復(fù)合材料環(huán)保設(shè)備耐腐蝕與防護應(yīng)用進展

復(fù)合材料環(huán)保設(shè)備耐腐蝕與防護應(yīng)用進展第一頁，共91頁。復(fù)合材料環(huán)保設(shè)備應(yīng)用進展復(fù)合材料環(huán)保設(shè)備耐腐蝕特性關(guān)于樹脂的熱變形溫度及其力學(xué)性能保留率玻璃鋼環(huán)保設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析幾點思考第二頁，共91頁。根據(jù)復(fù)合材料行業(yè)的相關(guān)統(tǒng)計，2013年我國的纏繞制品總產(chǎn)量約70多萬噸。玻璃鋼管道生產(chǎn)盡管有所下降，但仍是纏繞制品中產(chǎn)量最多的產(chǎn)品,約占80%;復(fù)合材料貯罐和塔器在石油化工、釀造等領(lǐng)域獲得廣泛認可，需求平穩(wěn)并部分出口；復(fù)合材料環(huán)保設(shè)備制品近年來得到較快發(fā)展與應(yīng)用；第三頁，共91頁。復(fù)合材料環(huán)保設(shè)備應(yīng)用范圍較廣，如脫硫工程、污水處理工程、化學(xué)化工、廢棄物處理工程等。我國目前能源結(jié)構(gòu)上仍是以燃煤為主的國家。據(jù)前幾年估計：我國二氧化硫排放2000萬噸/年，經(jīng)濟損失1100億/年，燃煤火電廠占40%，嚴重地污染人類生存的環(huán)境，危害著生態(tài)及人體健康，同時也制約著國民經(jīng)濟的高速健康地可持續(xù)發(fā)展煙氣脫硫（FGD：FlueGasDesulphurization）是當今燃煤電廠控制二氧化硫排放的主要措施。第四頁，共91頁。有色行業(yè)煙氣脫硫工程鋼鐵行業(yè)煙氣脫硫工程煤化工行業(yè)煙氣脫硫工程磷化工行業(yè)（硫酸尾氣）脫硫工程第五頁，共91頁。國內(nèi)首套石油焦煅燒生產(chǎn)炭素回轉(zhuǎn)窯煙氣脫硫工程。脫硫系統(tǒng)脫硫效率≥98%，年產(chǎn)硫銨5609噸。云南鋁業(yè)股份有限公司回轉(zhuǎn)窯煙氣氨法脫硫工程第六頁，共91頁。項目所在地云南省文山州文山縣馬塘鎮(zhèn)，采用氨肥法脫硫技術(shù)，處理3臺鍋爐和18臺熔鹽爐共同產(chǎn)生的氣量。設(shè)計處理煙氣量122萬Nm3/h，硫酸銨生產(chǎn)能力：81.1kt/a。第七頁，共91頁。項目成功解決了氨法脫硫工藝中重金屬對脫硫副產(chǎn)品的影響，脫硫副產(chǎn)品各項指標均達到國標.第八頁，共91頁。武鋼集團昆鋼300㎡燒結(jié)機煙氣氨法脫硫工程該項目為目前云南省內(nèi)最大的鋼鐵燒結(jié)機煙氣脫硫項目，該脫硫塔直徑15.8m，是目前全國最大的玻璃鋼脫硫塔。經(jīng)脫硫系統(tǒng)，。處理煙氣量為2x60萬Nm3/h，煙氣中二氧化硫含量正常值2300mg/Nm3，最大值4000mg/Nm3。SO2排放速率131kg/h，SO2回收率≥95%，第九頁，共91頁。昆鋼三燒2#燒結(jié)機煙氣脫硫工程采用“氨肥法脫硫技術(shù)”，處理煙氣：40萬Nm3/h，脫硫效率＞90%，氧化率＞98%，SO2減排放量8807.04t/a，生產(chǎn)農(nóng)用化肥硫酸銨5645t/a。第十頁，共91頁。云南瀘西大為焦化有限公司“2×90t/h鍋爐裝置”煙氣脫硫脫硝項目第十一頁，共91頁。云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司煙氣脫硫減排綜合利用項目3×130t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硫工程第十二頁，共91頁。云南先鋒褐煤潔凈化利用試驗示范工程配套3×260t/h鍋爐煙氣脫硫工程。第十三頁，共91頁。云天化國際三環(huán)硫酸尾氣脫硫工程采用高效吸收塔技術(shù)，處理煙氣量2×18萬Nm3/h，SO2濃度：960mg/Nm3、要求出口濃度≤100mg/Nm3。實際運行后排放濃度≤50mg/Nm3。第十四頁，共91頁。云天化富瑞160萬噸硫酸脫硫工程采用高效吸收塔技術(shù)，處理煙氣量36萬Nm3/h，SO2濃度：960mg/Nm3、要求出口濃度≤100mg/Nm3。實際運行后排放濃度≤50mg/Nm3。云天化國際富瑞硫酸尾氣脫硫工程第十五頁，共91頁。采用新型氨法脫硫技術(shù)，系統(tǒng)處理煙氣量180000Nm3/h，脫硫效率≧95%，每年消減SO21060噸,年產(chǎn)硫銨2400t。第十六頁，共91頁。祥豐金麥化工有限公司硫酸尾氣脫硫工程，是目前國內(nèi)最大的單臺硫酸尾氣脫硫工程，采用“湍流逆噴旋液塔”。處理氣量為23萬Nm3/h，脫硫效率≥90%，氧化率≥98%，尾氣SO2平均排放濃度≤72mg/Nm3。第十七頁，共91頁。隨著國家對脫硫的要求越來越嚴格，火電廠大都采用了濕法脫硫，濕法脫硫?qū)е聼煔夂瘦^高，使得煙囪內(nèi)壁腐蝕速率也隨之增大?；鹆Πl(fā)電廠脫硫濕煙囪防腐和改造成為熱點課題之一。第十八頁，共91頁。脫硫煙囪FRP內(nèi)筒維也納（奧地利）2000年第十九頁，共91頁。北京三河電廠煙囪2006年第二十頁，共91頁。錦州電廠煙囪2008年第二十一頁，共91頁。第二十二頁，共91頁。作為治理污染的復(fù)合材料環(huán)保設(shè)備，它的最典型特征就是耐腐蝕。第二十三頁，共91頁。氨水貯槽：~15%氨水冷凝液槽：含少量硫銨的液體硫銨液槽：硫銨液硫銨濃縮液槽：硫銨液工藝水槽罐：含氨工藝水氧化塔：氧化液、脫硫吸收液洗滌吸收塔：脫硫吸收液、煙氣第二十四頁，共91頁。云天化國際紅磷分公司270kt/a硫酸尾氣脫硫工程的尾氣脫硫塔：酸尾氣、硫銨、亞硫酸銨、亞硫酸氫銨.第二十五頁，共91頁。云鋁涌鑫電解鋁煙氣脫硫脫氟除塵一體化工業(yè)示范裝置的介質(zhì)：電解鋁煙氣(液態(tài))、硫酸溶液420g/L、氟~5g/L云南鋁業(yè)回轉(zhuǎn)窯煙氣氨法脫硫工程第二十六頁，共91頁。某脫硫工程檢修時發(fā)現(xiàn)支撐梁結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況第二十七頁，共91頁。第二十八頁，共91頁。玻璃鋼蒸發(fā)結(jié)晶器研制腐蝕介質(zhì)：硫酸銨溶液:濃度約50%(550～600g/L（溶液）F-濃度：約1%～1.5%。Cl-（濃度：約1%～1.5%。該溶液密度約1270g/L。溫度：104°～106°。昆鋼草鋪蒸發(fā)結(jié)晶器第二十九頁，共91頁。此外設(shè)備的關(guān)鍵在于：介質(zhì)是含氟氯的飽和硫酸銨溶液。硫酸銨溶液蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)需在110℃極端溫度下耐受硫酸銨溶液浸蝕，其中該溶液含1%-1.5%氟。2011年6月份華昌開展為期2周的實驗。實驗條件：1）實驗腐蝕介質(zhì)：(NH4)2SO4濃度50%(550-600g/L)溶液,(NH4)2F濃度1.1%,NH4Cl濃度1.5%。2）浸泡溫度：95℃；3）浸泡樹脂：MFE-2雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆鑄體、MERICAN36雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆鑄體、MFE-W3酚醛型環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆鑄體；第三十頁，共91頁。第三十一頁，共91頁。經(jīng)過對比，最終選用上海華昌MERICAN36雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂作為防腐蝕層，選用MFE-W3酚醛環(huán)氧乙烯基酯樹脂作為結(jié)構(gòu)層，于2012年5月投產(chǎn)使用。第三十二頁，共91頁。2013年4月對該設(shè)備進行檢查維護時，召開了專家論證會，認為設(shè)備運行正常。設(shè)備現(xiàn)已使用2年多，整體狀態(tài)較好，仍在使用。第三十三頁，共91頁。

浸泡9周（腐蝕溶液），182℃下1h。浸泡9周（腐蝕溶液），204℃下1h。腐蝕溶液浸泡9周后

不同溫度下腐蝕狀況第三十四頁，共91頁。

浸泡24周（腐蝕溶液），182℃下1h。浸泡24周（腐蝕溶液），204℃下1h。實驗表明：這類樹脂具有良好的高溫耐腐蝕性第三十五頁，共91頁。不同脫硫工程具有不同的技術(shù)條件，其環(huán)保設(shè)備對樹脂的要求也不盡相同。如昆鋼三燒2#燒結(jié)機煙氣脫硫工程，該工程的玻璃鋼脫硫設(shè)備包括：氨水貯罐、冷凝液槽、硫銨液槽、硫銨濃縮液槽、工藝水槽、氧化塔、洗滌吸收塔、煙囪等裝置。其中洗滌吸收塔是其中最關(guān)鍵的設(shè)備。在正常工作條件下進氣口溫度：110~200℃；塔內(nèi)溫度：60~100℃；介質(zhì)為：含硫煙氣、脫硫液。3.1熱變形溫度選擇第三十六頁，共91頁。當塔內(nèi)煙氣溫度為140℃，外界環(huán)境溫度為60℃時，計算不同壁厚（4+20（mm）,4+33（mm）,

）的塔壁溫度分布。塔壁溫度分布曲線如圖所示。計算結(jié)果表明：內(nèi)襯樹脂最高溫度132℃；結(jié)構(gòu)層最高溫度122℃，最低位68℃。有限元計算塔壁沿厚度的溫度分布玻璃鋼設(shè)備的溫度會隨著厚度而下降，這為玻璃鋼在高溫脫硫應(yīng)用創(chuàng)造了條件。第三十七頁，共91頁。確定塔內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的最高工作溫度條件；經(jīng)過有限元計算，獲得塔內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)沿壁厚的溫度分布；確定塔內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)內(nèi)襯層與結(jié)構(gòu)層樹脂的最高熱變形溫度。第三十八頁，共91頁。由于玻璃鋼環(huán)保設(shè)備處在室外，將受到風(fēng)載、地震、動力設(shè)備、液壓、氣壓等荷載的作用，加之玻璃鋼環(huán)保設(shè)備一般直徑大，高度往往高達幾十米，因此玻璃鋼設(shè)備的力學(xué)性能至關(guān)重要。玻璃鋼力學(xué)性能將受到使用條件的影響，如溫度、介質(zhì)腐蝕、增強材料鋪層等因素的影響。第三十九頁，共91頁。根據(jù)GB/T1634-2004標準，采用維卡軟化點測定儀測定樹脂澆注體與玻璃鋼試樣的熱變形溫度；按照相同的樹脂含量、增強材料與鋪層制成玻璃鋼試樣進行力學(xué)性能測試。根據(jù)GB/T1449-2005標準，進行彎曲強度與彎曲彈性模量的測試：1）在常溫（28℃）下進行彎曲強度與彎曲彈性模量的測試；2）在不同環(huán)境溫度下進行彎曲強度與彎曲彈性模量的測試；3）計算力學(xué)性能保留率：不同環(huán)境溫度測量值與常溫下測量值的比值（%）第四十頁，共91頁。美國Instron5848電子萬能材料試驗機主要技術(shù)指標：載荷精度：0.05μN位移精度：1nm應(yīng)變精度：0.1με

溫度范圍：

-70℃~250℃第四十一頁，共91頁。第四十二頁，共91頁。140℃環(huán)境溫度下，三種樹脂復(fù)合材料的強度、模量保留率第四十三頁，共91頁。180℃環(huán)境溫度下，三種樹脂復(fù)合材料的強度、模量保留率第四十四頁，共91頁。當材料所處的溫度環(huán)境發(fā)生改變時，其力學(xué)性能也發(fā)生改變。隨著溫度的升高，材料彎曲強度與模量出現(xiàn)明顯降低。樹脂的熱變形溫度高，其玻璃鋼力學(xué)性能保留率不一定高；不同的樹脂品牌，在不同溫度下的保留率不盡相同。如甲企業(yè)的樹脂在140℃環(huán)境溫度下的玻璃鋼力學(xué)性能比乙企業(yè)的要高；但在180℃環(huán)境溫度下，乙企業(yè)的比甲企業(yè)的反而要高。第四十五頁，共91頁?？紤]到經(jīng)濟成本，通常耐高溫結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的樹脂采用酚醛類乙烯基樹脂；而中常溫采用的是改性不飽和聚酯樹脂。不同型號樹脂制作的試樣保留率盡管有明顯差別，但總體來看，酚醛類乙烯基樹脂制作試樣無論是強度還是模量，其保留率均高于我們所做過試驗的其它樹脂試樣。第四十六頁，共91頁。因此，選擇樹脂材料時，通常必須進行：1）樹脂與玻璃鋼的熱變形溫度測試；2）玻璃鋼試樣在不同環(huán)境溫度下的力學(xué)性能測試。第四十七頁，共91頁。2012年4月21日上午11點30分左右，華云天朗環(huán)保公司三燒二號機煙氣脫硫工程洗滌吸收塔發(fā)生支撐梁坍塌事故。第四十八頁，共91頁。第四十九頁，共91頁。事后組織各方專家與技術(shù)人員進行分析，最后結(jié)論是：該工程自2010年9月起投入運行，至2012年4月已近20個月（一年半多），在此期間運行正常?！?而塔坍塌時是在裝置斷電停運時，脫硫系統(tǒng)斷電后，即無洗滌液噴淋情況下，燒結(jié)145℃的高溫煙氣通過洗滌吸收塔長達15分鐘。遠遠高于支撐梁80℃的給定設(shè)計溫度，造成支撐梁嚴重變形。因此高溫是梁變形失效唯一原因。第五十頁，共91頁。事故盡管已過去2年多了，但這次事故仍給我們許多啟示：對于業(yè)主，采取雙保險，進一步加強了電力管理與保障。對于設(shè)計方，需考慮極端情況下的設(shè)計條件；對于原材料方，如何提高樹脂的耐溫性且相對經(jīng)濟的樹脂。第五十一頁，共91頁。一般玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備的計算所依據(jù)的標準是：《ASMERTP-ANSI/ASMERTP-ReinforcedThermosetPlasticCorrosionResistantEquipment》《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011》國內(nèi)其它相關(guān)標準由于玻璃鋼環(huán)保設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用有限元方法進行結(jié)構(gòu)分析。第五十二頁，共91頁。計算主要內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)恒載(自重與固定設(shè)備重量)、設(shè)計壓力等運行荷載作用下結(jié)構(gòu)的強度計算（簡稱工況1）；在運行荷載基礎(chǔ)上附加風(fēng)荷載與雪載荷作用下結(jié)構(gòu)的強度計算（簡稱工況2）；在運行荷載基礎(chǔ)上附加地震作用下結(jié)構(gòu)的強度計算（簡稱工況3）；結(jié)構(gòu)恒載、風(fēng)荷載、雪載荷作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算（簡稱工況4）。第五十三頁，共91頁。洗滌塔整體有限元模型

封頭有限元模型方管處有限元模型

第五十四頁，共91頁。常溫下結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見表2.1，高溫下，材料彈性模量保留率為0.8，強度保留率為0.7。

第五十五頁，共91頁。依據(jù)《ASMERTP-1d-2005ANSI/ASMERTP-1-2000ReinforcedThermosetPlasticCorrosionResistantEquipment》標準，玻璃鋼材料的強度采用許用應(yīng)變準則，在正常工況下：在極端偶然工況下（如組合地震荷載）：應(yīng)力安全系數(shù)以不低于10為基本要求。在極端偶然工況下（如地震荷載），應(yīng)力安全系數(shù)以不低于5為基本要求。第五十六頁，共91頁。玻璃鋼結(jié)構(gòu)的剛度采用位移與直徑之比：或位移與塔高之比：。第五十七頁，共91頁。根據(jù)《ANSI/ASMERTP-1-2000ReinforcedThermosetPlasticCorrosionResistantEquipment》標準，封頭的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于10，塔體的穩(wěn)定安全系數(shù)不小于5。第五十八頁，共91頁。最大應(yīng)變?yōu)檩S向954με，小于標準規(guī)定的1000με。第五十九頁，共91頁。最大（壓）應(yīng)力為-7.1MPa，位于進氣口與塔體連接處的補強層上，其最小安全系數(shù)：。

第六十頁，共91頁。最大應(yīng)變?yōu)?69με，小于1000με。第六十一頁，共91頁。最大位移為39.35mm，為整體位移，其最大位移與塔體高度之比為：第六十二頁，共91頁。最大應(yīng)變?yōu)?585με，小于2000με。第六十三頁，共91頁。最大（壓）應(yīng)力為-13MPa，位于塔體底部結(jié)構(gòu)層塔壁上，其最小安全系數(shù)：洗滌塔的軸向應(yīng)力云圖

第六十四頁，共91頁。洗滌塔塔體屈曲模態(tài)

通過穩(wěn)定性分析，洗滌塔第1階屈曲模態(tài)發(fā)生在塔體上，塔體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為6.32，大于規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)5。第六十五頁，共91頁。計算了前150階屈曲模態(tài)，都為塔體失穩(wěn)，未出現(xiàn)封頭失穩(wěn)。直至第150階屈曲模態(tài)如圖所示，其穩(wěn)定安全系數(shù)為10.73，這也是封頭的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，大于規(guī)范規(guī)定的封頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)10。第150階屈曲模態(tài)圖第六十六頁，共91頁。第六十七頁，共91頁。第六十八頁，共91頁。結(jié)構(gòu)模型第六十九頁，共91頁。拉桿連接支撐架支撐架與煙囪連接管道間的軟管連接煙囪的不同截面（鋪層、材料、壁厚等參數(shù)）第七十頁，共91頁。軟接頭的處理：彈簧單元第七十一頁，共91頁。第七十二頁，共91頁。北京核二院設(shè)計要求：對玻璃鋼煙囪在受到龍卷風(fēng)的襲擊時進行結(jié)構(gòu)分析。龍卷風(fēng)的最大風(fēng)速；80米/秒；最大旋轉(zhuǎn)半徑：98米。當龍卷風(fēng)的攻角吹向煙囪與核電站之間時，由于受到核電站外壁與煙囪所形成的巷道效應(yīng)影響，風(fēng)速由入口處的80米/秒，最大可達多少呢？第七十三頁，共91頁。0度45度90度安全殼豎直煙囪第七十四頁，共91頁。45度攻角中部煙囪處速度分布圖速度最大可達到250m/s！第七十五頁，共91頁。在45度攻角下，在中部，煙囪表面的壓強有正有負，范圍在-30kpa至4.7kpa。第七十六頁，共91頁。有限元方法的分析有不同的判據(jù)準則。例如，可以如前面15m直徑的洗滌塔的分析方法，按照其強度、剛度（變形）、穩(wěn)定等問題選擇不同的安全系數(shù)；強度分析除選擇安全系數(shù)外，可按照強度比的方法來判斷有限元分析計算的結(jié)果。第七十七頁，共91頁。第七十八頁，共91頁。強度比的方法是由Tsai-Wu應(yīng)力準則演化而來的。該準則兩個重要的特征是：1）考慮了結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)；2）全面真實地考慮復(fù)合材料力學(xué)性能，例如考慮了拉伸強度與壓縮強度的區(qū)別。第七十九頁，共91頁。第八十頁，共91頁。第1階模態(tài)第107階模態(tài)第108階模態(tài)第八十一頁，共91頁。1）