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工业烟气设备的防腐蚀浅析
发布时间:2007/5/17  来源:中国防腐行业网  浏览次数:8927

作者:上海富晨化工有限公司 沈伟 王立刚 王天堂 陆士平

 

摘要:详细阐述了工业烟气设备装置中的烟道、烟囱、洗涤塔等的腐蚀原理,并针对不同场合的情况分别讨论防腐蚀材料的选择及其结构形式,为工业烟气设备的防腐蚀提供可靠的处理方法。

 

关键词:工业烟气设备;防腐蚀;树脂

 

Abstractin this paper some anti-corrosion theory is discussed in flue utilities including scrubber, ducts and stack, as well related anti-corrosion technologies are covered including resin choice and its constructure,.

Keywordsfume utilities, flue duct, stack, scrubber, anti-corrosion, resin, FRP

 

1.前言

在工业生产中,通过高空排除各种废气的构筑物如烟道、烟囱、排气筒、洗涤塔等,大多数都存在防腐蚀问题。排气烟囱防腐蚀设计要考虑的主要因素是:被排放气体的化学组成、温度、湿度、气体的流速,以及筒壁表面是否会形成冷凝酸等。筒壁的露点根据计算求得。有以下几种情况:

1)在一般情况下,经常处于200以上的高温烟囱,筒壁不易结露,很少形成冷凝酸,因此腐蚀比较轻,例如电厂不脱硫的烟囱等。

2)处于温度低于150以下,而且含有大量的腐蚀性气体和可溶盐的烟囱,腐蚀比较严重。例如生产硝酸的尾气排气筒,气体温度小于90,氧化氮含量比较高;生产硫酸的尾气排气筒,气体温度在60以下,含大量二氧化硫;有色金属锡冶炼厂烟囱,气体温度6070℃,含氟化氢和氧化硫;造纸厂碱炉的烟气温度在110以下,含有各种钠盐;化纤厂粘胶车间在常温下排出含硫化氢、二氧化碳气体等等。这些处于温度不高的腐蚀性气体和粉尘作用下的烟囱,一般腐蚀比较严重。

烟囱中最常见的腐蚀性气体是烟气中的二氧化硫。二氧化硫遇水转变成亚硫酸,再氧化成硫酸。硫酸与水泥混凝土中的水化物通过酸或盐的离子交换,生成易溶的钙盐、铝盐、铁盐和硅胶等。粘土砖中的氧化铝,也能与硫酸生成易溶的盐。烟气中的盐也是不容忽视的介质,很多易溶盐都能渗入砖和混凝土的内部,吸潮后再结晶膨胀而破坏材料结构。烟气中的固体尘埃对烟囱内壁造成一定的磨损,在选择烟囱材料和衬里时,也要适当考虑这一因素。

2.防腐蚀材料的选择及结构形式

烟囱受腐蚀比较严重的部位,大约在烟囱内上部1/3的范围内,在这些部位由于受室外空气的影响容易形成冷凝酸。凡设有内衬的烟囱,腐蚀介质侵入的途径,一是通过衬里分段的交接处,例如外筒支承牛腿部位;其次,是通过砖砌体的夹缝,进入到外筒与衬里之间的夹缝处的介质进而腐蚀外壁。当然,对钢筋混凝土的外壁,腐蚀并不是很迅速的,但是对于砖砌外壁,则会造成威胁。烟囱的腐蚀,主要发生在筒的内壁,但是对外部结构也有一定的腐蚀。例如腐蚀性强的烟气,在湿度大而气压低的地区,对烟囱外壁也会造成腐蚀,特别是在离烟囱出口十多米范围内,要用耐腐蚀涂料防护。钢结构的支架,全部涂优质耐腐蚀涂料。避雷针最好采用耐腐蚀材料制作,或镀耐腐蚀金属。

对于排气腐蚀性强的烟囱,要采用耐腐蚀材料制作或在筒内衬耐腐蚀材料。根据不同工况条件,可以采用不同的防腐蚀材料以及不同的结构形式:

1)腐蚀较严重的烟道和烟囱可根据腐蚀介质的不同和工况条件而采用硬聚氯乙烯、耐酸石材、耐酸砖、玻璃钢或不锈钢等。

2)腐蚀较轻的烟囱,可以采用耐火砖、耐火混凝土、粘土砖衬里。

3)腐蚀严重的烟囱,一般不宜采用砖砌外筒。在化工、冶金、造纸和锅炉烟囱腐蚀后被迫拆除的实例中,腐蚀基本都发生在外筒是砖砌体的情况下。砖烟囱(包括有衬里的在内)在受腐蚀后很难加固,而且容易因局部腐蚀而失去稳定。

为了克服烟囱中介质的高温下腐蚀,人们一直在寻求耐高温、耐腐蚀的材料,除了不锈钢这种常见的防腐蚀材料在本文中不加以详细讨论外,在下文中结合我们多年的防腐蚀应用经验,就几种防腐蚀形式及应用中的注意细节加以总结:

21全玻璃钢(FRP)形式

玻璃钢是发展较早、应用广泛的一种复合材料,具有十分显著的性能特点。与金属材料或其他无机材料相比,它重量轻、比强度高、电绝缘、耐瞬时超高温、传热慢、隔音、防水、易着色、能透过电磁波,是一种兼具功能和结构特性的新型材料,玻璃钢烟囱较其他材料制成的烟囱如不锈钢更常用,因为其相对具有以下优点:

1)玻璃钢能提供更宽范围的耐腐蚀性能;

2)由于玻璃钢传热慢,保温性好,在需要保温的场合,玻璃钢设备可以不需要隔热层;

3)玻璃钢的材料成本相对要低;

4)使用寿命更长;

5)玻璃钢比重小,使得其更易运输,也意味着支撑他们的钢材更少。所以其综合安装费用更低。

211防腐蚀树脂的选用

玻璃钢作为一种新型的防腐蚀形式,其中的防腐蚀树脂的选择是相当重要的。目前,国内用的比较多的防腐蚀树脂主要有:双酚A型不饱和树脂、氯化不饱和树脂和环氧乙烯基酯树脂:

1)双酚A型不饱和聚酯树脂:

目前国内有1973301323等牌号,具有良好的耐酸、一定的耐碱性和较好的综合机械性能和耐温性,上世纪70年代国外作为耐蚀型UPR的代表大量使用,但由于其断裂延伸低、脆性,80年代后逐渐被乙烯基树脂所取代。

2)氯化不饱和聚酯树脂:

是以HET酸(氯氤酸)为主要原料合成的不饱和卤代的聚酯树脂,它们具有优良的耐腐蚀性能,同时又具有良好的阻燃性,特别适合用于制造耐高温、耐含氯(氟)化学介质或耐强氧化环境(包括湿氯气、盐酸蒸气)的设备,如烟囱内衬、烟道气导管、铬电镀槽、浸酸槽和氯气管线。目前我们经常利用该树脂于盐酸蒸气中,目前最高的应用实例是140

3)环氧乙烯基酯树脂:

是国际上80年代公认的高度耐腐蚀树脂,是由甲基丙烯酸与环氧树脂反应而成。它结合了环氧树脂的优良耐热、机械和化学性能及UPR树脂的优良工艺性能。目前乙烯基系列产品中,有常规的双酚A环氧型、酚醛环氧型、高交联型、阻燃型等产品,在一些高温场合,高交联密度乙烯基树脂得到大量成功的应用,为了给实际应用与指导,我们对高交联乙烯基树脂(898)进行了各方面耐热测试。 

 

2.1 连续高温下的898树脂玻璃钢弯曲强度保留率

温 度

弯曲强度保留率

7

90

180

365

200

103%

83%

72%

63%

175

100%

101%

87%

76%

150

102%

97%

95%

86%

     注:表中数据表示经连续高温放置后的弯曲强度保留率,以25下的弯曲强度为100%

 

 

2.2 898树脂玻璃钢的高温力学性能

特性

单位

测试温度(℃)

树脂积层板

保留率(%

抗拉强度

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

弯曲强度

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

弯曲模量

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

 

212全玻璃钢形式结构的安装

全玻璃钢的烟道和烟囱可以采用缠绕和手糊工艺进行制造。这种形式的烟囱主要为支架式和套筒式等形式。

2121支架式

以支架为承重结构,支承一个或一个以上的排气筒,是化工排气筒常见的型式,支架式排气筒可采用钢或钢筋混凝土的支架,筒体高出支架。排气筒支承在钢支架上,支架上设有多层操作平台,可以上人。这种形式的排气筒在国内已经有二十多年的使用经验,主要的优点是方便检查和维修。筒体原来也有采用硬聚氯乙烯板制作,但聚氯乙烯适用于温度低于90,为考虑温度变形,需要分段固定在支承结构上,为了考虑温度引起的伸缩,硬聚氯乙烯的段与段之间设有膨胀节,同时聚氯乙烯塑料易受紫外线作用后很快老化。但玻璃钢排气管可以采用各类树脂和玻璃布缠绕成型,一般使用温度可以到80以上,有的可高达200(如高交联环氧乙烯基酯树脂)。玻璃钢的线膨胀系数比聚氯乙烯塑料小得多,因此一般可不设膨胀节。玻璃钢整体性好,力学强度和耐热性能比聚氯乙烯塑料好,防腐性能好,防腐范围宽。近二十年来在硝酸、硫酸、过磷酸钙、合成纤维等生产中都有良好的应用。

2122套筒式

套筒式结构人称筒中筒结构,是用钢筋混凝土或砖砌体为支承结构,支承一个或一个以上的排气筒。这种形式在化工、电力部门都采用过。套筒式排气筒的支承结构内设操作平台,可在内外筒之间检修。该结构有以下优点:

1)其内胆由整体缠绕玻璃钢制作,整体性好,能有效地防止介质从接缝处的腐蚀渗透,避免一些防腐的薄弱环节引起的防腐失效,也可避免受风力等的作用和影响。

2)玻璃钢结构的内胆和外筒是相对独立的不同材质的筒体,能有效的避免由于介质环境的温差引起不同材质的收缩性不一致,而引起的内应力破坏。

3)由于玻璃钢结构轻质高强,起吊安装方便,施工周期短,费用少。

213全玻璃钢形式的应用注意细节

虽然全玻璃钢形式是目前应用较多也较成功的一种防腐蚀烟囱形式,但在实际应用中应该注意以下几点:

1)防腐蚀树脂的选择:上文中也提到几种防腐蚀树脂,在实际应用中要根据具体腐蚀性介质及温度、是否含水等情况作正确的选择,如HET酸树脂就比较适合应用于含氯化学介质的烟气,如盐酸蒸汽等;同时,树脂的力学性能包括高温下的力学性能也要充分考虑,因为FRP形式的烟道在高空下会受气流等形式的影响,在设计上就要求有延伸率较高、韧性更好的耐用腐蚀树脂,同时FRP在高温下的力学性能会有一定程度的下降,在设计中要充分考虑到这一点。

2)结构树脂的选择:在烟囱的防腐蚀设计中,若采用全FRP形式,结构树脂的选择对于防腐蚀效果的好坏起了重要的作用,在国外一般全部采用同一种类型的树脂进行整体缠绕,但在国内目前考虑到成本等方面的因素,FRP的外侧会采用常规的通用树脂(如191196199等),但在较低温度下,如低于80,通用的树脂还可以适用,但较高的使用温度情况下,通用树脂的就不适用了,因为通用树脂在较高的温度下的力学强度损失较大,就会增加由于结构树脂的力学损耗造成的烟囱的力学破坏,最后导致防腐蚀失效,所以我们建议在100以上的使用温度情况下,用乙烯基配酯树脂或双酚A树脂等进行制作结构层,或进行整体FRP制作。

3)增强材料的选择:在防腐蚀层制作时,要充分考虑增强材料选择的重要性,一般情况下,玻纤是一种经济高性能的选择,但在如含氟、强碱等情况下,就不适合选用玻纤了,碳纤维或一些有机纤维是较好的选择。

214全玻璃钢形式的应用实例

现在高性能防腐蚀树脂更多的用于制造玻璃钢设备,被广泛由于化学,环保、冶金等行业的烟囱、烟道、洗涤设备,这些设备用于脱去气体中腐蚀成分,以免它们排入大气造成污染。下面有几个典型的应用案例:

1)承受最高温度350玻璃钢烟囱,在燃烧干燥厂,通常其燃烧气工作温度在120-125,但当某些非正常操作时,气体温度持续15-30分钟达到350,该工厂原来通常使用钢结构的烟囱,并且仅能使用18-24个月,后来他们尝试使用全玻璃钢结构,使用寿命更长,另外,玻璃钢烟囱重量是钢的1/4,并且吊装费用更少,该烟囱高18直径2.2

2)玻璃钢气体洗涤塔:在冶锌厂,玻璃钢气体洗涤塔由于脱去气体中SO2HFSO3,尽管环境腐蚀很大,工作温度也很高,达到80,但还没有任何损伤。该塔直径有4.8,分三部分组成,每部分高4,侧面有个凸缘法兰,其安装总高度为11.8

3)除氟:传统材料制造的设备在氟气的腐蚀下很快就会失效,为了洗去冶铝厂电解槽散发出来的氟气,选用HET酸树脂制造的洗涤塔,由于海水经过洗涤塔不停的循环,氟浓度越来越高,形成强腐蚀环境,对此,其内部富有树脂层需要用合成表面毡来代替常用的C玻璃表面毡。

4)造纸公司非常关心制造储罐、洗涤塔和与此相关的管路材料,因为这些设备所面对的介质含有二氧化氯、氯酸钠、氢氧化钠和盐酸,而且浓度和温度都是变化的,他们选中了玻璃钢材质的设备,并顺利使用了5年多。

22衬里式结构

衬里式烟囱是多数发电厂锅炉房、冶炼厂、造纸厂等采用的传统烟筒形式。衬里式烟囱投资较小,施工比较简单,所以为大多数工业排气烟囱所采用。但是这种烟囱主要的弊病是不易检查和维修,往往等到衬里破坏,腐蚀外筒后才被发现。

221内衬玻璃钢

内衬玻璃钢是一种较为传统的防腐形式,可以在钢、混凝土基材结构上进行,一般厚度控制在2-3mm。由于介质环境的温差引起不同材质的收缩性不一致,而引起的热内应力翘曲破坏,另外在70下水蒸汽渗透能力较高,渗透到基材使得玻璃钢加衬层从基材上剥落下来,所以这种结构一般推荐最高使用温度为70

222玻璃鳞片胶泥(涂料)

钢管防腐衬里的排气筒以前使用得还比较少,现在有了较大的发展。随着耐腐蚀材料的迅速发展,各类树脂、橡胶等有机材料和耐酸耐热混凝土等无机材料,都有可能用于钢筒内壁的防腐。特别是玻璃鳞片胶泥的成功开发和应用,其最高使用温度可达200

玻璃鳞片涂料及胶泥应用历史,国外(美国)1957年就有资料发表,1960年日本亦开始应用。随着七十年代末大批引进国外成套化工和石油化工装置,玻璃鳞片衬里技术国内也开始研究试验和应用。经过近20年的应用和考核,确认了该项技术的先进性和可靠性,并在各企业防腐蚀施工中获得了显著的经济效益。

玻璃鳞片涂料、胶泥都是以热固性树脂为基料添加玻璃鳞片制成涂料或胶泥作为化工、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,其中应用最多的是环氧乙烯基酯树脂玻璃鳞片涂料或胶泥。其主要优点如下:

1.以乙烯基酯型鳞片衬里与玻璃钢比较,前者的抗渗性能优越,因为玻璃鳞片在树脂中平行排列,多层重叠,对腐蚀介质的渗人起了屏障作用;

2.玻璃鳞片衬里的附着力强,固化后收缩小,衬层的使用寿命长;

3.由于鳞片的作用,使衬层的强度增高,抗冲击性能和抗磨蚀性能都大为提高;

4.局部损坏比玻璃钢容易修复;

5.常温(或低温加热)固化,施工方便;

6.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

经近20年在国内的推广应用,充分证明上述各种优越性给企业的防腐蚀技术带来莫大的经济效益,是一种代替玻璃钢衬里的较好材料。近年大量用于烟道、烟囱、洗涤塔、油罐、废水池、地井、地沟、灰池、气柜、上下水管、排灰管、各种反应釜及酸厂和碱厂的设备衬里,既延长了设备使用寿命,又减少了维修和污染,经济效益和社会效益都很好,颇受各企业的欢迎。例如在煅烧磷矿石时产生的酸性烟道气,必须用洗涤塔对烟道气进行洗涤净化,其内部用玻璃鳞片和耐火材料进行了加衬,工作介质是70稀碱洗涤液和在玻璃鳞片与耐火层间130的气体,首先在需喷涂的内表面进行喷砂处理,接着在焊接区域和耐火层进行涂装,最后连续涂装耐腐层。近年来在电厂烟气脱硫装置方面也得到良好的应用。玻璃鳞片胶泥性能见下表:

 

2.3 玻璃鳞片胶泥性能

   

 

   

指标

未硬化胶泥的外观

各色糊状物

延伸率 %

0.7

拉伸强度Mpa

30

耐磨耗mg*

CS-17W-500g,1000转)

120

弯曲强度 Mpa

55

线膨胀系 /

1.2×10-5

粘接强度Mpa

2.0(与钢板)

2.5(与混凝土)

水蒸气扩散速率

g/hr   cm2

1.5×10-6

气相条件使用温度

180

液相条件使用温度

140

 

使用方法:

1.碳钢衬里

① 先将表面除油去污,除锈等级满足不低于Sa2.0St3标准,然后用VEGF树脂打底,待干后施工。

② 用手工泥刀刮镘成1-2mm(每道)厚的VEGF胶泥层,数小时后即硬化,再按设计要求施工至规定厚度。

③ 在弯角或形状突变处适当增加厚度,或同FRP复合使用。

④ 用VEGF树脂罩面一至二道。

2.混凝土衬里

①去除混凝土表面浮灰,表面含水率应<6%,然后用VEGF树脂打底一至二道,待干后施工。

②用手工泥刀刮镘成1-2mm(每道)厚的VEGF胶泥层,硬化后,再进行第二刀刮镘,直至达到规定厚度。

③ 凹凸部位,适当增加厚度,或用FRP复合使用。

4VEGF树脂罩面一至二道。

2.3 砌砖式结构

独立式排气烟囱主要指完全用耐腐蚀材料块材砌起来的烟囱。主要材质有花岗岩等,胶结料采用水泥、水玻璃砂浆,内缝用树脂胶泥勾缝。考虑到原材料的采购方便,这种结构在花岗岩产地附近应用较多。如某化纤厂80m高的排气筒,上口径为2.5m,全部用花岗岩砌筑而成,胶结料使用水玻璃砂浆,内壁灰缝用树脂胶泥勾缝,使用十多年以上。因此在烟气腐蚀性比较强,气体温度不高的情况下,使用这种排气筒既经济又合理。

3.结束语

总之,对于化学工业、电力、冶金、废气处理等生产过程中烟气处理所涉及的烟道、烟囱、洗涤塔等装置的制造和防腐结构的处理必须根据其介质环境进行合理的选材以及结构设计。随着高性能防腐树脂的不断开发和应用,以树脂为基体材料的复合材料以各种形式用于这些烟气设备的制造,其应用的可靠性、经济性日益得到认可。

 

参考文献:

1.化学工业部化工机械研究院主编,《腐蚀与防护手册》《化学生产装置的腐蚀与防护》,化学工业出版社出版,1991

2.中国腐蚀与防护学会主编,《合成树脂及玻璃钢》,化学工业出版社出版,1995

3.王天堂、陆士平等,酚醛环氧乙烯基酯树脂的性能及在耐高温强腐蚀场合中的应用,《全面腐蚀控制》,200105期(4)。

4.王天堂、陆士平等,VEGF鳞片胶泥在烟气脱硫装置中的应用,《中国环保产业》,200221期(30)。