高性能鳞片涂料在脱硫烟囱防腐蚀中的应用

〔摘要〕分析了湿法烟气脱硫工艺对脱硫装置及烟囱的腐蚀情况,对几种典型的衬里结构进行比较,介绍了高性能防腐蚀鳞片涂料的应用要求和工程实例。
〔关键词〕烟气脱硫;烟囱;防腐蚀;鳞片涂料;高性能
1前言
我国是一个能源结构以燃煤为主的国家，大气污染属煤烟型污染，粉尘、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）是我国大气的主要污染物。随着国民经济的快速发展,煤炭消耗量不断增加,全国煤炭消耗量从1990年9.8亿t增加到1995年12.8亿t，二氧化硫排放总量随着煤炭消费量的增长而急剧增加。到1995年全国二氧化硫排放总量达到2 370万t,2005年煤炭产量达到21.9亿t,全国二氧化硫排放总量达到2 549万t位居世界第一。其中火电厂排放二氧化硫接近总量的50%[1]。因此我国的能源结构特点导致了较多的重腐蚀情况，形成了酸雨等污染情况，尤其是燃煤电厂中,对于二氧化硫或氮氧化物的防治是势在必行。目前国内外较为有效的手段是采用烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization简称“FGD”）技术。而采用湿式石灰石/石膏法是国外应用最多和最成熟的烟气脱硫工艺,也是国内火电厂脱硫的主导工艺。由于脱硫后的烟气温度一般都在硫酸的露点以下,因此对于不同结构形式的烟囱内壁,均有不同程度的腐蚀发生。采用结构可靠、防腐蚀性能优良、经济合理的排气烟囱,是脱硫装置设计的课题之一。
2湿法烟气脱硫工艺的腐蚀情况
湿式石灰石/石膏法脱硫工艺主要流程是,锅炉的烟气从引风机出口侧的烟道接口进入烟气脱硫(FGD)系统。在烟气进入脱硫吸收塔之前经增压风机升压,然后通过烟气———烟气加热器(GGH),将烟气的热量传输给吸收塔出口的烟气,使吸收塔入口烟气温度降低,有利于吸收塔安全运行,同时吸收塔出口的清洁烟气则由GGH加热升温,烟气温度升高,有利于烟气扩散排放。GGH之前设的增压风机,用以克服脱硫系统的阻力,加热后的清洁烟气靠增压风机的压送排入烟囱。当不设GGH加热器加热系统时,烟气温度一般在47～51℃[2]。烟气经过脱硫后,烟气中的二氧化硫的含量大
大减少,而洗涤的方法对除去烟气中少量的三氧化硫效果并不好,因此仍然残留近5%～10%的二氧化硫和三氧化硫。由于经湿法脱硫,烟气湿度增加、温度降低,烟气极易在烟囱的内壁结露,烟气中残余的三氧化硫溶解后,形成腐蚀性很强的稀硫酸液。从而得知脱硫烟囱内的烟气有以下特点：
(1)烟气中水份含量高,烟气湿度很大；
(2)烟气温度低,脱硫后的烟气温度在47～51℃之间,经GGH加温器升温后一般在80℃左右；
(3)烟气中含有酸性氧化物,使烟气的酸露点温度降低；
(4)烟气中的酸液的浓度低,渗透性较强;
(5)烟气中的氯离子遇水蒸气形成氯酸,化合温度约为60℃,低于氯酸露点温度就会产生严重的腐蚀,在化合中即使少量的氯化物也会造成严重腐蚀。
由于脱硫烟囱内烟气的上述特点,在对烟囱设计时有如下影响:①烟气湿度大，含有的腐蚀性介质在烟气压力和湿度的双重作用下,结露形成的冷凝物具有很强的腐蚀性,对烟囱内侧结构致密度差的材料产生腐蚀,影响结构耐久性;②低浓度稀硫酸液比高浓度的酸液腐蚀性更强;③酸液的温度在40～80℃时,对结构材料的腐蚀性特别强。以钢材为例,40～80℃时的腐蚀速度比在其它温度时高出约3～8倍。
由此可知，排放脱硫烟气的烟囱比排放普通未脱硫烟气的烟囱对其防腐蚀设计要求要高得多。而烟囱主要是在以下工况下运行：排放未经脱硫的烟气,进入烟囱的烟气温度在130℃左右,在此条件下,烟囱内壁处于干燥状态,烟气对烟囱内壁材料属气态均匀腐蚀,腐蚀情况相当轻微。排放经湿法脱硫后的烟气,烟气经GGH系统加热,进入烟囱的烟气温度在80℃左右，烟囱内壁有轻微结露,导致排烟内筒内侧积灰。根据排放烟气成分及运行等条件的不同,结露腐蚀状况将有所变化。排放经湿法脱硫后的烟气,进入烟囱的烟气温度在47～51℃,烟囱内壁有严重结露沿筒壁有结露的酸液流淌。
在设有脱硫系统的电厂,运行时烟气有可能不进入脱硫装置,而通过旁路烟道进入烟囱,此时烟气温度较高,一般在130℃左右,故设计烟囱时,还必须考虑运行在此温度工况下对烟囱的影响。同时在烟囱的防腐蚀设计中应该考虑到以下几个综合因素：残留的灰粉平均粒度（大约10um）、灰粉的硬度（约莫式硬度7.0）、灰粉的冲击能量(2.05×10-12J)、灰粉的浓度（600mg/m3）、烟囱的最大曲率变化（实际不大于1%）。在上述低温下,含饱和水蒸汽的净烟气容易冷凝产生腐蚀性的硫酸、亚硫酸液、或其它化合物,对吸收塔后烟道和烟囱有很强的腐蚀性,这就给脱硫装置带来了严重的露点腐蚀问题。
3湿法脱硫系统烟囱的防腐蚀材料选择工艺的选材
在FGD系统中对材质的耐蚀、耐磨、耐温要求极为严格；同时,脱硫系统要求与电站主机、主炉同步运行,这样对脱硫系统的可靠性、利用率和使用寿命要求也极高。各国依据本国的燃料质量、环保的要求和经济承受力,在选择脱硫设备的材质方面也不尽相同。如美国主要采用耐酸腐蚀的金属合金薄板材作内衬,材料包括镍基合金板（C-276、C22）、钛板（TiCr2）等;德国采用碳钢内衬橡胶和玻璃钢；日本采用碳钢内涂玻璃鳞片。为了克服湿法烟气脱硫系统中脱硫塔、烟道和烟囱及衬里的腐蚀，我国在寻求一种造价低、耐高温、耐腐蚀的材料。而引起国内用户广泛注意的是耐蚀鳞片胶泥的适用性,根据树脂基体基材的不同,有2种可供选择：①环氧树脂鳞片胶泥;②乙烯基酯树脂鳞片胶泥,相对而言，后者的综合性能包括耐腐蚀性能和耐温性能均优于前者,目前化工、石油化工、电力、冶金等行业各种强腐蚀设备的防腐蚀涂层或衬层应用最多的是环氧乙烯基酯树脂玻璃鳞片涂料。高性能防腐蚀鳞片涂料是以乙烯基酯树脂材料为主加入10%-40%片径不等的玻璃鳞片等材料组成的,鳞片胶泥含有的玻璃鳞片,胶泥在施工完毕后，扁平型的玻璃鳞片在树脂连续相中呈平行重叠排列，从而形成致密的防渗层结构,如图1所示。

腐蚀介质在固化后胶泥中的渗透必须经过无数条曲折的途径,因此在一定厚度的耐腐蚀层中,腐蚀渗透的距离大大延长,客观上相当于有效地增加了防腐蚀层的厚度，所以该材料具有以下特点[3]。
(1)耐腐蚀性能好。由于鳞片涂层采用的基体树脂是高性能的乙烯基酯树脂,该类型树脂有较环氧树脂更好的耐腐蚀性能。
(2)较低的渗透率。鳞片涂层的抗水蒸汽渗透率比普通环氧树脂涂料高6～15倍,比普通环氧FRP高4倍。
(3)鳞片涂层具有较强的粘结强度,不仅指树脂基体与其中的玻璃鳞片之间的粘结强度较高,而且鳞片涂层与基材之间的粘结强度高,该鳞片胶泥与混凝土或碳钢基材之间的粘结强度高，与钢板的粘结强度≥2.0MPa,与混凝土的粘结强度≥2.5MPa。所以该鳞片胶泥涂层不易产生龟裂、分层或剥离,附着力和冲击强度较好,从而保证较好的耐蚀性。
(4)耐高温性能好。与其他耐温涂料复合,可使耐温上限提高到180℃（长期）,最高可达230℃。如电力系统中的FGD在某些非正常情况下,FGD中的某些阶段温度可以达到200～250℃。
(5)耐温差（热冲击）性能较好。涂层中由于含有许多玻璃鳞片,因此消除了涂层与钢铁之间的线膨胀系数的差别，鳞片涂层的线膨胀系数约为11.5×10-6m/(m℃）,钢铁的线膨胀系数为12.0×10-6m（/m℃），两者之间比较相近,使鳞片涂层适合于温度交变的重腐蚀环境。
(6)耐磨性好。鳞片涂层在固化后的硬度较高,比普通醇酸漆高2～3倍,且有韧性,耐磨性较好，如乙烯基酯树脂鳞片胶泥的耐磨性为120mg（CS-17W-500 g情况下）。
(7)工艺性较好。由于该鳞片胶泥的固体成份较高,可以一次性成较厚的涂层,涂层方法可以是喷涂、滚涂、刷涂等成型工艺,并具有当场配制和室温下固化的特点。
4高性能防腐蚀鳞片涂料衬里的经济性
目前在国内外电厂烟气脱硫装置中鳞片复合材料已广泛应用,如在设计浙江乌沙山发电厂4×600MW燃煤机组烟气脱硫工程中,因为某些客观因素,此脱硫系统未设置烟气再热装置（GGH）,进吸收塔管道原烟气的温度为110℃,最高可达130℃,而经吸收塔后出来的净烟气温度为60℃左右,对吸收塔后烟道和烟囱有很强的腐蚀性,在此工况下除采用适量的合金板外，对于高温区烟道和低温区烟道采用了不同的乙烯基脂树脂高性能防腐蚀鳞片复合材料内衬,从而延长其使用寿命。由于该工程在FGD装置中省却了GGH装置,从而节省装置的设备费用达3 600万元,其他安装等费用达600万元,这样FGD建设费用可节省4 200万元。以发电厂2×600MW燃煤机组一座内筒直径6m,高240m的烟囱为例,就其不同的防腐设计做个技术经济比较见表1。

从上表可以看出,衬玻璃鳞片涂料不仅施工难度小,易修补,物理失效少而且造价较低。虽然采用玻璃鳞片衬里要在15年左右进行维修和防护,但也可以根据情况进行局部或者是全部的防腐蚀处理。所以采用此材料作为防腐蚀衬里不但防腐效果好,而且具有相当的经济性竞争优势,为新建脱硫烟囱采用的防腐措施提供了一个新的选择,同时对国内电厂旧烟囱的改造具有很好的参考价值。
5高性能防腐蚀鳞片涂料的应用
近年来在国内大型冶炼厂例如：江西铜业公司贵溪冶炼厂,金隆铜业有限公司铜陵冶炼厂在硫酸系统中的净化工段及脱硫烟道采用了大量的防腐蚀鳞片涂料,经多年使用效果很好,未出现异常情况。而在我国电厂烟气脱硫装置中高性能防腐蚀鳞片复合材料的应用也很广泛,如参加设计的浙江乌沙山发电厂4×600MW机组,宁夏宁武发电厂2×600MW机组，江西丰城发电厂2×300MW机组烟气脱硫工程以及所了解的国内许多电厂烟气脱硫工程都有效地应用了该材料,具体部位有：(1)烟囱、脱硫吸收塔组件、出口联接烟道。这些大多数FGD部件操作温度相对低温（低于90℃）。
(2)脱硫吸收塔进口联接烟道和旁路输送管道。这些部件是在未经洗涤的、酸性的、含有微粒的,并且在相对较高的温度条件的连续作用气体的环境下进行工作的。在许多FGD系统这些部位的操作温度为135～180℃之间。
由于上述提及的优点，使乙烯基酯树脂鳞片涂料在各方面得到广泛地应用。近几年成功应用于发电厂FGD和冶炼厂硫酸系统内壁的防腐蚀衬里,有效地延长了防腐蚀衬里的使用寿命。根据衬里基层材料的不同,有相应不同的施工工艺要求。在碳钢基层上使用的方法结构如下：①先将钢结构表面除油去污,再进行除锈,除锈等级一般为Sa21/2。除锈面清理干洁后用乙烯基酯树脂打底,底漆层用以防止基底生锈及增强基底与鳞片胶泥层的粘结力。一般涂一遍,底漆平均厚度：0.15mm。②鳞片胶泥层:一般涂两遍,平均厚度为2.0mm(不得小于1.6mm)。③面层：用以使鳞片内衬树脂表面硬化,提高耐腐蚀、耐磨耗性能,使表面光滑。一般涂二遍,平均厚度：0.25mm,第一遍:0.15～0.20mm厚。为便于观察各涂层厚度,避免混涂,常将鳞片胶泥及面漆等制成不同颜色,鳞片胶泥一般制成兰色及白色(或红色),涂布二层鳞片胶泥时,分别采用不同颜色的品种。
在烟气经吸收塔出口至排烟烟囱底部以及烟囱上部1/3范围内受磨损及腐蚀最严重,因此在这些部位必须采用高强耐腐蚀性能、耐磨性好的高性能防腐蚀鳞片复合材料。
7结束语
综上所述,高性能防腐蚀鳞片涂料能够满足电厂中的脱硫装置设备、烟道、排烟烟囱防腐蚀应用需要。不论是经过脱硫后的烟气,还是没有脱硫后的烟气,不论FGD总体装置中是否设置有GGH，该材料在烟囱的防腐蚀应用均具有明显的技术可行性和综合经济性。并对老电厂的烟囱的防腐蚀改造相比其它防腐蚀材料有较大的竞争性,是一种值得推广的防腐蚀复合材料。