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      工業煙氣設備的防腐蝕

             工業煙氣設備裝置中的煙道、煙囪、洗滌塔等的腐蝕原理,并針對不同場合的情況分別討論防腐蝕材料的選擇及其結構形式,為工業煙氣設備的防腐蝕提供可靠的處理方法。關鍵詞:工業煙氣設備;防腐蝕;樹脂 1、前言在工業生產中,通過高空排除各種廢氣的構筑物如煙道、煙囪、排氣筒、洗滌塔等,大多數都存在防腐蝕問題。排氣煙囪防腐蝕設計要考慮的主要因素是:被排放氣體的化學組成、溫度、濕度、氣體的流速,以及筒壁表面是否會形成冷凝酸等。筒壁的露點根據計算求得。有以下幾種情況:

          1)在一般情況下,經常處于200℃以上的高溫煙囪,筒壁不易結露,很少形成冷凝酸,因此腐蝕比較輕,例如電廠不脫硫的煙囪等。

          2)處于溫度低于150℃以下,而且含有大量的腐蝕性氣體和可溶鹽的煙囪,腐蝕比較嚴重。例如生產硝酸的尾氣排氣筒,氣體溫度小于90℃,氧化氮含量比較高;生產硫酸的尾氣排氣筒,氣體溫度在60℃以下,含大量二氧化硫;有色金屬錫冶煉廠煙囪,氣體溫度60~70℃,含氟化氫和氧化硫,造紙廠堿爐的煙氣溫度在110℃以下,含有各種鈉鹽;化纖廠粘膠車間在常溫下排出含硫化氫、二氧化碳氣體等等。這些處于溫度不高的腐蝕性氣體和粉塵作用下的煙囪,一般腐蝕比較嚴。煙囪中最常見的腐蝕性氣體是煙氣中的二氧化硫。二氧化硫遇水轉變成亞硫酸,再氧化成硫酸。硫酸與水泥混凝土中的水化物通過酸或鹽的離子交換,生成易溶的鈣鹽、鋁鹽、鐵鹽和硅膠等。粘土磚中的氧化鋁,也能與硫酸生成易溶的鹽。煙氣中的鹽也是不容忽視的介質,很多易溶鹽都能滲入磚和混凝土的內部,吸潮后再結晶膨脹而破壞材料結構。煙氣中的固體塵埃對煙囪內壁造成一定的磨損,在選擇煙囪材料和襯里時,也要適當考慮這一因素。

            2、防腐蝕材料的選擇及結構形式煙囪受腐蝕比較嚴重的部位,大約在煙囪內上部1/3的范圍內,在這些部位由于受室外空氣的影響容易形成冷凝酸。凡設有內襯的煙囪,腐蝕介質侵入的途徑,一是通過襯里分段的交接處,例如外筒支承牛腿部位;其次,是通過磚砌體的夾縫;進入到外筒與襯里之間的夾縫處的介質進而腐蝕外壁。當然,對鋼筋混凝土的外壁,腐蝕并不是很迅速的,但是對于磚砌外壁,則會造成威脅。煙囪的腐蝕,主要發生在筒的內壁,但是對外部結構也有一定的腐蝕。例如腐蝕性強的煙氣,在濕度大而氣壓低的地區,對煙囪外壁也會造成腐蝕,特別是在離煙囪出口十多米范圍內,要用耐腐蝕涂料防護。鋼結構的支架,全部涂優質耐腐蝕涂料。避雷針最好采用耐腐蝕材料制作,或鍍耐腐蝕金屬。對于排氣腐蝕性強的煙囪,要采用耐腐蝕材料制作或在筒內襯耐腐蝕材料。

            根據不同工況條件,可以采用不同的防腐蝕材料以及不同的結構形式: 1) 腐蝕較嚴重的煙道和煙囪可根據腐蝕介質的不同和工況條件而采用硬聚氯乙烯、耐酸石材、耐酸磚、玻璃鋼或不銹鋼等。 2)腐蝕較輕的煙囪,可以采用耐火磚、耐火混凝土、粘土磚襯里。 3) 腐蝕嚴重的煙囪,一般不宜采用磚砌外筒。在化工、冶金、造紙和鍋爐煙囪腐蝕后被迫拆除的實例中,腐蝕基本都發生在外筒是磚砌體的情況下。磚煙囪(包括有襯里的在內)在受腐蝕后很難加固,而且容易因局部腐蝕而失去穩定。

            為了克服煙囪中介質的高溫下腐蝕,人們一直在尋求耐高溫、耐腐蝕的材料,除了不銹鋼這種常見的防腐蝕材料在本文中不加以詳細討論外,在下文中結合我們多年的應用防腐蝕應用經驗,就幾種防腐蝕形式及應用中的注意細節加以總結: 2 .1全玻璃鋼(FRP)形式:玻璃鋼是發展較早、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,它重量輕、比強度高、電絕緣、耐瞬時超高溫、傳熱慢、隔音、防水、易著色、能透過電磁波,是一種兼具功能和結構特性的新型材料,玻璃鋼煙囪較其他材料制成的煙囪如不銹鋼更常用。因為其相對具有以下優點: 1) 玻璃鋼能提供更寬范圍的耐腐蝕性能; 2) 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; 3) 玻璃鋼的材料成本相對要低; 4) 使用壽命更長; 5) 玻璃鋼比重小,使得其更易運輸,也意味著支撐他們的鋼材更少。所以其綜合安裝費用更低。

      2.1.1防腐蝕樹脂的選用玻璃鋼作為一種新型的防腐蝕形式,其中的防腐蝕樹脂的選擇是相當重要的,

            目前,國內用的比較多的防腐蝕樹脂主要有:雙酚A型不飽和樹脂、氯化不飽和樹脂和環氧乙烯基酯樹脂: 1)、雙酚A型不飽和聚酯樹脂:目前國內有197、3301、323等牌號,具有良好的耐酸、一定的耐堿性和較好的綜合機械性能和耐溫性,國外1970年代作為耐蝕型UPR的代表大量使用,但由于其斷裂延伸低、脆性,1980年代后逐漸被乙烯基樹脂所取代。 2)、氯化不飽和聚酯樹脂: 是以HET酸(氯氤酸)為主要原料合成的不飽和鹵代的聚酯樹脂,它們具有優良的耐腐蝕性能,同時又具有良好的阻燃性。特別適合用于制造耐高溫、耐含氯(氟)化學介質或耐強氧化環境(包括濕氯氣、鹽酸蒸氣)的設備,如煙囪內襯,煙道氣導管,鉻電鍍槽,浸酸槽和氯氣管線。目前我們經常利用該樹脂于鹽酸蒸氣中,目前最高的應用實例是140℃。 3)、環氧乙烯基酯樹脂:是國際上80年代公認的高度耐腐蝕樹脂,是由甲基丙烯酸與環氧樹脂反應而成。它結合了環氧樹脂的優良耐熱、機械和化學性能及UPR樹脂的優良工藝性能。目前乙烯基系列產品中,有常規的雙酚A環氧型、酚醛環氧型、高交聯型、阻燃型等產品,在一些高溫場合,高交聯密度乙烯基樹脂得到大量成功的應用,為了給實際應用與指導,我們對高交聯乙烯基樹脂(898)進行了各方面耐熱測試。表2.1 連續高溫下的898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:表中數據表示經連續高溫放置后的彎曲強度保留率,以25℃下的彎曲強度為 100%。 表2.2 898樹脂玻璃鋼的高溫力學性能特性 單位 測試溫度(℃) 樹脂積層板 保留率(%)抗拉強度 Mpa 25 127.5 100 65 127.6 100 100 127.5 97.5 120 124.0 97.2 150 118.1 92.6 175 86.1 67.5 抗拉模量 Gpa 25 12.1 100 65 12.3 102 100 12.1 100 120 12.1 100 150 7.5 62.0 175 5.6 46.3 彎曲強度 Mpa 25 165.4 100 65 168.8 102 100 166.1 101 120 165.4 100 150 144.7 87.5 175 55.2 33.4 彎曲模量 Gpa 25 8.8 100 65 8.3 94.5 100 8.1 92.1 120 7.5 85.2 150 5.9 67.1 175 3.7 42.1 2.1.2 全玻璃鋼形式結構的安裝 全玻璃鋼的煙道和煙囪可以采用纏繞和手糊工藝進行制造。這種形式的煙囪主要支架式和套筒式等形式。

            2.1.2.1支架式 以支架為承重結構,支承一個或一個以上的排氣筒,是化工排氣筒常見的型式,支架式排氣筒可采用鋼或鋼筋混凝土的支架,筒體高出支架。排氣筒支承在鋼支架上支架上設有多層操作平臺,可以上人。這種形式的排氣筒在國內已經有二十多年的使用經驗,主要的優點是檢查和維修。筒體原來也有采用硬聚氯乙烯板制作,但聚氯乙烯適用于溫度低于90℃,為考慮溫度變形,需要分段固定在支承結構上,為了考慮溫度引起的伸縮,硬聚氯乙烯的段與段之間應設有膨脹節,同時聚氯乙烯塑料易受紫外線作用后很快老化。但玻璃鋼排氣管可以采用各類樹脂和玻璃布纏繞成型,一般使用溫度可以到80℃以上,有的可高達200℃(如高交聯環氧乙烯基酯樹脂)。玻璃鋼的線膨脹系數比聚氯乙烯塑料小得多,因此一般可不設膨脹節。玻璃鋼整體性好,力學強度和耐熱性能比聚氯乙烯塑料好,防腐性能好,防腐范圍寬。近二十年來在硝酸、硫酸、過磷酸鈣、合成纖維等生產中都有良好的應用。
            2.1.2.2套筒式 套筒式結構人稱筒中筒結構,是用鋼筋混凝土或磚砌體為支承結構,支承一個或一個以上的排氣筒。這種形式在化工、電力部門都采用過。套筒式排氣筒的支承結構內設操作平臺,可在內外筒之間檢修。該結構有以下優點: 1) 其內膽由整體纏繞玻璃鋼制作,整體性好,能有效地防止介質從接縫處的腐蝕滲透,避免一些防腐的薄弱環節引起的防腐失效,也可避免受風力等的作用和影響。 2) 玻璃鋼結構的內膽和外筒是相對獨立的不同材質的筒體,能有效的避免由于介質環境的溫差引起不同材質的收縮性不一致,而引起的內應力破壞。 3) 由于玻璃鋼結構輕質高強,起吊安裝方便。施工周期短,費用少。

            2.1.3 全玻璃鋼形式的應用注意細節 雖然全玻璃鋼形式是目前應用較多也較成功的一種防腐蝕煙囪形式,但在實際應用中應該注意以下幾點:
            1》 防腐蝕樹脂的選擇:上文中也提到幾種防腐蝕樹脂,在實際應用中要根據具體腐蝕性介質及溫度、是否含水等情況作一正確的選擇,如HET酸樹脂就比較適合應用于含氯化學介質的煙氣,如鹽酸蒸汽等;同時,樹脂的力學性能包括高溫下的力學性能也要充分考慮,因為FRP形式的煙道在高空下會受氣流等形式的影響,在設計上就要求有延伸率較高、韌性更好的耐用腐蝕樹脂,同時FRP在高溫下的力學性能會有一定程度的下降,在設計中要充分考慮到這一點。
            2》 結構樹脂的選擇:在煙囪的防腐蝕設計中,若采用全FRP形式,結構樹脂的選擇對于防腐蝕效果的好壞起了重要的作用,在國外一般全部采用同一種類型的樹脂進行整體纏繞,但在國內目前考慮到成本等方面的因素,FRP的外側會采用常規的通用樹脂(如191、196、199等),但在較低溫度下,如低于80℃,通用的樹脂還可以適用,但較高的使用溫度情況下,通用樹脂的就不適用了,因為通用樹脂在較高的溫度下的力學強度損失較大,就會增加由于結構樹脂的力學損耗造成的煙囪的力學破壞,最后導致防腐蝕失效,所以我們建議在較100℃以上的使用溫度情況下,建議用乙烯基礎酯樹脂或雙酚A樹脂等進行制作結構層,或進行整體FRP制作。
            3》 增強材料的選擇:在防腐蝕層制作時,要充分考慮增強材料選擇的重要性,一般情況下,玻纖是一種經濟高性能的選擇,但在如含氟、強堿等情況下,就不適合選用玻纖了,碳纖維或一些有機纖維是較好的選擇。

            2.1.4全玻璃鋼形式的應用實例 現在高性能防腐蝕樹脂更多的用于制造的玻璃鋼設備,被廣泛由于化學,環保、冶金等行業的煙囪、煙道、洗滌設備,這些設備用于脫去氣體中腐蝕成分,以免它們排入大氣造成污染。下面有幾個典型的應用案例: 1) 承受最高溫度350℃玻璃鋼煙囪,在燃燒干燥廠,通常其燃燒氣工作溫度在120-125℃,但當某些非正常操作時,氣體溫度持續15-30分鐘達到350℃,該工廠原來通常使用鋼結構的煙囪,并且僅能使用18-24個月,后來他們嘗試使用全玻璃鋼結構,使用壽命更長,另外,玻璃鋼煙囪重量是鋼的1/4,并且吊裝費用更少,該煙囪高18米直徑2.2米。 2) 玻璃鋼氣體洗滌塔:在冶鋅廠,玻璃鋼氣體洗滌塔由于脫去氣體中SO2,HF和SO3,盡管,環境腐蝕很大,工作溫度也很高,達到80℃,但還沒有任何損傷。該塔直徑有4.8米,分三部分組成,每部分高4米,側面有個凸緣法蘭,其安裝總高度為11.8米。 3) 除氟:傳統材料制造的設備在氟氣的腐蝕下很快就會失效,為了洗去冶鋁廠電解槽散發出來的氟氣,選用HET酸樹脂制造的洗滌塔,由于海水經過洗滌塔不停的循環,氟濃度越來越高,形成強腐蝕環境,對此,其內部富樹脂有樹脂層需要用合成表面氈來代替常用的C玻璃表面氈。 4) 造紙公司非常關心制造儲罐、洗滌塔和與此相關的管路材料,因為這些設備所面對的介質含有二氧化氯,氯酸鈉、氫氧化鈉和鹽酸,而且濃度和溫度都是變化的,他們選中了玻璃鋼材質的設備,并順利使用了5年多。 2.2襯里式結構襯里式煙囪是多數發電廠鍋爐房、冶煉廠、造紙廠等采用的傳統煙筒形式。襯里式煙囪投資較小,施工比較簡單,所以為大多數工業排氣煙囪所采用。但是這種煙囪主要的弊病是不易檢查和維修,往往等到襯里破壞,腐蝕外筒后才被發現。 2.2.1內襯玻璃鋼 內襯玻璃鋼是一種較為傳統的防腐形式,可以在鋼、混凝土基材結構上進行,一般厚度控制在2-3mm。由于介質環境的溫差引起不同材質的收縮性不一致,而引起的熱內應力翹曲破壞,另外在70℃下水蒸汽滲透能力較高,滲透到基材使得玻璃鋼加襯層從基材上剝落下來,所以這種結構一般推薦最高使用溫度為70℃。

           2.2.2玻璃鱗片膠泥(涂料)鋼管防腐襯里的排氣筒以前使用得還比少?,F在有了較大的發展。隨著耐腐蝕材料的迅速發展,各類樹脂、橡膠等有機材料和耐酸耐熱混凝土等無機材料,都有可能用于鋼筒內壁的防腐。特別是玻璃鱗片膠泥的成功開發和應用,其最高使用溫度可達200℃。 玻璃鱗片涂料及膠泥應用歷史,國外(美國)1957年就有資料發表,1960年日本亦開始應用。隨著七十年代末大批引進國外成套化工和石油化工裝置,玻璃鱗片襯里技術國內也開始研究試驗和應用。經過近20年的應用和考核,確認了該項技術的先進性和可靠性,并在各企業防腐蝕施工中獲得了顯著的經濟效益。 玻璃鱗片涂料、膠泥都是以熱固性樹脂為基料添加玻璃鱗片制成涂料或膠泥作為化工、石油化工、電力、冶金等行業各種強腐蝕設備的防腐蝕涂層或襯層,其中應用最多的是環氧乙烯基酯樹脂玻璃鱗片涂料或膠泥。
           其主要優點如下:
           1. 以乙烯基酯型鱗片襯里與玻璃鋼比較。前者的抗滲性能優越,因為玻璃鱗片在 樹脂中平行排列,多層重疊,對腐蝕介質的滲人起了屏障作用;
           2.玻璃鱗片襯里的附著力強,固化后收縮小,襯層的使用壽命長;
           3.由于鱗片的作用,使襯層的強度增高,抗沖擊性能和抗磨蝕性能都大為提高;
           4.局部損壞比玻璃鋼容易修復;
           5.常溫(或低溫加熱)固化,施工方便;
           6.與其他耐溫涂料復合,可使耐溫上限提高到180℃(長期),最高可達230℃ 經近20年在國內的推廣應用,充分證明上述各種優越性給企業的防腐蝕技術帶來莫大的經濟效益,是一種代替玻璃鋼襯里的較好材料。近年大量用于煙道、煙囪、洗滌塔、油罐、廢水池、地井、地溝、灰池、氣柜、上下水管、排灰管、各種反應釜及酸廠和堿廠的設備襯里,既延長了設備使用壽命,又減少了維修和污染,經濟效益和社會效益都很好,頗受各企業的歡迎。例如在煅燒磷礦石而產生的酸性煙道氣,必須用洗滌塔對煙道氣進行洗滌凈化,其內部用玻璃鱗片和耐火材料進行了加襯,工作介質是70℃稀堿洗滌液,和在玻璃鱗片與耐火層間130℃的氣體,首先在需噴涂的內表面進行噴砂處理,接著在焊接區域和耐火層進行涂裝,最后連續涂裝耐腐層。近年來在電廠煙氣脫硫裝置方面也得到良好的應用。玻璃鱗片膠泥性能見下表: 膠泥性能: 項 目 指 標 項 目 指標未硬化膠泥的外觀 各色糊狀物 延伸率 % 0.7 拉伸強度Mpa 30 耐磨耗mg* (CS-17W-500g,1000轉) 120 彎曲強度 Mpa 55 線膨脹系 / ℃ 1.2×10-5 粘接強度Mpa 2.0(與鋼板) 2.5(與混凝土)cm2 1.5×10-6 氣相條件使用溫度 ≤180℃ 液相條件使用溫度 ≤140℃
           使用方法: 1.碳鋼襯里 ① 水蒸氣擴散速率 g/hr先將表面除油去污,除銹等級滿足不低于Sa2.0或St3標準,然后用VEGF 樹脂打底,待干后施工。 ② 用手工泥刀刮鏝成1-2mm(每道)厚的VEGF膠泥層,數小時后即硬化,再 按設計要求施工至規定厚度。 ③ 在彎角或形狀突變處適當增加厚度,或同FRP復合使用。 ④ 用VEGF樹脂罩面一至二道。
           2.混凝土襯里 ① 去除混凝土表面浮灰,表面含水率應<6%,然后用VEGF樹脂打底一至二道,待干后施工。 ② 用手工泥刀刮鏝成1-2mm(每道)厚的VEGF膠泥層,硬化后,再進行第二刀刮鏝,直至達到規定厚度。 ③ 凹凸部位,適當增加厚度,或用FRP復合使用。 ③ 用VEGF樹脂罩面一至二道。 2.3 砌磚式結構獨立式排氣煙囪主要指完全用耐腐蝕材料塊材砌起來的煙囪。主要材質有花崗巖等,膠結料采用水泥、水玻璃砂漿,內縫用樹脂膠泥勾縫??紤]到原材料的采購方便,這種結構在花崗巖產地附近應用較多。如某化纖廠80m高的排氣筒,上口徑為2.5m,全部用花崗巖砌筑而成,膠結料使用水玻璃砂漿,內壁灰縫用樹脂膠泥勾縫,使用十多年以上。因此在煙氣腐蝕性比較強,氣體溫度不高的情況下,使用這種排氣筒既經濟又合理。
           3、結束語總之,對于化學工業,電力、冶金、廢氣處理等生產過程中煙氣處理所涉及的煙道、煙囪、洗滌塔等裝置的制造和防腐結構的處理必須根據其介質環境進行合理的選材以及結構設計。隨著高性能防腐樹脂的不斷開發和應用,以樹脂為基體材料的復合材料以各種形式用于這些煙氣設備的制造,其應用的可靠性、經濟性日益得到認可。

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