復(fù)合材料在煙氣脫硫等環(huán)境工程中的應(yīng)用

復(fù)合材料在煙氣脫硫等環(huán)境工程中的應(yīng)用

——復(fù)合材料發(fā)展與低碳經(jīng)濟(jì)高層研討會(huì)

張大厚（ 中冶建筑研究總院有限公司,北京100088 ）

摘　要：通過對(duì)當(dāng)前國(guó)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(jìn)行分析和總結(jié)，結(jié)合國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并結(jié)合我國(guó)復(fù)合材料原材料的供應(yīng)現(xiàn)狀，提出復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)燃煤電廠煙氣脫硫領(lǐng)域的發(fā)展方向和趨勢(shì)，供國(guó)內(nèi)同行參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料； 　電廠； 　脫硫系統(tǒng)； 現(xiàn)狀； 　展望

中圖分類號(hào)：TQ 327. 12   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)

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(jìn)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(dāng)前刻不容緩的環(huán)保課題。

據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署1988年公布的統(tǒng)計(jì)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(dá)118億t。

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

為遏制酸雨污染的進(jìn)一步發(fā)展，1998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。2008年，國(guó)家環(huán)�？偩钟志幹屏恕秶�(guó)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(guó)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(qiáng)度比2005年降低50%。到2020年，全國(guó)二氧化硫排放總量在2010年的基礎(chǔ)上明顯下降。

據(jù)國(guó)家環(huán)保部《2009年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》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(guó)近幾年二氧化硫及煙塵排放量統(tǒng)計(jì)

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(tuán)主要污染物總量減排考核結(jié)果》，五大發(fā)電集團(tuán)裝機(jī)容量、已脫硫機(jī)組容量如表1-2所示：

表1-2：2009年五大電力集團(tuán)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(tuán)公司 2008 年并購(gòu)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(guó)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(shì)。我國(guó)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(guó)工業(yè)化進(jìn)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(duì)大氣造成嚴(yán)重污染，是酸雨的主要成因。目前，我國(guó)國(guó)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(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。

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(guó)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(jìn)行脫硫改造的燃煤機(jī)組，共有1.37億千瓦，就會(huì)有數(shù)百億元的煙氣脫硫市場(chǎng)空間。按照目前的發(fā)展勢(shì)頭，到2020年，我國(guó)將形成7億千瓦的脫硫市場(chǎng)。

2. 脫硫技術(shù)及系統(tǒng)簡(jiǎn)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(yīng)，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(dá)不到環(huán)保要求，目前國(guó)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(guó)內(nèi)要占到90%的市場(chǎng)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(jìn)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(duì)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(fēng)機(jī)增壓后，再通過凈煙道進(jìn)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(shù)

    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(duì)于老式燃煤鍋爐而言會(huì)高達(dá)150℃）以上，含水率也低于5%。此時(shí)雖然含有較多的SO2、SO3等強(qiáng)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(qiáng)腐蝕性介質(zhì)只能是以氣態(tài)存在，因而對(duì)所涉及的設(shè)備腐蝕性較弱，一般將此時(shí)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(shí)煙氣溫度為80℃左右），遠(yuǎn)低于水蒸氣的凝結(jié)溫度，因而會(huì)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(shù)，對(duì)煙氣中具有強(qiáng)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(duì)脫硫塔及附屬設(shè)備、煙道、煙囪等產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。

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

3.2  國(guó)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(guó)早在1992年就開始了燃煤電廠的煙氣脫硫試驗(yàn)^{[3], [4]}，脫硫效率高達(dá)95%以上。

但是，由于種種原因，國(guó)內(nèi)電力行業(yè)在進(jìn)行濕法煙氣脫硫的過程中，對(duì)于脫硫煙氣的腐蝕性認(rèn)識(shí)不足，一些學(xué)者不深入進(jìn)行實(shí)際研究，只是簡(jiǎn)單地套用，并用煙氣腐蝕性指數(shù)Kc來判斷煙氣對(duì)煙囪及尾部煙道腐蝕的強(qiáng)弱，給脫硫系統(tǒng)的防腐蝕工作帶來了較為嚴(yán)重的誤導(dǎo)作用。因?yàn)閺谋砻嫔峡�，煙氣�?5%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(jì)算公式進(jìn)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(guó)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(guó)內(nèi)電力行業(yè)在脫硫系統(tǒng)、煙道、煙囪防腐蝕方面花費(fèi)甚少，僅僅是簡(jiǎn)單地模仿于2004年引進(jìn)國(guó)內(nèi)的賓高德發(fā)泡玻璃磚煙囪防腐蝕體系，而在國(guó)內(nèi)推出仿制品——國(guó)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(dǎo)致在加裝濕法煙氣脫硫裝置之后較短的時(shí)間內(nèi)，脫硫煙囪就出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕：有的電廠已進(jìn)行國(guó)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(gè)月左右，就出現(xiàn)了直徑達(dá)210mm的穿孔^[6]；南方某電廠脫硫煙囪采用鋼內(nèi)筒，國(guó)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(gè)鋼內(nèi)筒已被腐蝕得很嚴(yán)重，必須立即更換[7]！

此外，河北某電廠煙囪采用國(guó)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(yán)重腐蝕滲漏而不得不報(bào)廢，預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失超過5000萬元！山東某廠煙囪采用國(guó)產(chǎn)發(fā)泡玻璃磚進(jìn)行內(nèi)防腐，投入使用僅僅2個(gè)月即出現(xiàn)內(nèi)筒垮塌、脫落，不得不緊急停機(jī)維修，已造成4000多萬元的損失。預(yù)計(jì)進(jìn)行徹底維修之后，總體損失會(huì)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(yán)重腐蝕案例，則是在投產(chǎn)僅僅1個(gè)月，即在煙囪100m以上的部位，出現(xiàn)大量滲漏，6個(gè)月之后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，煙囪混凝土結(jié)構(gòu)已有42mm被腐蝕、鋼筋直徑減小2mm以上而不得不退出運(yùn)行，進(jìn)行全面地結(jié)構(gòu)加固和再防腐施工，預(yù)計(jì)整個(gè)整改工期將持續(xù)1年，經(jīng)濟(jì)損失巨大！在凈煙道防腐蝕方面，同樣由于電廠、脫硫公司對(duì)于防腐蝕認(rèn)識(shí)上的不足，導(dǎo)致有的電廠脫硫設(shè)施投產(chǎn)不到3個(gè)月，即導(dǎo)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(jià)值：

3.2  國(guó)外脫硫煙囪防腐蝕技術(shù)簡(jiǎn)介

在國(guó)外，隨著1970年代煙氣脫硫技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，對(duì)脫硫煙氣的防腐蝕技術(shù)研究也隨之展開。

在進(jìn)行脫硫煙氣腐蝕性及防腐蝕技術(shù)研究的各類國(guó)際機(jī)構(gòu)中，以創(chuàng)建于1973年的美國(guó)電力研究院 （the Electric Power Research Institute，簡(jiǎn)稱EPRI）和成立于1976年的國(guó)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(shù)研究方面較為全面和權(quán)威。

EPRI 經(jīng)過30多年對(duì)美國(guó)脫硫煙氣防腐蝕案例調(diào)研和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，于1996年編寫了《濕煙囪設(shè)計(jì)導(dǎo)則 WET STACKS DESIGN GUIDE》，對(duì)曾經(jīng)用于美國(guó)燃煤電廠脫硫煙囪內(nèi)壁的各類防腐蝕材料進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤調(diào)研，并對(duì)這些材料的建造費(fèi)用、使用過程中的維護(hù)費(fèi)用和全壽命成本等進(jìn)行了對(duì)比分析和評(píng)價(jià)。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（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(dǎo)玻璃鋼煙囪的設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用，并且及時(shí)將玻璃鋼新技術(shù)通過規(guī)范修訂的方式反映出來。美國(guó)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(hào)燃煤電廠推薦性設(shè)計(jì)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(guó)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(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，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(guó)燃煤電廠脫硫煙囪的主要結(jié)構(gòu)形式，參見下表3-1：

表3-1：最近幾年美國(guó)玻璃鋼煙囪的建造數(shù)量[10]

在歐洲，國(guó)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(jī)構(gòu)對(duì)燃煤電廠脫硫系統(tǒng)防腐蝕材料的研究成果。該書對(duì)脫硫系統(tǒng)防腐蝕材料的耐腐蝕性能評(píng)價(jià)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(shí)的耐應(yīng)力疲勞性能試驗(yàn)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(jià)對(duì)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(shí)的耐應(yīng)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(jià)對(duì)比[11]

（煙囪高度70m，內(nèi)徑3m，造價(jià)按照1996年材料費(fèi)用計(jì)算）

    由以上對(duì)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(guó)內(nèi)玻璃鋼用作脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)采用玻璃鋼做腐蝕性氣體排放煙囪與國(guó)際上基本同步，始于20世紀(jì)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(huì)同鞍鋼冷軋廠、鞍鋼設(shè)計(jì)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(kuò)建需要拆除該煙囪時(shí)，玻璃鋼內(nèi)襯仍然完好；1975年又會(huì)同沈陽冶煉廠建造了國(guó)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(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)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(guó)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(yán)重腐蝕問題急需解決，中冶建筑研究總院于2005年開始，會(huì)同有關(guān)電力設(shè)計(jì)院開展玻璃鋼煙囪在燃煤電廠脫硫煙囪上的設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)研究，并于2006年設(shè)計(jì)、建造了國(guó)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(dǎo)致該煙囪被燒毀。

此外，國(guó)內(nèi)某單位還推出了預(yù)制玻璃鋼板材拼裝式玻璃鋼煙囪，即通過鈦合金釘將預(yù)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(shè)計(jì)方案有一定的新穎性，但是由于未能考慮到煙囪的實(shí)際運(yùn)行工況，導(dǎo)致投入運(yùn)行2個(gè)月之后即出現(xiàn)預(yù)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(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景

（1）、從國(guó)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(jì)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(guó)內(nèi)冶金行業(yè)已經(jīng)有長(zhǎng)期安全應(yīng)用的業(yè)績(jī)，雖然在電力行業(yè)的第一項(xiàng)業(yè)績(jī)由于配合工種的原因而出現(xiàn)了意外，但從發(fā)達(dá)國(guó)家30多年的應(yīng)用歷史及近期建造案例來看，必將是解決國(guó)內(nèi)燃煤電廠脫硫煙囪防腐蝕難題的唯一出路。

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張大厚，男，復(fù)合材料專業(yè)工學(xué)碩士；中冶建筑研究總院有限公司（中冶集團(tuán)建筑研究總院）防腐蝕專業(yè)教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)工業(yè)防腐蝕技術(shù)協(xié)會(huì)和中國(guó)化工企業(yè)管理協(xié)會(huì)防腐蝕大師、中國(guó)工業(yè)防腐蝕技術(shù)協(xié)會(huì)常務(wù)理事、專家委員會(huì)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(shù)服務(wù)。