧化物、水蒸氣、亞硫酸和硫酸等復雜的組分，并且酸堿交替，干濕交替，腐蝕與磨損并存，脫硫設備必須承受多種多樣的物理、化學、溫度和機械負荷，特別是其中新生的亞硫酸、硫酸、氫氟酸和鹽酸是導致設備腐蝕的主體。在此過程中有三個部位最容易受到腐蝕：1. 驟冷塔2.洗滌器3.煙囪
作為一個提供高性能特種防腐蝕樹脂的廠家，上海富晨化工有限公司多年來與該行業(yè)中的許多廠家建交了良好的合作機制，積極在行業(yè)中推廣高性能耐腐蝕非金屬材料，使困擾一些廠家多年的腐蝕問題得以解決，確保了裝置的長周期運轉，因此，本文結合多年的成功應用經驗和部分典型案例，對一些高性能耐腐蝕樹脂及其相關產品在廢棄物焚燒裝置中的應用加以總結。

2、焚燒裝置中主要部位的防腐蝕
2.1驟冷塔
2.1.1驟冷塔的工作環(huán)境
從廢棄物焚燒中產生的氣體在排放前必須予以凈化，此凈化過程通常先將熱氣體導人驟冷塔，在這里用水噴灑使熱氣體的溫度迅速下降。煙氣進口溫度一般在220℃左右,最高時達到300℃左右。煙氣從驟冷塔出來時溫度下降到40~70℃,進入洗滌器進行沖洗操作。
在此過程中, 煙氣的溫度降幅較大, 驟冷塔承受了很大的熱沖擊,而煙氣中含有的大量酸性腐蝕性物質,在溫度降低后形成酸霧則具有極強的腐蝕性，所以對制造驟冷塔的材料就有較高的要求：耐腐蝕、耐熱、耐熱沖擊。過去一般采用整體不銹鋼或碳鋼內襯防腐材料襯里的結構，但即使用不銹鋼如耐熱鎳合金（鎳含量大于50%）來制作,也不能使用很長時間，國外做過此類實驗，用耐熱鎳合金做的驟冷塔在使用6000h后5mm厚的鎳合金板已被腐蝕到只剩2mm。橡膠襯里的防腐蝕特性雖然不錯，但是承受不了這么高的熱沖擊，包括在FGD系統(tǒng)中和垃圾處理系統(tǒng)中，橡膠襯里的一般推薦使用溫度均不能超過100℃。襯磚曾經是一種傳統(tǒng)的材料，但是要求襯里不能有磚脫落，因此實際使用時很難找到一種能把磚和容器很好黏結起來的膠泥，另外襯磚工程造價相對來說也貴。所以過去碰到此類問題時，一般廠家會選用鈦合金來做，使用效果雖好，但價格過于昂貴。隨著有機類新材料的不斷推出，人們越來越希望能有一種新材料以較低的價格在此領域來取代鈦合金，滿足人們的使用要求。上海富晨公司作為專業(yè)的高性能防腐蝕樹脂的生產廠家，一直致力于此類材料的開發(fā)，經過幾年的努力，成功推出了一種新材料：高交聯(lián)密度的環(huán)氧乙烯基樹脂F(xiàn)UCHEM898，此樹脂是采用高環(huán)氧值、多官能的酚醛環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸反應而成，有很好的耐熱性能（Tg=190℃，HDT=155℃），此產品的熱變形溫度（HDT）高出標準的酚醛環(huán)氧乙烯基酯樹脂（如890樹脂等）20~30℃，實際使用時長期溫度可達到230℃，瞬間可承受的氣相高溫可達到300℃，可使其復合材料經得住驟冷塔中的熱沖擊，我們曾經用標準的酚醛環(huán)氧乙烯基做過對比試驗，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)標準型的酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂耐熱性能還不能很好的達到要求。該高交聯(lián)類型樹脂的特殊化學結構賦予了該樹脂獨特的理化特性，我們對此樹脂的耐高溫性能做了測試，從表中的數(shù)據(jù)可以得出：其玻璃鋼在高溫條件下仍具有高的強度保留率，結果見下表：
表1 連續(xù)高溫下的FUCHEM898樹脂玻璃鋼彎曲強度保留率

溫度彎曲強度保留率
7天 90天 180天 365天
200℃ 103% 83% 72% 63%
175℃ 100% 101% 87% 76%
150℃ 102% 97% 95% 86%
注：表中的數(shù)據(jù)表示經連續(xù)高溫放置后的彎曲強度保留率，以25℃下的彎曲強度為100%。
采用此樹脂制作的整體玻璃鋼驟冷塔，造價只有鈦合金的1/3左右，可以很好的滿足使用條件，正得到越來越廣泛的應用。
2．1．2整體玻璃鋼驟冷塔的特點
玻璃鋼是發(fā)展較早、應用廣泛的一種復合材料，具有十分顯著的性能特點，與金屬材料或其他無機材料相比，它具有重量輕、比強度高、電絕緣、耐瞬時超高溫等特點，是一種兼具功能和結構特性的新型材料，玻璃鋼驟冷塔較其他材料制成的驟冷塔更適用。因為其相對具有以下優(yōu)點：
 玻璃鋼能提供更寬范圍的耐腐蝕性能；
 由于玻璃鋼傳熱慢，保溫性好，在需要保溫的場合，玻璃鋼設備可以不需要隔熱層；
 玻璃鋼的材料成本相對要低；
 使用壽命更長；
 玻璃鋼比重小，使得其更易運輸，也意味著支撐用的鋼材更少。所以其綜合安裝費用更低。
2．1．3整體玻璃鋼驟冷塔的鋪層設計
為了使玻璃鋼設備達到最好的抗高溫和耐熱沖擊性能，玻璃鋼的鋪層設計顯得尤為重要，特別對于驟冷塔，所以驟冷塔的玻璃鋼鋪層設計應該考慮以下因素：一、氣體的熱容量低；二、玻璃鋼是導熱系數(shù)比較低，意味著即使氣體本身溫度較高，它也不能傳導足夠的熱量到玻璃鋼層板，使其整個玻璃鋼層板不能平均地達到與此氣體相同的溫度，從而造成因層間熱膨脹不同而產生層間應力的集中。其次這些氣體通過急冷部位時的流體形式實質上通常是湍流的，此湍流可引起塔壁的某些局部區(qū)域加熱到比其他地方更高的溫度，此溫差將導致熱膨脹的不同，從而在層板壁中引起應力的集中。為了克服或釋放其中的應力，必須改善層板的導熱性，所以在設計中我們推薦把導熱性能良好的增強材料（如碳纖維和石墨粉）復合到玻璃鋼層板中。
在驟冷塔的制作過程中，內襯層的制作顯得尤為重要，是影響玻璃鋼整體性能的關鍵，而其它部位的制作則是與其它玻璃鋼設備的制作工藝沒有差異。在內襯層制作時，應先用薄的碳纖維布做內表面增強層，其功能是要利用碳纖維布的良好導熱性確保把氣相溫度比較均勻地傳播到容器表面，從而消除層板壁上的應力，由于碳纖維的制作成本較高，接下來我們可以用短切氈制作次內襯層，樹脂中應加入15-20%的石墨填料，目的也是消除層間的應力。為檢驗此熱屏蔽的效果，我們將層板加熱到220度，然后用室溫的水管噴射，發(fā)現(xiàn)不含碳纖維和石墨的玻璃鋼層板發(fā)生分層，而含有碳纖維和石墨層交復結構的FRP則未出現(xiàn)分層。內襯層的厚度則由進入塔器的氣體的特性決定，一般是在3-5mm之間，制作時應嚴格控制纖維的含量以獲得均勻的層板。

圖2.1 內襯層剖面圖
2．1．4應用
在一海濱城市的垃圾焚燒廠中，整體玻璃鋼制作的驟冷塔已經使用將近三年，使用情況良好。

2．2洗滌器
2．2．1 洗滌器的工作環(huán)境
洗滌器是濕法煙氣脫除有害氣體成分的關鍵設備，洗滌系統(tǒng)內部環(huán)境十分復雜，固體、液體和氣體互相攙雜，臨界溫度起伏波動，化學反應交錯進行，在廢棄物的有腐蝕性介質含量，濕度，pH，露點溫度，氣速和沉積腐蝕等因素的影響下，尤其是反應產物乳液對設備腐蝕性很大，特別是高濃度的液態(tài)氯化物的存在可使低ph值乳液的腐蝕性大大增強，從而導致系統(tǒng)各部件受到嚴重腐蝕。由于洗滌器的工作原理是向煙氣噴射堿液，對洗滌器的內壁沖刷很嚴重，另外由于水蒸氣的滲透作用，對防腐材料的抗?jié)B性要求又提出了更高的要求，以前除金屬鈦材外，大部分金屬材料和非金屬材料在這種環(huán)境下的使用壽命都達不到一年。研究選擇合適的耐腐蝕材質是各國長期努力的目標，而乙烯基酯樹脂鱗片膠泥（vinyl ester glass flake mortar）的出現(xiàn)則引起國內外用戶的廣泛注意，如上海富晨化工有限公司引進和發(fā)展的VEGF高度耐蝕鱗片膠泥，由于其造價低、耐高溫、耐腐蝕的特點，在國內的眾多項目中得到了廣泛的應用。當前碳鋼內襯VEGF鱗片膠泥這一結構已成為首選的洗滌器及FGD設備中的防腐結構。我們首先對VEGF鱗片膠泥的特點做一個簡單的介紹。
2．2．2 VEGF鱗片膠泥的特點介紹
VEGF鱗片膠泥就是以環(huán)氧乙烯基樹脂為主要成膜物質，加入玻璃鱗片及其它輔材配置而成的一種新材料，此材料具有良好的抗?jié)B透性、耐磨性、耐熱沖擊性能和很好的工藝性，具體原因分析如下：
1》 VEGF鱗片膠泥具有較強的抗?jié)B透性，這個特性是與其的物料組成有關，玻璃鱗片在樹脂連續(xù)相中呈平行重疊排列，從而形成致密的防滲層結構。如圖2.1所示，腐蝕介質在固化后的膠泥中的滲透必須經過無數(shù)條曲折的途徑，因此在一定厚度的耐腐蝕層中，腐蝕滲透的距離得到了延長，客觀上相當于有效地增加了防腐蝕層的厚度。同時，在無玻璃鱗片增強情況下，樹脂基體連續(xù)相中會存在大量的所謂的“缺陷”，如微孔、氣泡、微縫等，這些缺陷的存在會加速或加快腐蝕介質的滲透速度，因為一旦介質滲透到這些缺陷中，滲透速度在提高的同時，接觸具有腐蝕性的介質的基體連續(xù)相的面積也隨之會加大，從而更加快了物理滲透和化學腐蝕的速度，而在VEGF玻璃鱗片膠泥中，由于平行排列的玻璃鱗片能夠有效的分割基體樹脂連續(xù)相中的這些“缺陷”，從而能夠有效的抑制腐蝕介質的滲透速度。
圖 2.2 VEGF鱗片膠泥防腐蝕示意圖
2》VEGF鱗片膠泥的耐磨性好是因為VEGF鱗片膠泥在固化后的硬度較高，比普通醇酸漆高2-3倍，如VEGF鱗片膠泥的耐磨性為120mg （CS-17W-500 g情況下），而受外機械損傷時，VEGF鱗片膠泥的破壞是局部的，其擴散趨勢小，易于修復。
3》VEGF鱗片涂料耐熱沖擊是因為涂層中含有許多玻璃鱗片，因此消除了涂層與鋼鐵之間的線膨脹系數(shù)的差別，VEGF鱗片膠泥涂層的線膨脹為11.5×10-6/℃,鋼鐵的線膨脹系數(shù)為12×10-6/℃，兩者之間比較相近，使VEGF鱗片膠泥適合于溫度交變的重腐蝕環(huán)境。我們進行了耐熱沖擊性能試驗，把涂有VEGF鱗片膠泥的鋼板交變放置在100℃沸水和0℃的冰水里各1小時，經100次交變試驗后未發(fā)現(xiàn)有任何異?，F(xiàn)象。
4》目前國內外大部分廠家生產的高溫鱗片膠泥都是使用標準的酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂（如890）為主要成膜物，使用溫度一般不能超過180℃等，而實際使用過程中，設備的工作溫度往往會超過180℃。比如我司設計施工的鹽城垃圾焚燒發(fā)電廠項目的長期使用溫度為195℃，如果采用標準的酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂會因為耐溫達不到要求而造成樹脂分子鏈不斷斷裂，強度迅速降低,在很小的外力作用下就會發(fā)生脫落而造成防腐失效，而使用高交聯(lián)的898制作的膠泥時就可以達到很好的使用效果。
2．2．3VEGF鱗片膠泥的施工方法（基層為碳鋼）：
      1》先將表面除油去污，之后再進行除銹，除銹等級應滿足不低于Sa2.0或St3標準。在銹面清理干凈后，用VEGF樹脂打底，待干后再進行下一步施工。
      2》用手工泥刀鏝刮成1-2mm(每道)厚的VEGF膠泥層，數(shù)小時后即硬化，再按設計要求施工至規(guī)定厚度。一般在每涂1mm厚度時進行檢測，以確認涂層是否有針孔或其它瑕疵。
3》用VEGF面涂樹脂罩面一至二道。
2．2．4應用：在蘇北一垃圾焚燒發(fā)電廠，碳鋼內襯VEGF鱗片膠泥的洗滌器雖然環(huán)境腐蝕大，工作溫度高，但使用情況良好。

2．3煙囪
洗滌后的煙氣，通過煙囪直接排放。煙氣雖然經過處理，但排放時仍含有部分腐蝕性介質，由于洗滌后的煙氣溫度較低，在低于酸的露點溫度時，容易形成由硫酸，鹽酸，HF組成的混合冷凝酸，對煙囪內壁造成嚴重的腐蝕。這種酸性混合凝液具有極強的腐蝕性，即使是合金剛也要被腐蝕，如何解決煙囪內壁的腐蝕問題，以維持裝置長時間的連續(xù)運行，在過去很長一段時間內都是令眾多廠家無法解決的一個難題。隨著高交聯(lián)型的環(huán)氧乙烯基樹脂F(xiàn)UCHEM898及以其為主要成膜物質的VEGF鱗片膠泥的推出，這些問題已得到了很好的解決。
2．3．1 煙囪的制法
在電廠及焚燒裝置中的煙囪除了常規(guī)不銹鋼等材料制作方法外，我們比較推薦其它兩種制作方法：碳鋼內襯VEGF鱗片膠泥和整體玻璃鋼制作，上述兩種具體制法和我們在前面已經介紹過的基本相同。在這些裝置中，若采用不銹鋼煙囪的制作方法雖然較為相對簡單，但是其防腐蝕的效果也不是特別的理想，尤其國內的一些焚燒裝置的運行不穩(wěn)定，一些裝置時開時停，更容易造成酸露點的出現(xiàn)，同時廢棄物中含有部分的含氯物質，煙氣中的氯含量不穩(wěn)定，導致不銹鋼的耐腐蝕性能大為下降。
VEGF材料襯里的制法與洗滌器的制法基本相同，適用于較大的煙囪。施工過程中需要注意的是鱗片膠泥要包覆煙囪頂部的邊緣，因為煙囪的頂部有一定的正壓的存在，使得這部分的腐蝕較嚴重，成為煙囪較為薄弱的環(huán)節(jié)，若鱗片膠泥包覆煙囪頂部，將不存在這種腐蝕危險。另外由于迎風面（筒體0-10m）要抵擋大量粉塵的磨損和可能出現(xiàn)的溫差變化，因此要進行FRP和耐磨特別加強處理。
整體玻璃鋼煙囪則是一個應用更為廣泛的形式，因為其具有以下特點：
1》整體纏繞的玻璃鋼（FRP）內側極為光滑，表面粗糙率可低至0.008，其水流摩擦阻損失系數(shù)f為0.000915，較鋼管（f=0.00179）能顯著減少沿程的流體壓力損失，提高輸送能力20%以上。
2》玻璃鋼的導熱系數(shù)只有鋼材的0.5%，在一定范圍內可以取消隔熱和保溫層。
3》在煙囪的實際運行中，溫度若低于80度，煙氣的腐蝕性是較重的，因為存在腐蝕性介質的“露點”問題，而在高于100度的煙氣腐蝕中，煙氣的腐蝕性較輕；而隨著現(xiàn)代防腐蝕樹脂的理化特性的發(fā)展，樹脂玻璃鋼在耐煙氣的腐蝕性、高溫作用上已沒有任何技術障礙。
4》采用整體纏繞制作的FRP煙囪的自持高度可以達到40m左右，因為其抗壓強度》80Mpa，所以FRP煙囪不存在力學強度上的技術問題；
5》玻璃鋼的密度較小，比較方便安裝和運輸。
在整體玻璃鋼煙囪在制作時，一般可先制成12米一段的桶體，然后再進行現(xiàn)場安裝。由于玻璃鋼的線膨脹系數(shù)較小，所以對于高度比較低的煙囪在安裝時可以不設膨脹節(jié)。對于高度比較高的煙囪一般選用橡膠類的膨脹節(jié)或者是加裝玻璃鋼支撐塊。
2．3．2 玻璃鋼煙囪與其他防腐結構的經濟比較
整體玻璃鋼煙囪在具有同等防腐效果的前提下，還具有很大的經濟優(yōu)勢，以下是我們以240m的煙囪做的一個采用不同材料的煙囪的經濟性比較
表：4.1煙囪材料典型造價
結構價格：萬元備注
鋼-鈦復合 2100
鋼-不銹鋼復合 1500
鋼-泡沫玻璃 1750
耐酸膠泥-耐酸磚 600 不含人工費、施工費、保溫費
玻璃鋼 1250
從上表中材料價格的比較我們可以得出以下結論：
1》整體玻璃鋼煙囪的造價只有鋼-鈦復合結構的50-60%左右；
2》整體玻璃鋼煙囪的造價相當于碳鋼+樹脂鱗片涂層的造價。
2．3．3煙囪應用：在福州一知名環(huán)保集團的垃圾焚燒裝置中，通過煙囪排放的煙氣溫度通常在150-180℃，但當某些非正常操作時，氣體溫度持續(xù)15-30分鐘達到230℃，該工廠原來通常使用不銹鋼結構的煙囪，使用壽命不超過12個月，后來他們嘗試使用全玻璃鋼結構，樹脂選用898樹脂，使用三年來情況良好。

3．總結
在煙氣處理過程中，還有一些其他部位受腐蝕也比較嚴重，如輸送煙氣的管道，現(xiàn)在在一些廢棄物焚燒裝置（包括圾焚燒（WI）和污泥焚燒（SI））中采用環(huán)氧乙烯基樹脂制作的大口徑管道已經得到大量的應用。總之在廢棄物的焚燒過程中，煙氣處理所涉及的驟冷塔、洗滌塔、煙囪和管道等裝置的制造和防腐結構的處理必須根據(jù)其介質環(huán)境進行合理的選材以及結構設計，隨著高性能防腐蝕樹脂的不斷開發(fā)和應用，以樹脂為基體材料的復合材料將以各種形式用于這些煙氣處理設備的制造中。下圖3-1是廢棄物處理流程的一個典型圖釋。

                     圖3-1
4．展望
隨著國家對環(huán)保的日益重視，我國已制定了一系列環(huán)保法規(guī)、標準、規(guī)廢棄物處理產業(yè)。廢棄物處理產業(yè)應積極開拓多種融資渠道，解決資金短缺問題；運用現(xiàn)代先進的、多元化的經營方式與經營手段，提高自身生存能力和盈利能力，在創(chuàng)造社會效益、環(huán)境效益的同時產生巨大的經濟效益，縮短投資回報周期、提高投資回報率。使廢棄物處理產業(yè)向健康的可持續(xù)的方向發(fā)展。我司也會加大研發(fā)速度，以滿足垃圾焚燒裝置（WI）和污泥焚燒裝置（SI）的更多防腐蝕方面的需要。
參考文獻：
1．王天堂、陸士平等，酚醛環(huán)氧乙烯基酯樹脂的性能及在耐高溫強腐蝕場合中的應用，全面腐蝕控制，2001年05期（4）。
2．王天堂、陸士平等，VEGF鱗片膠泥在煙氣脫硫裝置中的應用，中國環(huán)保產業(yè)，2002年Z1期。
3．沈開猷.不飽和聚酯樹脂及其應用.北京:化學工業(yè)出版社,1996。
4．化學工業(yè)部化工機械研究院主編，《腐蝕與防護手冊》《化學生產裝置的腐蝕與防護》，化學工業(yè)出版社出版，1991。
5．田中勤著，杜振華譯，玻璃鋼（FRP）成型工藝技術及應用，中國環(huán)境科學出版社，1996年1月，北京
6．中國腐蝕與防護學會主編，《合成樹脂及玻璃鋼》，化學工業(yè)出版社出版，1995。
Summary of Anti-corrosion Technology in Waste Incineration Units
Wu Bin Wang Tiantang Shen wei Lu Shiping
(Shanghai Fuchen Chemicals Corp., Shanghai 200233, P.R.China)
Abstract：in this paper anti-corrosion theory &technology is discussed in waste incineration units including quench，scrubber and stack on the basis of several years’ anti-corrosion engineering experience, as well related anti-corrosion technologies are covered, what is quite a guide for anti-corrosion application in these utilities including resin choice and its con-structure.
Keywords：wastes；vinyl ester resin；corrosion；quench；scrubber；stack

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