功能性玻璃钢在烟气排放控制工程中的应用

贺朝铸，赵 丰，吴 斐，许凯奇，黄 楠

（1.武汉博奇玉宇环保股份有限公司，武汉 430223；2.湖北鄂电建设监理有限责任公司，武汉 430062；3.中南电力设计院，武汉 430071）

功能性玻璃钢在烟气排放控制工程中的应用

贺朝铸1，赵 丰2，吴 斐3，许凯奇3，黄 楠3

（1.武汉博奇玉宇环保股份有限公司，武汉 430223；2.湖北鄂电建设监理有限责任公司，武汉 430062；3.中南电力设计院，武汉 430071）

介绍了火电厂烟气排放控制工程中几种常用的设备防腐方案，阐述了功能性玻璃钢复合材料防腐方案的发展和在湿烟气防腐领域的应用前景。

功能性玻璃钢；烟气排放控制工程；应用

1 引言

在烟气排放控制工程中，烟气经湿法脱硫后温度显著下降，形成pH值为1.3～2.5的强腐蚀性冷凝液，对于无GGH的烟囱，600MW机组每小时生成的冷凝液量高达10吨左右，低温烟气形成正压加速冷凝液对设备内壁的腐蚀。并且，湿烟气进入烟囱等设备会形成湍流，携带的液滴及粉尘对设备的内壁产生强烈冲刷；同时，机组运行中还有多种原因会使烟气温度起伏，导致设备内衬受到交变温度及干湿度变化的冲击，内衬材料可能因超出使用温度发生炭化导致防腐性能失效。迄今为止，烟气排放控制工程已经采用的设备防腐方案有10多种，目前得到普遍认可的仅有钛板、宾高德玻璃砖和玻璃钢等3种防腐方案，但这3种方案也有各自的局限性，使行业内在推荐烟气排放控制工程设备防腐方案方面难以形成统一意见。功能型玻璃钢复合材料由于兼具涂料和传统结构性玻璃钢的优势，具有整体性好、耐高温和起伏温度、耐强腐蚀和烟气冲刷、高阻燃性、成本较低、施工周期短、施工维修方便等优点，该防腐方案正在行业内逐步得到广泛认同。

玻璃钢别名玻璃纤维增强塑料，俗称FRP（Fiber Reinforced Plastics），即纤维增强复合塑料。根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP）、碳纤维增强复合塑料（CFRP）等。GFRP是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。纤维增强复合材料是由纤维和基体组成。纤维（或晶须）的直径很小，一般在10μm以下，缺陷较少，体积较小，断裂应变约在30‰以内，属脆性材料，易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度、模量都要低很多，但可以经受较大的应变，往往具有黏弹性和弹塑性，是韧性材料。烟气排放控制工程设备防腐用的玻璃钢复合材料分为结构型玻璃钢（SFRP）复合材料和功能型玻璃钢（FFRP）两类。

1.1 结构型玻璃钢 （SFRP） 复合材料

SFRP不仅要满足防腐的性能，还要承受自身的结构力，通过整体缠绕、大块预制拼接形成整体密封的排烟筒结构。但这种防腐方案存在以下劣势：1）承受结构载荷，具有较大的风险；2）由于受力需要，势必增加材料厚度及用量，成本大幅提高；3）施工难度大，工序复杂，容易引发火灾。

1.2 功能型玻璃钢（FFRP）复合材料

FFRP仅能满足特殊的防腐要求，不承受结构载荷。FFRP复合材料黏接在基体表面，一般分为3层结构，即底涂层、结构层和面涂层，通过在基体喷涂形成底涂层+复合结构层 + 防腐耐磨面涂层的多层复合材料结构，使烟囱内壁完全处于防腐层的保护之下，可有效解决在火电厂烟囱防腐方案的选择中存在的成本、质量和寿命问题，使三者达到一个最佳的结合点。

2 烟气排放控制工程常用设备防腐方案

2.1 钛合金复合板防腐方案

钛是一种优异的耐蚀金属材料，这是由于钛的表面容易生成稳定的钝化膜，钝化膜是由极薄（几个纳米到几十纳米）的氧化钛构成，在许多环境中是很稳定的，并且一旦局部被破坏还具有瞬间再修补的特性。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性，比现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好。介质温度在315℃以下时，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足在恶劣环境中的耐蚀性。但在氧化膜被破坏后，若不存在修复的环境介质，这时钛的腐蚀速度比铁还快。在通常情况下，钛对中性、氧化性、弱还原性的介质具有较好的耐蚀性。而对于强还原性和无水强氧化性的介质则不耐腐蚀，这一点是由钛表面钝化膜的性质决定的。因此，尽管钛合金复合板是国际烟囱设计标准推荐的方案，也有国家标准对其设计、安装和检验提出要求，但钛合金复合板防腐设备泄露事故在电厂仍时有发生，并存在如下劣势：

（1）寿命还需考证。国外最新试验结果表明，50℃、10%的硫酸溶液腐蚀条件下，Ti的腐蚀速率约为0.1mm/a，80℃～100℃条件下Ti的腐蚀速率提高到约0.2mm/a，在有HF等混合酸的环境下，腐蚀速率还会大大加快。

（2）钛合金复合板（一般为1.2mm）在运输、卷板、吊装过程中均可能出现缺陷。

（3）焊缝多，焊接质量难以控制。钛合金复合板在制作时采用爆炸焊，施工难度大；现场安装采用手工焊接时，如果焊接用氩气纯度不够，或杂质含量过高或惰性气体保护措施不力时，焊缝易发生氧化，形成夹渣、气孔等缺陷；焊接过程中，焊缝周围受热面积较大，焊接升、降温速度较快造成焊缝热影响区组织脆性较大，极易形成冷裂纹；焊接电流把握不当，容易形成未熔合、烧穿等缺陷。

（4）钛合金板与碳钢板之间容易发生电化学腐蚀，特别是焊缝附近，发生的可能性更大。

（5）一次投资成本相对较高，价格昂贵。目前，钛合金复合板造价均在3000元/m2以上。

（6）施工过程中的人为因素较多，施工周期较长。

（7）普通碳钢板与钛板的线膨胀系数不同，且钛合金复合板焊接均采用搭接方式，空气极易被密封在设备的搭接部位内，在热胀冷缩后可能会将钛合金板拉裂。

2.2 “宾高德”玻璃砖防腐方案

“宾高德”玻璃砖是美国汉高公司独家经营的专利产品，系特制的硼硅玻璃发泡制品，具有耐酸腐蚀、高绝热性、耐高温、低热膨胀系数、安装简便等特性。“宾高德”玻璃砖内衬主要由玻璃转、黏接剂与底胶构成，其中，发泡玻璃砖为防腐系统的骨架，提供保温、防冲刷及一定的防渗作用，黏接剂提供阻断气液内渗及保证系统柔性的作用，底胶解决表面处理后的防锈与黏接功能。“宾高德”胶黏剂的一大特点是能在受热温度不高于93℃的条件下长期保持较好的弹性，能使内衬系统适应热胀冷缩的温度变形，保证内衬系统的完整性和密闭性，湿法脱硫系统正常运行后的烟气温度一般都低于该温度，符合“宾高德”防腐内衬系统的理想工作条件。但在国内防腐施工中仍有失败案例，存在以下不足：

（1）整体性差，施工要求高。胶泥勾缝、隔离层材料或打底材料易出问题，施工时间虽较钛合金复合板短，但防腐周期仍较长，且不能耐HF酸腐蚀。

（2）胶黏剂耐温不能超过93℃。国外电厂脱硫设备常年运行，没有旁路，故温度不超过93℃，“宾高德”玻璃砖使用很好。但国内电厂的脱硫设备不一定常年运行，且有旁路，温度经常超过93℃，事故状态时更远超93℃。

（3）高温老化失效快，易脱落。“宾高德”玻璃砖砖厚35mm或51mm，加上胶厚约54mm，砖缝隙约3mm，高温烟气接触到玻璃砖的外层后，因砖保温隔热性能好，黏接剂所承受的温度远远小于93℃，砖缝之间的胶黏剂的最外层受热会炭化，但不会脱落，保护了内层的黏接剂。但这是理想状态，国内电厂在旁路经常开启或事故状态下，真正达到黏结材料部分的温度经常超过93℃，高温下这些黏结材料及隔离层材料早已失去强度和黏结特性，老化失效非常快。

（4）国内代理产品的价格较高。因而在实际使用中，承包方在原材料方面经常以次充好。

2.3 结构型玻璃钢（SFRP）防腐方案

SFRP是由高级玻璃纤维和热固性树脂复合形成的兼具结构性和功能性的复合材料，具有优良的防腐能力，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐及多种油类、溶剂均有较好的抵抗能力。结构型玻璃钢是欧美新建烟囱的主要防腐形式，已形成了FRP烟囱或管道结构设计、制造和施工方面的系统标准。国内由于2006年山东某新建电厂SFRP内筒施工火灾事故后，至今再无大型电厂使用的案例，目前仅用于小型发电厂及部分电厂的烟塔合一项目。由整体缠绕成型工艺生产的玻璃钢排烟筒能够自承重，具备比耐硫酸露点钢更加优异的耐酸防腐性能，可以取消保温层，特别适合燃煤电厂脱硫不加GGH的湿烟囱运行条件。但该方案在实际应用中也存在如下不足：

（1）成本高。尽管比钛合金复合钢板方案的成本要低不少，但是较之其他防腐方案还是要高出很多。悬挂式20mm的FRP整体烟囱内筒的工程造价则至少要达2000元/m2。

（2）老化问题。FRP材料在长期使用过程中，尤其是特高温频繁时，很容易出现光泽减退、颜色变化、树脂脱落、纤维裸露、分层等老化现象，FRP性能下降是不可避免的。玻璃钢烟囱的使用适合于湿烟囱，前提是不采用GGH系统，也没有部分烟气旁路开启的情况，即要杜绝出现特高温烟气的情况，这在国内目前还很难完全满足。

（3）高温强度问题。FRP在中低温条件下有优异的耐腐性能和结构性能，但随着温度的升高，其结构性能衰减很快，即使是高耐热的酚醛型乙烯基酯树脂，当使用温度超过其热变形温度（HDT）后，树脂的结构性能也会发生很大改变。

（4）阻燃问题。在一定的条件下，聚合物都是可燃的。这也是国内外在设计中已越来越多采用化学阻燃型耐高温酚醛型乙烯基酯树脂的原因。

（5）仅适用于新建工程。由于SFRP烟囱采用分段整体成型生产模式，目前不适用于改造烟囱。

（6）SFRP内筒对温度要求较高。对于温度变化较大的烟囱，SFRP内筒可能不太适用。

（7）施工周期相对较长。因需预制内筒，且安装时需固定，需要较长的施工时间。

（8）制造工艺要求高。树脂与纤维的选择及玻璃钢缠绕过程的质量都会直接影响FFRP的使用性能。

3 功能型玻璃钢复合材料的应用

3.1 功能性玻璃钢复合材料的发展

功能性玻璃钢复合材料技术源自高温涂料，但涂料不可能做厚，抗冲刷能力差，其强度和韧性远低于玻璃钢材料，于是，兼具涂料和结构性玻璃钢复合材料优点的功能性玻璃钢复合材料由此产生，其采用黏接技术在设备基体表面形成一层几毫米厚的玻璃钢内衬，解决了湿法脱硫后烟气排放控制设备的特殊防腐要求。功能性玻璃钢复合材料在国内火电厂的应用经历了多个发展阶段，具体情况如下：

（1）第一阶段：采用有溶剂乙烯基酯 + 玻璃纤维 +固化剂等原材料，在设备表面形成玻璃钢内衬层。这种防腐方案在喷涂时采用枪内聚合的方式进行施工，采用了较低比例的固化剂。该防腐方案的主要代表是“萨伟真”防腐内衬技术，是美国萨伟真（Sauere-isen）公司针对电厂防腐蚀而研发的专利产品。该方案的主要缺点是防腐内衬易脱落、喷涂设备损坏率较高。具体原因是：

1）由于该方案采用有溶剂树脂，与无溶剂树脂相比，树脂中的溶剂在固化过程中将不断向基体内外扩散，形成如下几种效应：当溶剂从垂直方向向内外扩散时留下空间，形成针孔，为酸液今后的渗透埋下祸根，降低了材料的抗腐蚀性能；当溶剂从水平方向向基体边缘扩散时会留下空间，大大降低材料的黏接性能，一旦复合材料在承受交变温度和复杂腐蚀环境时将会发生脱落；

2）该防腐方案采用树脂与固化剂先混合后喷涂的方式进行施工，虽然为防止反应速度过快而采用了较低比例的固化剂，但树脂与固化剂在喷涂前预先进行混合而发生聚合交联反应，因此，在材料喷涂过程中，如果喷涂时间把握不好就极易堵枪，而且，喷枪在一个项目使用后往往不易清洗，难以在下个项目重复使用，造成喷涂设备的大量损坏和浪费。

（2）第二阶段：采用有溶剂环氧树脂+玻璃纤维+固化剂等原材料，在设备表面形成玻璃钢内衬层。这种防腐方案在施工时也采用枪内聚合的方式和较低比例的固化剂。该防腐方案的代表是“APC杂化结构层防技术”，是美国先进聚合物涂料公司（Advanced Polymer Coating LLC，简称APC公司） 针对军工产品而研发的一种耐腐蚀材料，20世纪80年代后逐渐用于电力化工等强腐蚀性环境。该材料是由改性环氧基聚合物组成的一种极高交联密度的防腐蚀材料，将具有高度耐腐蚀和耐温的无机物二氧化硅（SiO2）与有机的环烷苯基醚相连接，形成无机－有机结构化合物（环硅的缩水甘油醚），该结构中不含有羟基和酯基，而代之以最强的化学键（-C-O-C），形成三维空间的交联立体结构，其分子结构中具有28个可交联官能团，在固化过程中通过芳香型交联剂作用，可结合转变成784（28×28）个交联点。与通常的热固性树脂固化后形成的立体结构不同，在该材料的立体结构中存在着环结构，因此具有优良的柔韧性，从而把高度的交联结构和良好的柔韧性统一起来。该材料整体性能（如黏接性）虽然优于美国“萨伟真”防腐材料，但仍未解决易脱落和喷涂设备易损坏的缺点。

（3）第三阶段：采用无溶剂高性能混和树脂 + 玻璃纤维 + 固化剂+纳米/微米材料等原材料，在设备表面形成玻璃钢内衬层。这种防腐方案在施工时采用枪外聚合的方式和较高比例的固化剂。该防腐方案的代表是“VF功能性玻璃钢复合材料”，是武汉某环保公司针对湿法脱硫后烟气排放控制设备，与国内外高等院校和专家合作而研发的具有自主知识产权的一种高性能耐腐蚀材料，该防腐方案的原材料主要采用国产材料，除具备“萨伟真”“APC杂化聚合物材料”等进口材料的优点外，还在防腐内衬易脱落和喷涂设备易损坏等方面采取了有效的改进措施。其优势包括：

1） 由于采用无溶剂树脂，不存在溶剂扩散问题，防腐内衬黏接性能和防腐性能得到大幅提高；

2）在施工中，采用枪外聚合喷涂方式，不会损坏喷涂设备。在喷涂过程中，树脂流、固化剂流、短切玻纤纱流三流合一，在设备表面完成聚合反应，通过分层碾压，确保材料充分混合；

3）由于采用高性能无溶剂混合树脂，与采用单一树脂的FFRP复合材料相比，综合防腐性能有较大提升。混合树脂综合了多种树脂的优点，如优异的耐酸碱性：耐温性比环氧树脂提高；改善了单一树脂的脆性：产品的黏度低、渗透性强、固化速度快，且改善了潮湿基面的固化性；

4）通过在面层加入纳米/微米材料，有效提高了材料的耐磨性能。另外，还可在面层树脂中加入阻燃材料、含氟单体等提高材料的阻燃和防腐性能。

3.2 功能性玻璃钢复合材料的工程应用

第三代功能性玻璃钢复合材料与第一、二代复合材料相比，综合防腐性能有较大提高，材料的线膨胀系数与由普通树脂生产的玻璃钢相比大大降低，但由于这三类产品的线膨胀系数仍高于基体材料，而且如果基体处理不干净，仍有脱落的风险。因此：1）要在材料方面继续进行研发，生产新一代功能性玻璃钢复合材料，如在碳纤维价格降低后，可采用性能更优越、更低线膨胀系数的碳纤维代替玻璃纤维等；合理调节固化剂比例，降低复合材料脆性；2）要提高材料的施工性能，如加大施工设备研发力度，提高喷涂设备的精准性和自动化程度；改善施工工艺，提高现场基面处理的质量；严格按规范要求的温度、湿度施工环境条件施工等。

尽管功能性玻璃钢复合材料仍有较大的改进空间，但该防腐方案在质量、成本和施工周期等方面具有其他防腐方案不可比拟的优势，并且已在国内火电厂烟气排放控制设备防腐领域取得了不俗的业绩。随着国家对烟气排放控制设备防腐领域的不断规范，功能性玻璃钢复合材料防腐方案必将成为未来火电厂烟气排放控制设备防腐领域的重要手段。功能型玻璃钢复合材料与其它防腐方案的性能比较如下表所示。

4 结论

根据《烟囱设计规范》（GB50051-2013），为满足火电厂烟囱湿烟气防腐蚀需要，新版标准已增加了玻璃钢烟囱（结构性玻璃钢）的内容，这进一步说明玻璃钢防腐已是未来烟气排放控制设备防腐领域的重要手段。由于金属薄板、进口玻璃砖等在价格、整体性、施工周期等方面的劣势，同时，结构性玻璃钢也存在老化、高温强度下降、易发生火灾、不适合改造工程等缺点，功能性玻璃钢复合材料作为一种创新型防腐方案，兼具涂料和结构性玻璃钢防腐材料的优势，必将成为火电厂烟气排放控制设备防腐领域的指定防腐材料，具有广泛的市场前景。

功能性玻璃钢复合材料与其它防腐方案的性能比较表

[1] GB50051-2013 烟囱设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[2] GB/T 8923.1-2011涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定[S].北京：中国标准出版社，2012.

[3] GB 50727-2011 工业设备及管道防腐蚀工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[4] JGJ/T251-2011 建筑钢结构防腐蚀技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5] GB/T50590-2010 乙烯基酯树脂防腐蚀工程技术规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[6] GB50046-2008 工业建筑防腐设计规范[S].北京：中国计划出版社，2008.

[7] GB50078-2008 烟囱工程施工及验收规范[S].北京：中国计划出版社，2008.

[8] GB50224-2010 建筑防腐蚀工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[9] DL/T901-2004 火力发电厂烟囱（烟道）内衬防腐材料[S].北京：中国电力出版社，2005.

[10] GB50212-2002 建筑防腐蚀工程施工及验收规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

Application of Functional Glass Fiber Reinforced Plastics in Flue Gas Emission Control Engineering

HE Chao-zhu1, ZHAO Feng2, WU Fei3, XU Kai-qi3, HUANG Nan3
(1. Wuhan Boqi Yuyu Environmental Protection Co., Ltd, Wuhan 430223; 2. Hubei Ezhou Power Construction & Supervision Co., Ltd, Wuhan 430062;
3. Zhongnan Design Institute of Electric Power, Wuhan 430071, China)

The paper presents the several common use equipment antisepsis programs in fue gas emission control engineering of power plant; explicates the development on the compound material antisepsis program of functional glass fber reinforced plastics and application prospect in the antisepsis feld of wet fue gas.

functional glass fber reinforced plastics; fue gas emission control engineering; application

X701

A

1006-5377（2014）08-0025-05