玻璃钢在烟气脱硫防腐蚀领域的应用进展.doc

玻璃钢在烟气脱硫防腐蚀领域的应用进展张大厚（中冶建筑研究总院有限公司，北京，100088）【摘 要】通过对国家环保政策、烟气脱硫系统的腐蚀环境条件、各类防腐蚀材料在脱硫系统的应用效果、使用寿命及其造价等的简要介绍，并以耐腐蚀型玻璃钢的特点为基础，揭示出玻璃钢材料在我国烟气脱硫系统的应用前景。【关键词】玻璃钢 脱硫 防腐蚀 应用 进展1. 前言SO2是造成大气污染的主要污染物之一，有效控制工业烟气中SO2是当前刻不容缓的环保课题。据联合国环境规划署1988年公布的统计资料显示,SO2已成为世界第一大污染物,人类每年向大气排放的SO2达118亿t。我国2005年全国二氧化硫排放量高达2549万吨，已成为世界SO2排放第一大国。由此造成的经济损失超过5000亿元人民币！在这些SO2排放中，工业来源排放量占总排放量的83。其中我国目前的1次能源消耗中，煤炭占76，在今后若干年内还有上升的趋势。我国每年排入大气的87的SO2来源于煤的直接燃烧。其中大约一半来自于火力发电厂，随着我国工业化进程的不断加快，SO2的排放量也日渐增多。由于燃煤、含硫较高的重油和矿物原料中本身含硫、氟化钙等，烟气中含有大量的二氧化硫、HF等有毒有害气体，对大气造成严重污染，是酸雨的主要成因。目前，我国国土面积的40%已变成酸雨区，酸雨和二氧化硫污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失严重，成为制约我国经济和社会发展的重要因素。为遏制酸雨污染的进一步发展，1998年1月21 日国务院以国函1998 5号文批准了国家环保局制定的酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案 。以火电厂为例，新建、改建燃煤含硫量大于1%的电厂，必须建设脱硫设施;现有燃煤含硫量大于1%的电厂，到2000年前采取减排措施，在2010年前分批建成脱硫设施或采取其它具有相当效果的措施。2008年，国家环保总局又编制了国家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”规划，确保到2010年全国二氧化硫排放总量比2005年减少10%，控制在2294.4 万吨以内；火电行业二氧化硫排放量控制在1000 万吨以内，单位发电量二氧化硫排放强度比2005年降低50%。到2020年，全国二氧化硫排放总量在2010年的基础上明显下降。根据国家发展改革委公布的2008年度火电厂烟气脱硫产业相关信息，2008年底，我国火电厂烟气脱硫装机容量超过3.79亿千瓦，约占煤电装机总容量的66。当年投运10万千瓦及以上火电机组脱硫装置1.10亿千瓦，比2007年减少5.2。在国内已形成规模达164亿元人民币的巨大市场。按照这一规划，2009年火电行业新增脱硫装机容量5000MW，按照目前的脱硫行情，需要投资80亿元人民币。预计到2020年，总的脱硫装机容量将增至723000MW。2. 脱硫系统的腐蚀环境2.1 脱硫工艺简介烟气脱硫系统用于火力电厂的功能，主要是将烟气中之硫化物除去。脱硫的方法有2种：一是在燃煤中添加吸收剂，使得SO2在燃烧过程中反应生成固体废物，残留在粉煤灰中。这种脱硫技术又称之为干法脱硫，其效率不超过80%，现已很少采用；另一种是在除尘器之后加设吸收塔，采用碱性液体来洗涤、吸收烟气中的SO2，从而达到净化烟气的目的。该技术又称湿法烟气脱硫，理论脱硫率可达99%。2.2 湿法烟气脱硫的历史燃料燃烧后产生的高热烟气，经湿式烟气脱硫系统，在冷却器中降温，然后进入吸收塔与喷淋而下的石灰水接触，若烟气含SO2，则SO2 溶解在石灰石水溶液中形成亚硫酸盐，烟气的之氧气进一步氧化此亚硫酸盐而成硫酸盐。自1860年起，火力发电厂因燃料中含有硫杂质燃烧而生成SO2烟气，便开始使用水或浆液来脱除的设备1。但世界第一个商业运转的FGD系统则是1930年代建于英格兰之Battersea、Swansea和Fulham等电厂。Battersea电厂使用Thames河中弱碱性的水作为吸收剂，而Swansea 和Fulham 则使用石灰浆滞留式反应槽。由于在随后的第二次世界大战中，这些圆柱状高耸构筑物沦为轰炸的最好目标，因此英国电厂的FGD设施被全部关闭，使得FGD的发展停滞了很长一段时间，直到20世纪70年代环保时代的到来，FGD才重新引起人们的注意。目前美国的烟气脱硫系统装置容量已经超过全世界容量之半数，亦即超过72,000 MW之发电容量，除硫程序以利用石灰石石膏浆液处理使用最广 2。2.3 脱硫系统防腐蚀材料应用概述吸收二氧化硫后的浆液其pH 值约在56.5 之间。FGD 系统在处理硫氧化物时，SO2 部份被氧化成SO3，烟气中的SO3 与水气含量常随FGD 系统内的温度而变，如果环境温度低于露点温度，SO3 被凝结的水气吸收而生成硫酸，如果烟气中含有氯离子或氟离子，则会相伴生成盐酸或氢氟酸，这些酸性溶液造成金属的腐蚀行为即称为露点腐蚀。FGD 系统设备的腐蚀，通常包含高温腐蚀及露点腐蚀。系统之前烟气冷却器、除尘塔、吸收塔、加热器等四个位置，因环境条件不同而对金属有不同程度的腐蚀性。火力发电厂发电时因燃料来源不同，所以硫杂质量各异，燃烧生成之烟气量测到不同SO2 浓度，发电机组在运转期间烟气温度在110150。若停机时烟气温度就会低于露点，造成露点腐蚀。从防蚀观点而言，将FGD 系统温度保持在露点以上，应可防止露点腐蚀。但火力电厂由于有高峰及峰谷供电的操作起停实际需要，常常无法避免露点腐蚀。为了解决湿法烟气脱硫所带来的设备腐蚀问题，欧美国家先后采用了多种防腐蚀材料和防腐蚀技术，例如采用价格昂贵的高镍合金C-276、C-22，特种不锈钢316、317LM，设备内衬耐温防腐蚀橡胶、耐温防腐蚀玻璃鳞片，后来也采用耐温防腐蚀玻璃钢材料等，经过多种实验、对比，结果发现玻璃钢是最具性价比的脱硫系统防腐蚀材料。3. 玻璃钢在脱硫系统中的应用3.1 玻璃钢与其他防腐蚀材料的性价比由于湿法烟气脱硫给FGD相关设备带来的严重腐蚀，电厂不得不尝试采取各种措施，来减缓设备腐蚀、降低电厂的运行成本。自1970年代大规模工业化烟气脱硫开始，经过大量的试验、试用，结果发现，在大多数情况下，玻璃钢材料均是最佳的防腐蚀材料。在这方面，国际能源署清洁煤中心进行了大量的、持续数年的试验、调研和统计，得出如下对比数据3：表3-1：不同材料在脱硫系统中的的耐腐蚀性能防腐材料腐蚀介质硫酸盐酸氯酸盐317L 不锈钢25，5%不推荐使用不推荐使用环氧乙烯基酯树脂FRP95，30%82，37%100，全浓度Alloy C-27695，30%82，5%65，20,000ppm不同材料在石灰浆液管道中的造价对比，参见表3-2所示。表3-2：不同材料用作石灰浆液管道时的造价对比（1994年数据）管道材料15 cm 直径管道30 cm直径管道建造造价造价对比建造造价造价对比乙烯基酯树脂FRP$1,6611.0$4,7671.0碳钢内衬橡胶$2,9631.78$7,3641.55316 不锈钢$5,3463.21$14,2883.0除雾器用不同材料制作时的造价对比，参见表3-3所示：表3-3：不同材料用作除雾器时的造价对比（1994年数据）材料建造造价造价对比FRP $300,0001.0317L 不锈钢$600,0002.0高镍合金 C-276$1,500,0005.0不同材料在脱硫塔塔体时的应用对比，参见表3-4所示： 表3-4：不同材料用作脱硫塔本体时的造价对比（1995、1996年数据）材料4x13 m 吸收塔12x33 m 吸收塔建造造价造价对比建造造价造价对比乙烯基酯树脂FRP$175,0001.0$750,0001.0碳钢内衬橡胶$200,0001.15$865,0001.15碳钢表面贴C-276墙纸（C-276 clad steel）$350,0002.0$1,300,0001.75碳钢表面内衬C-276$475,0002.7$1,500,0002.03.2 玻璃钢在脱硫系统的应用状况正是基于玻璃钢材料所具有的综合优势，玻璃钢已被证明是脱硫出口烟道（净烟道）、废浆液循环管道、脱硫系统沟槽等所有使用温度不超过180的环境下，最佳的防腐蚀材料。自1970年代开始，乙烯基酯树脂玻璃钢管道就被用作FGD系统的石灰浆液管道。到目前为止，在美国已有超过150座电厂的脱硫管道（喷淋管、石灰浆液、循环管道）等采用玻璃钢材料制造4。参见图3-1所示。最大的应用增长表现在烟道、烟囱方面。世界上的第一根玻璃钢烟囱于1977年在美国建造成功，使用至今应用状态良好。20042008年，美国建造了的玻璃钢烟囱数量，如表3-5所示。表3-5：近几年北美地区玻璃钢烟囱建造数量4年代20042005200620072008玻璃钢烟囱建造数量35384939图3-1：玻璃钢浆液管道用于FGD系统 自1980年代开始，玻璃钢材料还被直接用于建造脱硫塔。在北美地区，脱硫塔主要是气流喷射室脱硫塔（jet bubbling reactors，简称JBR），1996年投入使用的玻璃钢脱硫塔尺寸为直径20.7m，高度19.8m，位于加拿大Alberta省的Suncor Inc电厂；图3-2：加拿大Suncor Inc电厂的玻璃钢JBR型脱硫塔 目前，世界上最大的玻璃钢脱硫塔，则是安装于美国俄亥俄州Aberdeen的Dayton Power电厂600MW机组脱硫设施，其直径26.84m，高度23.5m，脱硫效率高达99%！3.3 国外大规模采用玻璃钢的原因从上述内容我们可以看出，在国外特别是北美地区，玻璃钢已经被广泛应用于烟气脱硫设施之中，并且在近期有显著的加速趋势。与国内玻璃钢的应用情况相比，有着显著的差异。为什么？究其原因，玻璃钢在美国湿法烟气领域的应用已有超过30年的安全应用历史，并且美国玻璃钢设备制造行业的集中度较高，这些企业对玻璃钢的基本性能、在脱硫系统的应用均进行了长期的跟踪研究，获得了大量的第一手研究、应用资料。目前在美国，玻璃钢在脱硫系统的应用，均能获得如下性能：、超过30年的安全应用保证；、显著低于“碳钢 + C-276”的综合造价；、与其他材料相比，非常低的维护费用。4. 展望按照国家环保政策的要求而快速增长的中国燃煤电厂湿法烟气脱硫，给FGD系统的防腐蚀材料提供了巨大的市场和极高的性价比要求。据统计，2008年世界范围内用于新建烟气脱硫设施的玻璃钢产品的总销售额已超过5亿美元，并且还有1.5亿美元用于已有设备的更新改造。大致分布如下：表4-1：2008年世界范围内的玻璃钢在脱硫行业的销售额5产品销售额（百万US$）喷淋管118.4循环管道118.4脱硫塔52.6管罐52.6烟囱内衬158.0合计500.0但在中国，玻璃钢在脱硫系统的应用还处于起步阶段，只有极少数玻璃钢企业能够提供满足脱硫系统使用要求的玻璃钢制品，并且玻璃钢产品还仅限于喷淋管、极少数烟塔合一脱硫设施的烟道和浆液管道。在未来20年内，中国燃煤电厂的脱硫容量将增长一倍以上，如果国内玻璃钢行业采取适当的措施，加强产品开发、制造设备和技术更新，加强市场宣传和拓展，必将为玻璃钢产品开拓出数亿元人民币的广阔市场。参考文献1 Journal Air Pollution Control Association, “A History of Fuel Gas Desulfurization System Since 1985 ”, Oct. 1977.2 “FGD Installations on Coal-fired plants”, 1989, IEA Co