乙烯基树脂玻璃鳞片技术(VEGF)

alexwtt · 发表于 2005-9-20 09:19:16

VEGF鳞片胶泥在烟气脱硫装置中的应用研究
王天堂陆士平
（上海富晨化工有限公司, 上海 200235）
摘要：本文简要介绍了高度耐腐蚀VEGF鳞片胶泥在烟气脱硫装置中的应用。
关键词：玻璃鳞片；胶泥；烟气脱硫；应用
 
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。在20世纪50年代的工业化初始发展阶段，全国煤炭消耗量为2000-10000万吨，二氧化硫的排放量为50-200万吨；在60-70年代的工业化第二阶段，煤炭消耗量为1000-45000万吨，二氧化硫的排放量为300-700万吨；自1980年代始在工业化第三阶段，煤炭年消耗量达80000万吨，二氧化硫的排放量为900-1500万吨；同时在燃煤过程中产生相当量的氮氧化物，如2000年我国燃煤电厂的NOx的排放量达到290万吨。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烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization 简称“FGD”）。
烟气脱硫是当今燃煤电厂等控制二氧化硫排放的主要措施。而湿法石灰石洗涤法是当今世界各国应用最多和最成熟的工艺。国家电力公司已将湿式石灰石脱硫工艺确定为火电厂烟气脱硫的主导工艺。根据有关资料介绍，自1980年代以来，仅向日本就进口或合作开始了近10套FGD装置，占中国进口FGD装置的70%。但预计到2003年湿法脱硫设备国产化率达96%以上，到2010年，国产化率达100%。
 
2、 湿法烟气脱硫工艺的腐蚀情况
湿法脱硫工艺的基本原理是：烟气中的SO2、SO3、HF或其它有害化学成份在高温状态下与某些化学介质相遇，并发生化学反应，产生稀硫酸、硫酸盐或其它化合物，烟气温度也同时降低到露点以下，这就给脱硫装置带来了露点腐蚀问题。
火电厂烟气中含有SO2、NOx、HF、HCl等气体。因此，脱硫系统洗涤液中含有H2SO4、HCl、HF等溶液，且含有20%左右的固体物。烟气吸收塔入口温度可高达160-180℃，且有一定的干、湿界面；吸收塔出口烟温较低，为45-55℃左右，处于在露点以下。因此，湿法脱硫系统对材质的耐蚀、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，因而对脱硫系统的可靠性、利用率和使用寿命要求也极高。
研究选择合适的耐腐蚀材质是各国长期努力的目标，1980年初，国内的电力、冶金研究设计部门为了克服湿气脱硫系统中脱硫塔、烟道和烟囱及衬里的腐蚀，一直在寻求一种造价低、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，有二种可供选择：一种是环氧树脂鳞片胶泥，国内有兰州化机设计院提供；另一种乙烯基酯树脂鳞片胶泥（vinyl ester glass flake mortar），简称为VEGF鳞片胶泥，如上海富晨化工有限公司研发的VEGF高度耐蚀鳞片胶泥。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，目前在日本、美国等国家均采用后者。
 
3、 VEGF鳞片胶泥的耐蚀机理
VEGF鳞片胶泥具有优良的耐腐蚀性能，这主要是与胶泥的组成有关。一般情况下，防腐蚀层的防蚀失效主要是树脂基体受到腐蚀，基体树脂首先产生失重、变色等情况，之后引起材料的鼓泡、分层、剥离或开裂等情况，最后导致防腐蚀层失效，尤其后者，由于渗透等因素，加速了具有腐蚀性的化学介质渗入到防护层的内部。因此在选择具有良好耐腐蚀性能树脂基体的同时，应采取有效的措施来减弱、减缓腐蚀介质或水蒸汽的渗透作用。而VEGF鳞片胶泥比基体树脂能够提供更为有效的耐腐蚀性能，这主要是因为VEGF玻璃鳞片能够有效的防止腐蚀介质或水蒸汽的物理渗透。
3．1 VEGF鳞片胶泥具有较强的抗渗透性是与其的物料组成有关，一般情况下，VEGF鳞片胶泥含有10%-40%片径不等的玻璃鳞片，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3.1所示，腐蚀介质在固化后的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的延长，客观上相当于有效地增加了防腐蚀层的厚度。同时，在无玻璃鳞片增强情况下，树脂基体连续相中会存在大量的所谓的“缺陷”，如微孔、气泡及其它微缝等，这些缺陷的存在会加速或加快腐蚀介质的渗透过程，因为一旦介质渗透到这些缺陷中，渗透的速度在得到提高的同时，接触具有腐蚀性的介质的基体连续相的面积也随之会加大，从而更加速了物理渗透和化学腐蚀过程，而在VEGF玻璃鳞片胶泥中，由于平行排列的玻璃鳞片能够有效的分割基体树脂连续相中的这些“缺陷”，从而能够有效的抑制腐蚀介质的渗透速度。
图 3.1 VEGF鳞片胶泥示意图
另外，除了具有腐蚀性的化学介质渗透之外，还存在着水蒸汽的渗透。通常情况下，高聚物材料的分子间距为10Å，而对于水蒸汽来说，只要高聚物材料的分子间距达到3 Å ，水蒸汽就能容易地透过高聚物的单分子层。若基础材料是碳钢时，水蒸汽由于渗透而达到碳钢表面后，并在氧气存在情况下，会由于电化学反应而生锈。VEGF鳞片胶泥在固化后，由于乙烯基酯树脂的高交联密度可以有效的减弱水蒸汽和腐蚀性化学介质的渗透，并且如同上文中所述，VEGF的独特结构更能达到防渗透或减渗的效果，经测定VEGF鳞片胶泥的水蒸汽扩散速率为1.5×10-6g/hr.cm2。
3．2固化后的VEGF鳞片胶泥是一种复合材料，其中基体树脂起粘结作用，这个过程主要是：具有高度活性的不饱和双键的基体树脂通过交联，形成三维的体型结构，期间线性的高分子形成网状的结构会导致化学体积的收缩；同时，在这分子中的不饱和双键打开生成饱和单键时伴随着分子体积的变化，有数据表明：液态树脂中C=C基团分子体积在固化后会缩小25%，这个树脂固化过程中分子自由体积的变化，也是造成不饱和树脂（包括乙烯基酯树脂）收缩的一个重要原因。而收缩会产生内应力，严重时会导致微裂纹等的出现，并且残余内应力的存在会微裂纹的扩展提供了潜在条件。因此在选择基体树脂时，应充分考虑树脂在具有良好的耐腐蚀性能的同时，又要求树脂具有较低的收缩率。由于加入了玻璃鳞片和其它填料等，VEGF鳞片胶泥的收缩率会大幅度降低。并且由于VEGF鳞片胶泥的中玻璃鳞片的存在可以起到降低固化后的残余内应力的作用。这是因为：在树脂基体中不规则分布的玻璃鳞片是一具有较大比面积的分散体，在胶泥固化后，树脂由于固化收缩而产生的界面收缩内应力可以被玻璃鳞片所稀释或松弛，因此有效的减弱了内应力影响；同时，虽然玻璃鳞片在树脂基体连续相中是近乎平行排列，但还是存在一定的倾角，该倾角的存在可以有效的分割树脂基体连续相为几个小区域，使应力不能相互影响或传递。
 
4、 VEGF鳞片胶泥的特点
4．1 耐腐蚀性能好。由于VEGF鳞片胶泥采用的基体树脂是高性能的乙烯基酯树脂，该类型树脂具有较环氧树脂更好的耐腐蚀性能。
4．2 较低的渗透率。VEGF鳞片胶泥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。
4．3 VEGF鳞片胶泥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VEGF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 。因此VEGF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。
4．4 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，VEGF鳞片胶泥涂层的线膨胀为11.5×10-6/℃,钢铁的线膨胀系数为12×10-6/℃，两者之间比较相近，使VEGF鳞片胶泥适合于温度交变的重腐蚀环境，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℃。我们进行了耐热冲击性能试验，即把涂有VEGF胶泥的钢板交变放置在100℃沸水和0℃的冰水各1小时，经100次交变试验后未能有异常现象出现。
4．5 耐磨性好。VEGF鳞片胶泥在固化后的硬度较高，比普通醇酸漆高2-3倍，耐磨性较好，如VEGF鳞片胶泥的耐磨性为120mg （CS-17W-500 g情况下），而受外机械损伤时，VEGF鳞片胶泥的破坏是局部的，其扩散趋势小，易于修复。
4．6 具有适中的造价。目前国内外的FGD装置中的选材主要有不锈钢、整体镍基合金、整体玻璃钢等方法。有关造价的比较见表4.1。
表4.1 FGD衬里材料典型造价
类别造价备注美元/m2相当RMB/m2碳钢2702235主体设备不推荐碳钢内衬VEGF4303560目前首选材料碳钢内衬橡胶440-7603642-6292耐磨好，造价高，物理失效多，施工难度大，难修补。整体FRP480-7003974-5795使用温度推荐不高于80℃整体316/317540-10804470-8941易出现点蚀、缝隙腐蚀和冲刷腐蚀情况整体镍基合金1350-188011177-15565效果好，但投资高4．7 工艺性较好。由于VEGF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（spay coating）、滚涂(trowel coating)、刷涂（roller coating）等成型工艺，并具有当场配制和室温下固化的特点。在VEGF鳞片胶泥涂层使用几年后，若出现遭损坏的情况，只需在该处作简单的处理即可进行修复，并可继续使用而不影响使用性能，具有修补性好的特点。