大型燃煤电厂烟囱玻璃钢排烟内筒的防腐蚀工艺

酸雨问题在世界范围内影响着人类的生存环境, 有必要减少硫元素扩散到空气中的量, 从源头上遏制酸雨的发生。目前, 业界普遍采用湿法脱硫工艺, 其中, 无GGH (烟气加热器) 的湿法脱硫工艺在燃煤电厂里得到应用[1-2], 它可以有效地起到节能减排的作用, 但该工艺会导致烟气温度下降、湿度上升, 加重烟囱的腐蚀[3-4], 为此, 人们积极探索新材料来解决这一问题。玻璃纤维增强塑料 (俗称玻璃钢, FRP) 因具有良好的可设计性、突出的耐蚀性而在欧美等发达国家燃煤电厂脱硫烟囱防腐蚀工程中广泛应用。经过广大科技工作者的深入研究, 我国电力规划设计部门明确指出:“玻璃钢可以在国内脱硫烟囱防腐蚀工程中被采用”。作为首个双管悬挂式FRP排烟内筒, 国内某新建电厂装机总量为2×660 MW, 排烟筒内径为7 200 mm, 每节筒体高8 000mm, 标高240 000 mm, 平均壁厚21 mm, 见图1。由图1可见, 排烟筒的两节筒体通过内、外表面湿法手糊工艺进行连接。

图1 玻璃钢排烟筒平面布置图Fig.1 Plane lay-out of FRP chimney
本工作借鉴国外在大型结构件产品设计过程中经常使用的“积木式方法”, 对排烟筒的防腐蚀施工工艺进行研究。试验由下至上逐次进行, 试验件复杂程度逐级增加, 数目则由多变少, 下大上小, 犹如搭积木一样, 逐级递增, 见图2。以期为工程设计提供技术参数, 同时对某些理论进行科学验证。
1 试验
1.1 原材料
试验的主要原材料如下:工业级乙烯基酯树脂, 430g/m单向布, 300g/m短切毡, 2400TEX型缠绕纱, 工业级氢氧化钠。

图2 复合材料积木式方法Fig.2 Building-block method
1.2 试验方法
1.2.1 原材料试验
1.2.1. 1 凝胶时间
凝胶时间与缠绕工艺、纤维浸润、产品质量关系密切, 本工作对凝胶时间和各种助剂的配比进行了优化和筛选, 按照GB/T 7193-2008《不饱和聚酯树脂25℃凝胶时间测定方法》测试了凝胶时间, 重点研究了室温下固化剂含量为1.5% (质量分数, 下同) 时, 促进剂含量与凝胶时间的关系。
1.2.1. 2 树脂固化过程
树脂的固化程度会影响产品的力学性能以及生产周期。用BOEN差示扫描量热仪 (DSC) 在10℃/min的升温速率下, 研究了20~200℃时, 树脂固化度与固化时间的关系。
1.2.2 乙烯基酯树脂的耐蚀性
玻璃钢排烟内筒的耐蚀性取决于乙烯基酯树脂的耐蚀性, 而乙烯基酯树脂中的酯键水解是造成乙烯基酯树脂结构破坏、耐蚀性降低的原因。研究表明:在碱性条件下, 这种水解过程是不可逆的;而在酸性条件下, 水解过程是可逆的。试验选择碱加速条件下的水解, 测试了在酸性条件下工作的乙烯基酯树脂的性能。试验选用10% (质量分数, 下同) NaOH作为腐蚀溶液, 按照现行国家标准的要求[5], 采用10 000kN材料试验机测试其经过0, 10, 50, 100, 200h浸泡后的弯曲强度与弯曲模量。
1.2.3 元件级试验
由于排烟内筒为悬挂式结构, 主要承受拉伸载荷及剪切载荷, 需要通过元件级试件来建立铺层结构与力学强度之间的关系。
按照GB/T 1447-2005.《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》和EN13121-3-2008《GRP tanks and vessels for use above ground-part 3:Design and workmanship》测试试样的拉伸强度、模量和沿纤维方向 (轴向) 和垂直纤维方向 (环向) 的力学性能。试样采用机加工方式制得, 样板铺层结构为短切毡和单向布交替铺设, 厚度约为3mm。
1.2.4 部件级试验
利用缠绕成型工艺, 制作直径为2m的筒体作为部件级试验对象, 其铺层结构为短切毡+缠绕纱+单向布+缠绕纱 (5次循环铺设) , 厚度为20 mm。从2m直径筒体上取样制备所需样条, 按现行国家标准[6-8]测试其轴向和环向的拉伸、压缩、弯曲性能。
2 结果与讨论
2.1 原材料试验
由图3可见, 在固化剂质量分数为1.5%时, 随着促进剂的增加, 树脂凝胶时间减少。由图4可见, 随着固化时间的延长, 树脂固化过程出现一个迅速增长的过程, 最终趋于平稳。

图3 凝胶时间与促进剂用量的关系Fig.3 Relationship between gel time and amount of cobalt-iso-octoate

图4 树脂固化度曲线Fig.4 Resin curing degree curve
2.2 结构耐蚀性能
由图5可见, 随着浸泡时间的延长, 弯曲强度和弯曲弹性均下降。结构浸泡200h后的弯曲强度和弯曲弹性分别为浸泡前的87.64%和82.08%, 均大于80%, 可以认为结构具有优良的耐蚀性[9]。

图5 弯曲强度与浸泡时间的关系Fig.5 Relationship between flexural strength and soak time
2.3 元件级试验
典型铺层结构的元件级试验数据对最终产品铺层结构设计起着重要作用。通过典型方向受力形式的试验进行验证, 结果表明:其轴向和环向的拉伸强度分别为352 MPa和21 MPa;其轴向和环向的拉伸模量分别为35.28GPa和1.90GPa;其拉剪强度为13.86MPa。这表明铺层结构的力学性能满足国内外现行标准要求[3-10]。
2.4 部件级试验
表1是设计文件给出的玻璃钢排烟内筒的设计值。燃煤电厂烟囱是典型的高耸建筑, 其结构可靠度应符合现行国家标准[3-4,10], 载荷应取标准值作为强度的代表值。

表1 玻璃钢排烟内筒的设计值和部件级试验标准Tab.1 Design values of FRP chimney cylinder and measured values for unit level test    下载原表
由表1可见, 试样的力学性能均符合设计要求, 同时符合现行国家标准的要求[4-10]。表明该铺层结构可以满足工程建设要求, 可以作为最终产品生产的铺层结构。
2.5 运行经验
目前该燃煤电厂已经投产超过4a, 期间通过多次回访, 排烟内筒运行过程中未发现异常, 证明本研究过程所提供的技术参数是完整、可靠的。
3 总结
采用复合材料“积木式方法”, 从原材料到最终产品完整地研究了某新建燃料电厂FRP排烟内筒的耐蚀性。通过原材料试验、元件试验和部件试样验证了采用[短切毡+缠绕纱+单向布+缠绕纱 (5次循环铺设) ]制得的FRP筒体的耐蚀性。元件、部件级试验数据为最终筒体铺层结构的确定提供了科学验证。