燃煤电厂脱硫设备新型内衬材料的研制与应用
刘军1 朱正芳2
（江苏溧竹环境工程有限公司，江苏常州，213135）
摘 要：介绍了燃煤电厂脱硫系统浆液输送设备在运行过程中腐蚀、磨损、疲劳失效的现状，针对性气、固、液三相流体输送的特征以及失效机理展开了较深入的分析研究，研制了一种新型的陶瓷/聚合物复合内衬材料，并应用于电厂脱系统管道设备浆液输送，有效地保障了脱硫设备的安全、经济运行。
Abstract：Coal-fired power plant desulfurization system were introduced in this paper slurry transportation equipment in the running process of the status quo of corrosion, wear and fatigue invalidation targeted gas, solid and liquid phase fluid transfer characteristics and failure mechanism of the deeper analysis and research, has developed a new kind of ceramic/polymer composite lining materials, and applied to the power take off system slurry transportation pipeline equipment, effectively guaranteeing the safe and economic operation of desulfurization equipment.
关键词：燃煤电厂 脱硫设备 防腐耐磨 复合内衬
Keyword: Coal-fired power plants, the desulfurization equipment, anticorrosive wearing, composite lining
0 引言
目前，我国电力生产以燃煤发电为主，燃煤发电厂是将煤炭燃烧所得的热能通过适当的动力机械转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能的发电方式。燃煤电厂发电的生产工艺流程是将煤炭破碎后经制粉设备制成煤粉，靠煤粉风机做功，将煤粉输入粗细粉分离器进行分离，分离出来的合格煤粉送入锅炉燃烧。燃烧后的灰粉和渣再通过气压输入电除尘设备收集贮存，而含有SO2以及NOx污染气体和部分粉尘则经过烟气脱硫、脱硝等装置进行化学转化和沉降而被清除。
在整个工艺过程中煤粉、灰、渣以及SO2、NOx等物料的输送动力设备有风机、泵和螺旋管道输送机等设备。煤粉风机、浆液泵等设备所输送的物料如煤粉、灰粉和灰渣、灰浆势必对设备造成腐蚀和磨损。其磨损和腐蚀程度与粉尘颗粒直径以及煤矸石含量，氧化硫含量等物料质量有关。管道是燃煤发电厂生产工艺流程的纽带。发电厂管道输送物料是指煤灰粉、灰渣以及烟气脱硫、脱硝过程中化学腐蚀性混合浆液等，由于被输送物料属气、固、液三相流体或气、固二相流体输送，设备输送的物料常伴有腐蚀和磨损共存，尤其是在高温环境工况下运行的设备使用寿命极为有限。 1
刘军（1983-），男，江苏常州人，助工，总经理。主要从事企业管理及耐磨、抗腐蚀、耐高温材料的研究、开发与应用工作。E-mail：120704264@qq.com 作者简介： 2朱正芳，（1947.9-），男，湖南衡阳，教授级高工，主要从事电力工业耐磨耐蚀耐热材料的研究、开发与应用工作。E-mail：zhu0749@126.com。
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腐蚀、磨损和疲劳断裂是设备材料在使用过程中导致功能失效的三大主要原因，腐蚀磨损出现的条件首先是存在腐蚀介质，其次才是相对运动的（摩擦）表面。但在实际工况环境中，它们往往同时参与设备材料的加速破坏而失效。
国内外在防磨耐腐蚀领域使用的防护材料有金属材料、非金属材料或者由两种材料构成的复合材料。由于在机械磨损、化学腐蚀介质以及腐蚀性气体等复杂工况环境条件下运行，设备的使用寿命极为有限，因此研究开发输送、贮存腐蚀与磨损共存的多相流体物料的设备复合材料内衬也是当今新材料开发的技术前沿，也是防磨耐腐蚀材料领域技术创新的一大关键，具有十分显著的社会经济效益。
1 燃煤电厂脱硫系统管道失效现状及机理分析
1.1 脱硫系统管道设备失效现状
早期的燃煤发电厂烟气脱硫防磨耐腐蚀管道及容器设备采用低碳和超低碳奥氏体不锈钢如316（00Cr17Ni14Mo3）或317(0Cr18Ni12MoTi)不锈钢。这类不锈钢对于氧化介质有很好的耐腐蚀性能。但是在实际应用中，发现有点蚀、缝隙腐蚀及冲刷磨损等现象。
钛合金是优良的耐腐蚀抗磨材料，应用在烟气系统的管道和容器上都表现良好的防磨耐腐蚀性能，但是价格昂贵。
镍基合金的应用效果非常理想，但是价格昂贵。
目前，也有电厂采用铸石复合材料和抗磨白口耐磨铸铁复合材料制成管道及容器，缺点是重量大、性脆，不适宜在腐蚀性大的湿态工况条件下运行。
采用铝热法和粘贴法制造的陶瓷复合管道及容器，耐磨性能十分好。其缺点是内衬脆性大、易裂，在使用过程出现质量事故的机率较高，如果施工工艺过程中稍有质量失控，会造成陶瓷片脱落。
现有管道流体输送技术中，一般采用橡塑复合材料制成的管道或容器，它既保持了钢结构体的强度，又发挥了橡塑的耐腐蚀性能，并且价格低廉。缺点是内衬抗老化性差，结合强度低，不耐有机溶剂，部分塑胶有吸水性，现场修复质量难以控制。
综上所述，各燃煤发电厂现在应用物料输送和贮存设备存在单一或复合材料制成，由于材料单一功能的局限，致使采购的输送管道等设备不具备耐磨耐腐蚀和内壁装置结垢共存的环境下运行，尤其是在高温、多相（汽、固、液），高浓度物料输送工况环境下，使用寿命极短，检修频繁严重影响了电厂安全、经济、高效运行和环境污染。 1.2 脱硫系统管道设备失效机理分析
烟气脱硫系统设备防腐蚀里材料运行中发生的物理破坏主要有溶胀、鼓泡、分层、剥离、脱黏、龟裂和开裂等 。引起这些防腐蚀衬里失效的因素很多，主要分析有以下几个方面：
1.腐蚀介质的渗透作用。这是引起衬里破坏的前提因素。导致介质渗透有三个原因：首先在室温
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条件下成型的衬里材料，均为非致密体，其中存在有大量的分子级空穴，更为严重的是，溶剂的挥发使这种缺陷量进一步增大，这就为介质的迁移渗透提供了通道；其次，作为复合材料的衬里材料，界面间总是存在空隙； 再则，衬里本体在混配成型过程中，必然会有微气泡和微裂纹缺陷的产生。衬里材料本身具有的这种固有缺陷导致了腐蚀介质渗透的不可避免性。例如某发电厂脱硫系统吸收塔和管道衬胶由于渗透失效剥落的碎片造成堵管停机事故时有发生。
2.应力腐蚀。它是引起衬里材料物理腐蚀破坏的重要因素，主要有残余应力、热应力、交变应力等。
3.残余收缩应力。非金属材料衬里本体在固化时，大分子间因固化反应形成的新化学键及物理键，使得大分子的聚集态及构象发生变化，分子间距离的缩短导致树脂体积收缩。衬里使用的多种上材料中，固相材料相对收缩率小，从而限制了树脂的收缩，导致本体形成的收缩残余应力。而且树脂材料本身，也会因为固化反应速度及固化热分布不均匀，导致构象及聚集态变化不完全而形成残余收缩应力。例如石灰石浆液罐及浆液处理系统的玻璃磷片衬里龟裂剥落时有发生。
4.热膨胀系数不同。在热环境下使用的非金属衬里材料，比金属基体的热膨胀系数要大得多，二者不同的膨胀量导致二者界面处形成热应力，在树脂和填料间也存在这种热应力。
5.锅炉负荷的变化、气流/液流的冲击及其他地方也会带来交变应力。
6.施工质量是保证防腐蚀涂层能有效地保护设备的可靠性能为前提。表面处理不好会降低黏结强度、分层施工造成表面污染会降低界面的黏结强度，除泡不当会增加本体内的缺陷，固化不足会导致衬里内聚强度不良等。
提高设备防腐蚀衬里的使用寿命，主要应该从优化设备衬里研制，实施以可靠性为中心的设备维护管理、优选防腐蚀材料、加厚防腐层、抑制介质渗透，减少衬里层内残余应力、强化施工质量和再制造工艺技术等方面入手。
烟气脱硫装置防腐蚀材料的研制对于防腐蚀衬里起到关键性的作用，在设计中要充分考虑到设备在各区域运行的腐蚀环境，有效兼顾衬里材料与待衬设备结构、强度、刚性及运行状态的匹配关系，才能真正做到防腐衬里的安全、可靠。
2 烟气脱硫设备新型内衬材料的制备工艺与技术特点
陶瓷/聚合物复合材料是能够在金属和非金属设备基体上通过特殊复合工艺而形成的复合材料衬里，它具备防腐蚀、抗磨损、防结垢等功能。例如多元复合钢管就是由金属―陶瓷―聚合物、丁基橡胶等多层材料经过反应加工复合而成的高性能管道制品，其中外层无缝钢管作为承载件，管道内衬底层为聚合物纤维层，中间层微纳米改性陶瓷作为抗磨耐蚀骨架层，内壁有机/无机拼混树脂主要起防腐、防结垢功能层。
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烟气脱硫系统陶瓷/聚合物复合材料内衬制备时的技术创新工艺有效地解决了金属（非金属）―陶瓷―聚合物，界面的结合力，陶瓷层材料的脆性开裂以及多层材料之间的热膨胀系数的匹配性，设备的新型陶瓷/聚合物复合材料构成的内衬充分发挥了单一材料的特有性能和拼混改性树脂与微钠米材料的复合效应，从而即使在较高的运行温度和恶劣的工况环境下，仍具有优异的抗磨耐腐蚀性能和缓结垢功能，使常规防腐蚀设备复合内衬在腐蚀与磨损式结垢共存工况下使用寿命短问题得到了有效解决。
陶瓷/聚合物复合材料内衬技术性能指标：
新型复合内衬管道和容器等设备工艺方案，构思独特，极大地提高了管道及过流件设备耐磨抗腐蚀性能，我们在多个燃煤电厂烟气脱硫系统对现有的管道、设备进行了技术改造和维护，使用寿命与现有技术相比提高了3～6倍，可广泛应用于燃煤发电厂脱硫、除灰、排渣系统多相物料输送和排放。
将高分子重反应聚合物及陶瓷材料与钢壁设备结合作为防磨耐腐蚀基础构成由多种材料组成的复合内衬管道和容器以及浆液循环泵等设备。
适用各种无机酸、碱、盐类，部分有机物，各种粉体、颗粒悬浮液的输送。
使用工况温度：在干燥环境中可在135℃下连续使用，增强聚合物材料可在260℃～380℃环境中连续使用。在湿态环境中，可在-30℃～180℃工况环境中使用；
陶瓷硬度HRA＞90，抗压强度≥200MPa，结合强度≥20MPa； 使用工况压力：0.1～16MPa； 内衬密度：3.65～6.27g/cm3； 内衬摩擦系数：0.04
内衬与钢基体结合强度≥20MPa以上，可在真空工况下长期使用。
3 结论
采用该复合内衬装置制成的内衬比常规衬橡塑、铝热法陶瓷、贴片陶瓷等复合内衬相比，具有以下优点：
1.膨胀系数8.7×10/℃与钢基外层热膨胀系数11×10/℃相差不大，两者物理性能匹配，在工况交变温度作用下，内衬不鼓气、塌瘪、褶皱，法兰翻边处不开裂。内衬表面光滑，不结垢，水力阻力小。
2.复合内衬产品具有特殊的耐磨蚀、耐化学腐蚀性能、抗老化和优越的水力性能，抗拉强度160MPa~260MPa；它还是热和电的绝缘体。这不仅是一种防磨损、腐蚀和气蚀的保护材料，还可用于修复修补和处理腐蚀、气蚀、锈蚀、冲蚀、机械磨损、变形、裂纹、孔洞、渗漏等各种缺陷和故障设
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