復合材料在煙氣脫硫等環(huán)境工程中的應用

復合材料在煙氣脫硫等環(huán)境工程中的應用

——復合材料發(fā)展與低碳經(jīng)濟高層研討會

張大厚（ 中冶建筑研究總院有限公司,北京100088 ）

摘　要：通過對當前國內(nèi)燃煤電廠煙氣脫硫系統(tǒng)防腐蝕案例的歷史、現(xiàn)狀進行分析和總結(jié)，結(jié)合國外發(fā)達國家在相關領域的應用經(jīng)驗進行簡要介紹，并結(jié)合我國復合材料原材料的供應現(xiàn)狀，提出復合材料在國內(nèi)燃煤電廠煙氣脫硫領域的發(fā)展方向和趨勢，供國內(nèi)同行參考。

關鍵詞：復合材料； 　電廠； 　脫硫系統(tǒng)； 現(xiàn)狀； 　展望

中圖分類號：TQ 327. 12   文獻標識碼：A  文章編號

The Used and Developing of FRP in the FGD System of Coal Fire Power

ZHANG Dahou

( The Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group , Beijing 100088 , China)

Abstract : In this paper, the history and the actual state of FRP application in the FGD system of coal fire power plant, and the application experience of FRP in America, Japan and Europe are briefly introduced. Then combined with the raw material supply, the development trend of FRP in the FGD system of coal fire power plant is presented.

Key words : composite; coal fire power plant ; 　 FGD system; actual state ; 　develop

1.  煙氣 的危害及煙氣脫硫進展

SO2 是造成大氣污染的主要污染物之一，有效控制工業(yè)煙氣中SO2是當前刻不容緩的環(huán)保課題。

據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署1988年公布的統(tǒng)計資料顯示,SO2已成為世界第一大污染物,人類每年向大氣排放的SO2達118億t。

我國2005年全國二氧化硫排放量高達2549萬噸，已成為世界SO2排放第一大國。由此造成的經(jīng)濟損失超過5000億元人民幣！

為遏制酸雨污染的進一步發(fā)展，1998年1月21 日國務院以國函[1998] 5號文批準了國家環(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，必須建設脫硫設施;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施或采取其它具有相當效果的措施。2008年，國家環(huán)�？偩钟志幹屏恕秶�家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規(guī)劃》，確保到2010年全國二氧化硫排放總量比2005年減少10%，控制在2294.4 萬噸以內(nèi)；火電行業(yè)二氧化硫排放量控制在1000 萬噸以內(nèi)，單位發(fā)電量二氧化硫排放強度比2005年降低50%。到2020年，全國二氧化硫排放總量在2010年的基礎上明顯下降。

據(jù)國家環(huán)保部《2009年中國環(huán)境狀況公報》公布的數(shù)據(jù)，最近幾年SO2排放量及行業(yè)分布，參見表1-1：

表1-1：我國近幾年二氧化硫及煙塵排放量統(tǒng)計

另據(jù)環(huán)保部2010年7月公布的《2009年度各省區(qū)市和五大電力集團主要污染物總量減排考核結(jié)果》，五大發(fā)電集團裝機容量、已脫硫機組容量如表1-2所示：

表1-2：2009年五大電力集團公司主要污染物總量減排考核結(jié)果

備注：表中數(shù)據(jù)未包括五大電力集團公司 2008 年并購的火力發(fā)電廠。

在這些SO2排放中，工業(yè)來源排放量占總排放量的84.27％。其中我國目前的1次能源消耗中，煤炭占76％，在今后若干年內(nèi)還有上升的趨勢。我國每年排入大氣的87％的SO2來源于煤的直接燃燒。其中大約一半來自于火力發(fā)電廠，隨著我國工業(yè)化進程的不斷加快，SO2的排放量也日漸增多。

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，對大氣造成嚴重污染，是酸雨的主要成因。目前，我國國土面積的40%已變成酸雨區(qū)，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)濟損失嚴重，成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。

在此情況下，解決問題的唯一出路，就在于開展煙氣脫硫。

按照前述《國家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規(guī)劃》的脫硫要求，僅電力行業(yè)在“十一五”期間需要進行脫硫改造的燃煤機組，共有1.37億千瓦，就會有數(shù)百億元的煙氣脫硫市場空間。按照目前的發(fā)展勢頭，到2020年，我國將形成7億千瓦的脫硫市場。

2. 脫硫技術及系統(tǒng)簡介

煙氣脫硫的基本原理，就是采用堿性物質(zhì)與燃煤中的SO2反應，生成石膏。

從具體工藝上講，又有干法（爐內(nèi)噴鈣）、濕法的區(qū)別。由于干法脫硫效率達不到環(huán)保要求，目前國內(nèi)極少采用。

在濕法脫硫工藝中，又包含鈣法（石灰石-石膏法）、鎂法、氨法等不同方法，但鈣法在國內(nèi)要占到90%的市場份額。

鈣法的基本原理，就是建造一座脫硫塔，煙氣從脫硫塔下部進入，脫硫劑石灰水通過噴淋管道從脫硫塔中上部噴淋而下，在塔體內(nèi)部與煙氣形成對流，從而將煙氣中的SO2洗滌干凈。隨后通過除霧器清除煙氣中的較大液滴后，從凈煙氣出口排入凈煙道，并經(jīng)過增壓風機增壓后，再通過凈煙道進入煙囪下部，最后由煙囪排入周圍大氣。

基本流程如圖2-1所示：

圖2-1：濕法煙氣脫硫基本流程圖（顏色代表溫度，暖色代表較高高溫）

3. 脫硫后煙氣的腐蝕性及防腐蝕技術

    3.1  脫硫煙氣的腐蝕性

燃煤煙氣脫硫前，由于煙氣溫度一般在120℃以上（對于老式燃煤鍋爐而言會高達150℃）以上，含水率也低于5%。此時雖然含有較多的SO2、SO3等強腐蝕性介質(zhì)，但是由于不能在煙道、煙囪內(nèi)表面形成足夠量的結(jié)露水珠，這些強腐蝕性介質(zhì)只能是以氣態(tài)存在，因而對所涉及的設備腐蝕性較弱，一般將此時煙氣的腐蝕性定性為“弱”。

引入濕法煙氣脫硫工藝之后，雖然煙氣中95%的SO2被清除，但是脫硫后的煙氣含水率卻上升至13%左右，變?yōu)轱柡退�蒸氣，溫度也下降�?5℃～50℃（有GGH時煙氣溫度為80℃左右），遠低于水蒸氣的凝結(jié)溫度，因而會在煙道、煙囪內(nèi)表面形成明顯的結(jié)露水流。此外，目前所用的鈣法脫硫技術，對煙氣中具有強腐蝕性的SO3的脫除率只有大約30%，這部分SO3遇到結(jié)露水之后，立即形成硫酸，從而對脫硫塔及附屬設備、煙道、煙囪等產(chǎn)生嚴重的腐蝕。

基于對濕法煙氣脫硫系統(tǒng)及設備防腐蝕材料30多年的持續(xù)調(diào)研，美國電力研究院（EPRI）、國際能源署（IEA）等均將脫硫后煙氣的腐蝕性確定為“強”腐蝕等級。

3.2  國內(nèi)脫硫煙氣腐蝕性研究歷程

為了降低燃煤中SO2給環(huán)境帶來的危害，我國早在1992年就開始了燃煤電廠的煙氣脫硫試驗^{[3], [4]}，脫硫效率高達95%以上。

但是，由于種種原因，國內(nèi)電力行業(yè)在進行濕法煙氣脫硫的過程中，對于脫硫煙氣的腐蝕性認識不足，一些學者不深入進行實際研究，只是簡單地套用，并用煙氣腐蝕性指數(shù)Kc來判斷煙氣對煙囪及尾部煙道腐蝕的強弱，給脫硫系統(tǒng)的防腐蝕工作帶來了較為嚴重的誤導作用。因為從表面上看，煙氣中95%SO2被脫除，煙氣溫度也明顯下降，按照原來的干煙氣腐蝕性指數(shù)計算公式進行套用，所得出的腐蝕性指數(shù)很低，結(jié)論肯定是“弱腐蝕性”。再加上國內(nèi)工業(yè)界一直以來存在的希望“少花錢、多辦事”的思維方式據(jù)此有了理論依據(jù)，結(jié)果是2009年以前國內(nèi)電力行業(yè)在脫硫系統(tǒng)、煙道、煙囪防腐蝕方面花費甚少，僅僅是簡單地模仿于2004年引進國內(nèi)的賓高德發(fā)泡玻璃磚煙囪防腐蝕體系，而在國內(nèi)推出仿制品——國產(chǎn)廢玻璃制造的發(fā)泡玻璃磚和硅橡膠粘接劑防腐蝕體系，并大量采用，導致在加裝濕法煙氣脫硫裝置之后較短的時間內(nèi)，脫硫煙囪就出現(xiàn)了較為嚴重的腐蝕：有的電廠已進行國產(chǎn)發(fā)泡玻璃磚防腐蝕施工的脫硫用鋼煙囪，僅僅使用了2個月左右，就出現(xiàn)了直徑達210mm的穿孔^[6]；南方某電廠脫硫煙囪采用鋼內(nèi)筒，國產(chǎn)廢玻璃發(fā)泡玻璃磚做內(nèi)防腐，結(jié)果不到1年，即發(fā)現(xiàn)整個鋼內(nèi)筒已被腐蝕得很嚴重，必須立即更換[7]！

此外，河北某電廠煙囪采用國產(chǎn)廢玻璃發(fā)泡玻璃磚防腐蝕，僅僅使用了半年，就由于嚴重腐蝕滲漏而不得不報廢，預計經(jīng)濟損失超過5000萬元！山東某廠煙囪采用國產(chǎn)發(fā)泡玻璃磚進行內(nèi)防腐，投入使用僅僅2個月即出現(xiàn)內(nèi)筒垮塌、脫落，不得不緊急停機維修，已造成4000多萬元的損失。預計進行徹底維修之后，總體損失會在1億元人民幣以上！

也有一些電廠采用聚脲做內(nèi)防腐蝕層，結(jié)果不到半年即出現(xiàn)大面積開裂、脫落；有些電廠采用耐酸膠泥做內(nèi)防腐蝕層，最快投入使用只有28天，脫硫冷凝水即將煙囪磚內(nèi)筒滲透；筆者參與處理的一起脫硫煙囪嚴重腐蝕案例，則是在投產(chǎn)僅僅1個月，即在煙囪100m以上的部位，出現(xiàn)大量滲漏，6個月之后檢測發(fā)現(xiàn)，煙囪混凝土結(jié)構已有42mm被腐蝕、鋼筋直徑減小2mm以上而不得不退出運行，進行全面地結(jié)構加固和再防腐施工，預計整個整改工期將持續(xù)1年，經(jīng)濟損失巨大！在凈煙道防腐蝕方面，同樣由于電廠、脫硫公司對于防腐蝕認識上的不足，導致有的電廠脫硫設施投產(chǎn)不到3個月，即導致“鋼板+玻璃鱗片防腐蝕”煙道被大面積腐蝕穿孔，失去維修價值：

3.2  國外脫硫煙囪防腐蝕技術簡介

在國外，隨著1970年代煙氣脫硫技術的大規(guī)模推廣應用，對脫硫煙氣的防腐蝕技術研究也隨之展開。

在進行脫硫煙氣腐蝕性及防腐蝕技術研究的各類國際機構中，以創(chuàng)建于1973年的美國電力研究院 （the Electric Power Research Institute，簡稱EPRI）和成立于1976年的國際能源署清潔煤中心 （Clean Coal Centre，International Energy Agency）在脫硫煙氣防腐蝕技術研究方面較為全面和權威。

EPRI 經(jīng)過30多年對美國脫硫煙氣防腐蝕案例調(diào)研和經(jīng)驗總結(jié)，于1996年編寫了《濕煙囪設計導則 WET STACKS DESIGN GUIDE》，對曾經(jīng)用于美國燃煤電廠脫硫煙囪內(nèi)壁的各類防腐蝕材料進行了長期跟蹤調(diào)研，并對這些材料的建造費用、使用過程中的維護費用和全壽命成本等進行了對比分析和評價。美國材料試驗協(xié)會（ASTM）也自1970年代起即制定、頒布了玻璃鋼煙囪規(guī)范，用于指導玻璃鋼煙囪的設計、制造、安裝及使用，并且及時將玻璃鋼新技術通過規(guī)范修訂的方式反映出來。美國政府能源部礦物燃料辦公室（U.S. Department of Energy，Office of Fossil Energy）據(jù)此于1999年推出了DOE/FE-0400號燃煤電廠推薦性設計方案《MARKET-BASED ADVANCED COAL POWER SYSTEMS FINAL REPORT MAY 1999》[8]，將“鋼筋混凝土外筒 + FRP內(nèi)筒”作為美國燃煤電廠脫硫煙囪的唯一推薦方案。

由于玻璃鋼材料用于脫硫煙囪內(nèi)筒具有如此眾多的技術、經(jīng)濟優(yōu)勢，最近十幾年來，“鋼筋混凝土外筒 + FRP內(nèi)筒”的脫硫煙囪形式，已成為美國燃煤電廠脫硫煙囪的主要結(jié)構形式，參見下表3-1：

表3-1：最近幾年美國玻璃鋼煙囪的建造數(shù)量[10]

在歐洲，國際能源署清潔煤中心于2006年出版的《SOx emissions and control》一書第12章專門介紹了該機構對燃煤電廠脫硫系統(tǒng)防腐蝕材料的研究成果。該書對脫硫系統(tǒng)防腐蝕材料的耐腐蝕性能評價結(jié)果如表3-2所示，不同材料用作脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯時的耐應力疲勞性能試驗結(jié)果如表3-3所示，而如果由這些材料來建造脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯，其造價對比如表3-4所示：

表3-2：不同材料在脫硫系統(tǒng)中的的耐腐蝕性能 [11]

表3-3：不同材料用作脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯時的耐應力疲勞性能[11]

表3-4：不同材料建造脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯的其造價對比[11]

（煙囪高度70m，內(nèi)徑3m，造價按照1996年材料費用計算）

    由以上對比數(shù)據(jù)可見，玻璃鋼是用作燃煤電廠脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯性能比最高的防腐蝕材料。

3.3  國內(nèi)玻璃鋼用作脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯的研究與應用現(xiàn)狀

在國內(nèi)采用玻璃鋼做腐蝕性氣體排放煙囪與國際上基本同步，始于20世紀60年代。據(jù)中冶建筑研究總院科技檔案資料記載，早在1965年12月即會同鞍鋼冷軋廠、鞍鋼設計院等單位，建造了高度為40m的酸洗廢氣排放鋼煙囪玻璃鋼內(nèi)襯，安全使用至1976年因該冷軋車間擴建需要拆除該煙囪時，玻璃鋼內(nèi)襯仍然完好；1975年又會同沈陽冶煉廠建造了國內(nèi)第一座整體纏繞式玻璃鋼煙囪，高度102m、直徑2.5m。該煙囪安全使用了近20年多年，直到1996年前后需要進行產(chǎn)能擴建才被拆除，充分顯示了玻璃鋼用作排煙筒的優(yōu)異性能。

基于國內(nèi)開展大規(guī)模燃煤電廠濕法煙氣脫硫后給煙囪帶來的嚴重腐蝕問題急需解決，中冶建筑研究總院于2005年開始，會同有關電力設計院開展玻璃鋼煙囪在燃煤電廠脫硫煙囪上的設計和應用技術研究，并于2006年設計、建造了國內(nèi)第一座電廠用玻璃鋼煙囪，高度180m、直徑6.6m，最高使用溫度180℃。但是，在安裝的最后階段，由于安裝工人的違章作業(yè)，導致該煙囪被燒毀。

此外，國內(nèi)某單位還推出了預制玻璃鋼板材拼裝式玻璃鋼煙囪，即通過鈦合金釘將預制玻璃鋼板材固定在現(xiàn)有煙囪內(nèi)壁，然后采用手糊法密封板縫和鈦合金固定孔。該設計方案有一定的新穎性，但是由于未能考慮到煙囪的實際運行工況，導致投入運行2個月之后即出現(xiàn)預制板脫落、煙囪出現(xiàn)滲漏，維修一次之后仍然不能解決問題，業(yè)主不得不改用其他方案[12]。

4. 玻璃鋼煙囪在國內(nèi)的應用前景

（1）、從國內(nèi)燃煤電廠脫硫煙囪防腐蝕現(xiàn)狀來看，由于防腐蝕方案及施工質(zhì)量控制等原因，已經(jīng)給電力行業(yè)帶來了數(shù)十億元人民幣的經(jīng)濟損失，到了必須盡快解決的刻不容緩的程度；

（2）、整體纏繞式玻璃鋼煙囪，在國內(nèi)冶金行業(yè)已經(jīng)有長期安全應用的業(yè)績，雖然在電力行業(yè)的第一項業(yè)績由于配合工種的原因而出現(xiàn)了意外，但從發(fā)達國家30多年的應用歷史及近期建造案例來看，必將是解決國內(nèi)燃煤電廠脫硫煙囪防腐蝕難題的唯一出路。

參考文獻 ：

[1] Journal Air Pollution Control Association, “A History of Fuel Gas Desulfurization System Since 1985 ”, Oct. 1977.

[2] “FGD Installations on Coal-fired plants”, 1989, IEA Coal Research Report.

[3] 馨砉. 珞璜電廠首次引進大型排煙脫硫裝置. 中國電力報/2006 年/6 月/6 日/第007 版.

[4] 張可鉅. 珞璜電廠4×360MW機組煙氣脫硫工程評述.電力環(huán)境保護[J].2000年第4期，P1-11.

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[6] 沈?qū)氈? 華能上海石洞口第二電廠#2 煙囪鋼內(nèi)筒水平煙道入口處局部腐蝕及修復情況. 火力發(fā)電廠脫硫煙囪防腐技術研討會議. 2009.08，上海.

[7] 楊清發(fā). 某電廠煙囪鋼內(nèi)筒腐蝕破壞的案例介紹. 火力發(fā)電廠脫硫煙囪防腐技術研討會議. 2009.08，上海.

[8] ASTM D 5364-93 (Reapproved 2002) Standard Guide for Design, Fabrication, and Erection of Fiberglass Reinforced Plastic Chimney Liners with Coal-Fired Units.

[9] DOE/FE-0400. U.S. Department of Energy ，Office of Fossil Energy，MARKET-BASED ADVANCED COAL POWER SYSTEMS FINAL REPORT MAY 1999.

[10] Thom Johnson, Don Kelley, Mike Stevens. The Rapid Growth of Composites in Air Pollution Control Processes. 8th Annual COAL-GEN Conference ，August 13, 2008 - August 15, 2008，Kentucky International Convention Center.

[11] Deborah M B Adams, Anne M Carpenter, Lee B Clarke, Robert M Davidson, Rohan Fernando, Kazunori Fukasawa, David H Scott, Irene M Smith, Lesley L Sloss, Hermin é Nalbandian Soud, Mitsuru Takeshita, Zhangfa Wu. SOx emissions and control. 2006 ， IEA Clean Coal Centre .

[12] 王洪斌. 一期煙囪防腐整改技術研究. 火力發(fā)電廠脫硫煙囪防腐技術研討會議. 2009.08，上海.

張大厚，男，復合材料專業(yè)工學碩士；中冶建筑研究總院有限公司（中冶集團建筑研究總院）防腐蝕專業(yè)教授級高級工程師，中國工業(yè)防腐蝕技術協(xié)會和中國化工企業(yè)管理協(xié)會防腐蝕大師、中國工業(yè)防腐蝕技術協(xié)會常務理事、專家委員會副主任委員。最近10年來主要從事燃煤電廠濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的防腐蝕工程技術服務。