复合材料在烟气脱硫等环境工程中的应用

复合材料在烟气脱硫等环境工程中的应用

——复合材料发展与低碳经济高层研讨会

张大厚（ 中冶建筑研究总院有限公司,北京100088 ）

摘　要：通过对当前国内燃煤电厂烟气脱硫系统防腐蚀案例的历史、现状进行分析和总结，结合国外发达国家在相关领域的应用经验进行简要介绍，并结合我国复合材料原材料的供应现状，提出复合材料在国内燃煤电厂烟气脱硫领域的发展方向和趋势，供国内同行参考。

关键词：复合材料； 　电厂； 　脱硫系统； 现状； 　展望

中图分类号：TQ 327. 12   文献标识码：A  文章编号

The Used and Developing of FRP in the FGD System of Coal Fire Power

ZHANG Dahou

( The Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group , Beijing 100088 , China)

Abstract : In this paper, the history and the actual state of FRP application in the FGD system of coal fire power plant, and the application experience of FRP in America, Japan and Europe are briefly introduced. Then combined with the raw material supply, the development trend of FRP in the FGD system of coal fire power plant is presented.

Key words : composite; coal fire power plant ; 　 FGD system; actual state ; 　develop

1.  烟气 的危害及烟气脱硫进展

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！

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。

据国家环保部《2009年中国环境状况公报》公布的数据，最近几年SO2排放量及行业分布，参见表1-1：

表1-1：我国近几年二氧化硫及烟尘排放量统计

另据环保部2010年7月公布的《2009年度各省区市和五大电力集团主要污染物总量减排考核结果》，五大发电集团装机容量、已脱硫机组容量如表1-2所示：

表1-2：2009年五大电力集团公司主要污染物总量减排考核结果

备注：表中数据未包括五大电力集团公司 2008 年并购的火力发电厂。

在这些SO2排放中，工业来源排放量占总排放量的84.27％。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。

在此情况下，解决问题的唯一出路，就在于开展烟气脱硫。

按照前述《国家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”规划》的脱硫要求，仅电力行业在“十一五”期间需要进行脱硫改造的燃煤机组，共有1.37亿千瓦，就会有数百亿元的烟气脱硫市场空间。按照目前的发展势头，到2020年，我国将形成7亿千瓦的脱硫市场。

2. 脱硫技术及系统简介

烟气脱硫的基本原理，就是采用碱性物质与燃煤中的SO2反应，生成石膏。

从具体工艺上讲，又有干法（炉内喷钙）、湿法的区别。由于干法脱硫效率达不到环保要求，目前国内极少采用。

在湿法脱硫工艺中，又包含钙法（石灰石-石膏法）、镁法、氨法等不同方法，但钙法在国内要占到90%的市场份额。

钙法的基本原理，就是建造一座脱硫塔，烟气从脱硫塔下部进入，脱硫剂石灰水通过喷淋管道从脱硫塔中上部喷淋而下，在塔体内部与烟气形成对流，从而将烟气中的SO2洗涤干净。随后通过除雾器清除烟气中的较大液滴后，从净烟气出口排入净烟道，并经过增压风机增压后，再通过净烟道进入烟囱下部，最后由烟囱排入周围大气。

基本流程如图2-1所示：

图2-1：湿法烟气脱硫基本流程图（颜色代表温度，暖色代表较高高温）

3. 脱硫后烟气的腐蚀性及防腐蚀技术

    3.1  脱硫烟气的腐蚀性

燃煤烟气脱硫前，由于烟气温度一般在120℃以上（对于老式燃煤锅炉而言会高达150℃）以上，含水率也低于5%。此时虽然含有较多的SO2、SO3等强腐蚀性介质，但是由于不能在烟道、烟囱内表面形成足够量的结露水珠，这些强腐蚀性介质只能是以气态存在，因而对所涉及的设备腐蚀性较弱，一般将此时烟气的腐蚀性定性为“弱”。

引入湿法烟气脱硫工艺之后，虽然烟气中95%的SO2被清除，但是脱硫后的烟气含水率却上升至13%左右，变为饱和水蒸气，温度也下降至45℃～50℃（有GGH时烟气温度为80℃左右），远低于水蒸气的凝结温度，因而会在烟道、烟囱内表面形成明显的结露水流。此外，目前所用的钙法脱硫技术，对烟气中具有强腐蚀性的SO3的脱除率只有大约30%，这部分SO3遇到结露水之后，立即形成硫酸，从而对脱硫塔及附属设备、烟道、烟囱等产生严重的腐蚀。

基于对湿法烟气脱硫系统及设备防腐蚀材料30多年的持续调研，美国电力研究院（EPRI）、国际能源署（IEA）等均将脱硫后烟气的腐蚀性确定为“强”腐蚀等级。

3.2  国内脱硫烟气腐蚀性研究历程

为了降低燃煤中SO2给环境带来的危害，我国早在1992年就开始了燃煤电厂的烟气脱硫试验^{[3], [4]}，脱硫效率高达95%以上。

但是，由于种种原因，国内电力行业在进行湿法烟气脱硫的过程中，对于脱硫烟气的腐蚀性认识不足，一些学者不深入进行实际研究，只是简单地套用，并用烟气腐蚀性指数Kc来判断烟气对烟囱及尾部烟道腐蚀的强弱，给脱硫系统的防腐蚀工作带来了较为严重的误导作用。因为从表面上看，烟气中95%SO2被脱除，烟气温度也明显下降，按照原来的干烟气腐蚀性指数计算公式进行套用，所得出的腐蚀性指数很低，结论肯定是“弱腐蚀性”。再加上国内工业界一直以来存在的希望“少花钱、多办事”的思维方式据此有了理论依据，结果是2009年以前国内电力行业在脱硫系统、烟道、烟囱防腐蚀方面花费甚少，仅仅是简单地模仿于2004年引进国内的宾高德发泡玻璃砖烟囱防腐蚀体系，而在国内推出仿制品——国产废玻璃制造的发泡玻璃砖和硅橡胶粘接剂防腐蚀体系，并大量采用，导致在加装湿法烟气脱硫装置之后较短的时间内，脱硫烟囱就出现了较为严重的腐蚀：有的电厂已进行国产发泡玻璃砖防腐蚀施工的脱硫用钢烟囱，仅仅使用了2个月左右，就出现了直径达210mm的穿孔^[6]；南方某电厂脱硫烟囱采用钢内筒，国产废玻璃发泡玻璃砖做内防腐，结果不到1年，即发现整个钢内筒已被腐蚀得很严重，必须立即更换[7]！

此外，河北某电厂烟囱采用国产废玻璃发泡玻璃砖防腐蚀，仅仅使用了半年，就由于严重腐蚀渗漏而不得不报废，预计经济损失超过5000万元！山东某厂烟囱采用国产发泡玻璃砖进行内防腐，投入使用仅仅2个月即出现内筒垮塌、脱落，不得不紧急停机维修，已造成4000多万元的损失。预计进行彻底维修之后，总体损失会在1亿元人民币以上！

也有一些电厂采用聚脲做内防腐蚀层，结果不到半年即出现大面积开裂、脱落；有些电厂采用耐酸胶泥做内防腐蚀层，最快投入使用只有28天，脱硫冷凝水即将烟囱砖内筒渗透；笔者参与处理的一起脱硫烟囱严重腐蚀案例，则是在投产仅仅1个月，即在烟囱100m以上的部位，出现大量渗漏，6个月之后检测发现，烟囱混凝土结构已有42mm被腐蚀、钢筋直径减小2mm以上而不得不退出运行，进行全面地结构加固和再防腐施工，预计整个整改工期将持续1年，经济损失巨大！在净烟道防腐蚀方面，同样由于电厂、脱硫公司对于防腐蚀认识上的不足，导致有的电厂脱硫设施投产不到3个月，即导致“钢板+玻璃鳞片防腐蚀”烟道被大面积腐蚀穿孔，失去维修价值：

3.2  国外脱硫烟囱防腐蚀技术简介

在国外，随着1970年代烟气脱硫技术的大规模推广应用，对脱硫烟气的防腐蚀技术研究也随之展开。

在进行脱硫烟气腐蚀性及防腐蚀技术研究的各类国际机构中，以创建于1973年的美国电力研究院 （the Electric Power Research Institute，简称EPRI）和成立于1976年的国际能源署清洁煤中心 （Clean Coal Centre，International Energy Agency）在脱硫烟气防腐蚀技术研究方面较为全面和权威。

EPRI 经过30多年对美国脱硫烟气防腐蚀案例调研和经验总结，于1996年编写了《湿烟囱设计导则 WET STACKS DESIGN GUIDE》，对曾经用于美国燃煤电厂脱硫烟囱内壁的各类防腐蚀材料进行了长期跟踪调研，并对这些材料的建造费用、使用过程中的维护费用和全寿命成本等进行了对比分析和评价。美国材料试验协会（ASTM）也自1970年代起即制定、颁布了玻璃钢烟囱规范，用于指导玻璃钢烟囱的设计、制造、安装及使用，并且及时将玻璃钢新技术通过规范修订的方式反映出来。美国政府能源部矿物燃料办公室（U.S. Department of Energy，Office of Fossil Energy）据此于1999年推出了DOE/FE-0400号燃煤电厂推荐性设计方案《MARKET-BASED ADVANCED COAL POWER SYSTEMS FINAL REPORT MAY 1999》[8]，将“钢筋混凝土外筒 + FRP内筒”作为美国燃煤电厂脱硫烟囱的唯一推荐方案。

由于玻璃钢材料用于脱硫烟囱内筒具有如此众多的技术、经济优势，最近十几年来，“钢筋混凝土外筒 + FRP内筒”的脱硫烟囱形式，已成为美国燃煤电厂脱硫烟囱的主要结构形式，参见下表3-1：

表3-1：最近几年美国玻璃钢烟囱的建造数量[10]

在欧洲，国际能源署清洁煤中心于2006年出版的《SOx emissions and control》一书第12章专门介绍了该机构对燃煤电厂脱硫系统防腐蚀材料的研究成果。该书对脱硫系统防腐蚀材料的耐腐蚀性能评价结果如表3-2所示，不同材料用作脱硫烟囱防腐蚀内衬时的耐应力疲劳性能试验结果如表3-3所示，而如果由这些材料来建造脱硫烟囱防腐蚀内衬，其造价对比如表3-4所示：

表3-2：不同材料在脱硫系统中的的耐腐蚀性能 [11]

表3-3：不同材料用作脱硫烟囱防腐蚀内衬时的耐应力疲劳性能[11]

表3-4：不同材料建造脱硫烟囱防腐蚀内衬的其造价对比[11]

（烟囱高度70m，内径3m，造价按照1996年材料费用计算）

    由以上对比数据可见，玻璃钢是用作燃煤电厂脱硫烟囱防腐蚀内衬性能比最高的防腐蚀材料。

3.3  国内玻璃钢用作脱硫烟囱防腐蚀内衬的研究与应用现状

在国内采用玻璃钢做腐蚀性气体排放烟囱与国际上基本同步，始于20世纪60年代。据中冶建筑研究总院科技档案资料记载，早在1965年12月即会同鞍钢冷轧厂、鞍钢设计院等单位，建造了高度为40m的酸洗废气排放钢烟囱玻璃钢内衬，安全使用至1976年因该冷轧车间扩建需要拆除该烟囱时，玻璃钢内衬仍然完好；1975年又会同沈阳冶炼厂建造了国内第一座整体缠绕式玻璃钢烟囱，高度102m、直径2.5m。该烟囱安全使用了近20年多年，直到1996年前后需要进行产能扩建才被拆除，充分显示了玻璃钢用作排烟筒的优异性能。

基于国内开展大规模燃煤电厂湿法烟气脱硫后给烟囱带来的严重腐蚀问题急需解决，中冶建筑研究总院于2005年开始，会同有关电力设计院开展玻璃钢烟囱在燃煤电厂脱硫烟囱上的设计和应用技术研究，并于2006年设计、建造了国内第一座电厂用玻璃钢烟囱，高度180m、直径6.6m，最高使用温度180℃。但是，在安装的最后阶段，由于安装工人的违章作业，导致该烟囱被烧毁。

此外，国内某单位还推出了预制玻璃钢板材拼装式玻璃钢烟囱，即通过钛合金钉将预制玻璃钢板材固定在现有烟囱内壁，然后采用手糊法密封板缝和钛合金固定孔。该设计方案有一定的新颖性，但是由于未能考虑到烟囱的实际运行工况，导致投入运行2个月之后即出现预制板脱落、烟囱出现渗漏，维修一次之后仍然不能解决问题，业主不得不改用其他方案[12]。

4. 玻璃钢烟囱在国内的应用前景

（1）、从国内燃煤电厂脱硫烟囱防腐蚀现状来看，由于防腐蚀方案及施工质量控制等原因，已经给电力行业带来了数十亿元人民币的经济损失，到了必须尽快解决的刻不容缓的程度；

（2）、整体缠绕式玻璃钢烟囱，在国内冶金行业已经有长期安全应用的业绩，虽然在电力行业的第一项业绩由于配合工种的原因而出现了意外，但从发达国家30多年的应用历史及近期建造案例来看，必将是解决国内燃煤电厂脱硫烟囱防腐蚀难题的唯一出路。

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 Coal Research Report.

[3] 馨砉. 珞璜电厂首次引进大型排烟脱硫装置. 中国电力报/2006 年/6 月/6 日/第007 版.

[4] 张可钜. 珞璜电厂4×360MW机组烟气脱硫工程评述.电力环境保护[J].2000年第4期，P1-11.

[5] TR-107099 9017. WET STACKS DESIGN GUIDE （1996.11）. Electric Power Research Institute (USA).

[6] 沈宝中. 华能上海石洞口第二电厂#2 烟囱钢内筒水平烟道入口处局部腐蚀及修复情况. 火力发电厂脱硫烟囱防腐技术研讨会议. 2009.08，上海.

[7] 杨清发. 某电厂烟囱钢内筒腐蚀破坏的案例介绍. 火力发电厂脱硫烟囱防腐技术研讨会议. 2009.08，上海.

[8] ASTM D 5364-93 (Reapproved 2002) Standard Guide for Design, Fabrication, and Erection of Fiberglass Reinforced Plastic Chimney Liners with Coal-Fired Units.

[9] DOE/FE-0400. U.S. Department of Energy ，Office of Fossil Energy，MARKET-BASED ADVANCED COAL POWER SYSTEMS FINAL REPORT MAY 1999.

[10] Thom Johnson, Don Kelley, Mike Stevens. The Rapid Growth of Composites in Air Pollution Control Processes. 8th Annual COAL-GEN Conference ，August 13, 2008 - August 15, 2008，Kentucky International Convention Center.

[11] Deborah M B Adams, Anne M Carpenter, Lee B Clarke, Robert M Davidson, Rohan Fernando, Kazunori Fukasawa, David H Scott, Irene M Smith, Lesley L Sloss, Hermin é Nalbandian Soud, Mitsuru Takeshita, Zhangfa Wu. SOx emissions and control. 2006 ， IEA Clean Coal Centre .

[12] 王洪斌. 一期烟囱防腐整改技术研究. 火力发电厂脱硫烟囱防腐技术研讨会议. 2009.08，上海.

张大厚，男，复合材料专业工学硕士；中冶建筑研究总院有限公司（中冶集团建筑研究总院）防腐蚀专业教授级高级工程师，中国工业防腐蚀技术协会和中国化工企业管理协会防腐蚀大师、中国工业防腐蚀技术协会常务理事、专家委员会副主任委员。最近10年来主要从事燃煤电厂湿法烟气脱硫系统的防腐蚀工程技术服务。