WESP用導(dǎo)電玻璃鋼管的成型工藝應(yīng)用

文 _ 陳奎續(xù) 鄭曉盼 朱召平 信明勛 鐘永生 尤燕青福

建龍凈環(huán)保股份有限公司 國家環(huán)境保護(hù)電力工業(yè)煙塵治理工程技術(shù)中心

2013年以來，國家出臺了包括《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等一系列嚴(yán)控煤電發(fā)展與限煤、控煤政策，優(yōu)化能源轉(zhuǎn)型升級。火電行業(yè)在環(huán)境保護(hù)、減排目標(biāo)與發(fā)展需求的三重壓力下，面臨著空前嚴(yán)峻的生存危機(jī)。因此，環(huán)保企業(yè)積極開展燃煤電廠煙氣污染物排放達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)的科研攻關(guān)，力求通過超低排放技術(shù)升級改造，實(shí)現(xiàn)“燒煤也可以像燒天然氣一樣清潔”的愿景。

濕式電除塵器作為燃煤電廠污染物治理的終端設(shè)備，能夠有效地控制顆粒物、三氧化硫、重金屬等污染物。因此，環(huán)保企業(yè)開始開發(fā)或引進(jìn)應(yīng)用于燃煤電廠的濕式電除塵技術(shù)。隨著《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》、《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》等超低排放政策的頒布和實(shí)施，濕式電除塵器得到更加廣泛的應(yīng)用。

國外燃煤電廠應(yīng)用濕式電除塵技術(shù)有近30年歷史，其主要用于捕集硫酸酸霧和細(xì)顆粒物。目前濕式電除塵器（以下簡稱濕電）根據(jù)其陽極板結(jié)構(gòu)形式可分為兩大類：一種為板式濕電；另一種為管式濕電。其中，導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電在化工及冶煉行業(yè)也稱為電除霧器。我國從20世紀(jì)80年代通過引進(jìn)消化吸收國外技術(shù)后取得迅猛發(fā)展，電除霧器的陽極材料經(jīng)歷了從鉛、PVC到導(dǎo)電玻璃鋼三個(gè)階段，目前導(dǎo)電玻璃鋼已成為主流。導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電在國內(nèi)燃煤電廠的應(yīng)用是伴隨著超低排放的實(shí)施而得到研究和推廣。

1 導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電的技術(shù)原理及特點(diǎn)

導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電由高壓靜電裝置和除塵器本體組成。其工作原理分為4個(gè)階段：電暈放電、顆粒物荷電、顆粒物被陽極管捕集、清灰。具體工作過程為：高壓直流靜電裝置對濕式電除塵內(nèi)的陰極線施加負(fù)高壓，從而形成陰極線和陽極管壁之間不均勻的高壓靜電場。高濃度的負(fù)離子（電子）在電場力的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成捕集顆粒物的媒介。進(jìn)入陽極管的霧滴及粉塵等顆粒物由于離子的碰撞和擴(kuò)散而被荷電，在電場力的作用下向陽極管壁快速運(yùn)動(dòng)而被捕集并形成液膜，液膜在重力作用下流到集液槽中，通過排水系統(tǒng)進(jìn)行集中處理，從而達(dá)到脫除煙氣中霧滴和粉塵等顆粒物的目的。

導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電具有除塵、除霧效率高；系統(tǒng)簡單，無二次污染，無水循環(huán)系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)，投資和運(yùn)行費(fèi)用低；耐腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長；體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

2 導(dǎo)電玻璃鋼陽極管的成型工藝

2.1 導(dǎo)電玻璃鋼陽極管的性能要求

導(dǎo)電玻璃鋼陽極管是濕電的核心部件，通常為內(nèi)切圓直徑為360mm的蜂窩形，由基體材料樹脂、增強(qiáng)材料和導(dǎo)電材料組成。

導(dǎo)電玻璃鋼管制作好后在工裝上通過粘接的方式將陽極管組裝成模塊。冶金、化工行業(yè)由于煙氣量小，陽極管數(shù)量少，單個(gè)模塊的陽極管數(shù)通常為40～80個(gè)，模塊強(qiáng)度和剛度好，結(jié)構(gòu)可靠。

隨著濕電在燃煤大型機(jī)組上的應(yīng)用，陽極管數(shù)量龐大，1臺300MW機(jī)組陽極管數(shù)量在1500根左右。若仍采用小模塊型式，模塊數(shù)量需要20個(gè)以上。陽極模塊的承重梁數(shù)量多，濕電外形尺寸大，往往布置困難，因此需要采用大模塊設(shè)計(jì)。大模塊對導(dǎo)電玻璃鋼管的力學(xué)性能提出了更高的要求。另外，通過濕電的煙氣冷凝物中包括硫酸、亞硫酸、鹽酸、氮氧化物的水合物、氟化物、氯化物等腐蝕介質(zhì)，因此要求導(dǎo)電玻璃鋼陽極管具有一定的耐腐蝕性能。導(dǎo)電玻璃鋼陽極管性能數(shù)據(jù)要求如表1所示。

表1 導(dǎo)電玻璃鋼陽極管性能數(shù)據(jù)

2.2 導(dǎo)電玻璃鋼的原材料選型

2.2.1 基體材料的選用

樹脂常用的有不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂等。不飽和樹脂成型工藝簡單、價(jià)格便宜，但耐溫低、耐腐蝕性能差，不適用煙氣工況。環(huán)氧樹脂耐溫高，耐腐蝕性能好，但是常溫加工性能差，難以大規(guī)模批量生產(chǎn)，而且價(jià)格高。乙烯基酯樹脂是由環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸通過開環(huán)加成化學(xué)反應(yīng)而制得，具有良好的耐腐蝕性能和常溫加工性能，因此廣泛應(yīng)用于燃煤電站濕法脫硫防腐和煙囪防腐領(lǐng)域。

乙烯基酯樹脂主要分為3種類型：標(biāo)準(zhǔn)型雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂、阻燃環(huán)氧乙烯基酯樹脂和酚醛環(huán)氧乙烯基酯樹脂。標(biāo)準(zhǔn)型具有高度耐腐蝕性能，且價(jià)格較低，因此應(yīng)用也最多。但通常極限氧指數(shù)在20以下，不具有空氣中阻燃性能，需要額外添加阻燃劑來提高阻燃性能，會(huì)犧牲部分材料性能。阻燃型采用溴化環(huán)氧樹脂合成，除了具有耐化學(xué)性能外，具有良好的阻燃性能，極限氧指數(shù)在28以上，無需添加阻燃劑，價(jià)格也稍高于標(biāo)準(zhǔn)型。前兩種樹脂的熱變形溫度均在105℃左右，不同廠家的樹脂性能略有差別，在煙氣工況下推薦的使用溫度在80℃以下。酚醛型具有較高的熱穩(wěn)定性，其熱變形溫度可以達(dá)到120～135℃，適用于高溫環(huán)境，價(jià)格也更高。根據(jù)濕電的運(yùn)行環(huán)境及電場放電特點(diǎn)，通常選用阻燃型環(huán)氧乙烯基酯樹脂作為導(dǎo)電玻璃鋼的基體材料。

2.2.2 增強(qiáng)材料選型

玻璃鋼的增強(qiáng)材料通常有玻璃纖維（氈或布）、碳纖維、硼纖維等。玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，它是以天然礦石為原料，按設(shè)計(jì)的配方進(jìn)行配比后，進(jìn)行高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工序最后形成各類產(chǎn)品。它具有強(qiáng)度大，彈性模量高，伸長率低，電絕緣性好、耐腐蝕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用作復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料。玻璃纖維按堿金屬氧化物含量來分，可分為無堿玻纖、中堿玻纖和高堿玻纖。其中無堿和中堿玻璃纖兩類產(chǎn)品的產(chǎn)量占目前玻纖總產(chǎn)量的98%以上，是用途最廣泛的兩類產(chǎn)品。

玻璃纖維方格布在經(jīng)緯方向均有良好的強(qiáng)度，是玻璃鋼機(jī)械強(qiáng)度的主要來源。玻纖短切氈樹脂浸潤和浸透性好，氣泡容易排除、層間剪切強(qiáng)度好，同時(shí)彌補(bǔ)方格布只有經(jīng)緯向強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度弱的缺點(diǎn)。兩者均采用無堿玻纖（E玻璃）制造。

導(dǎo)電玻璃鋼陽極管需要有良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，因此選用玻纖方格布(EWR)和玻纖短切氈（EMC）組合來鋪層，具體鋪層由玻璃鋼計(jì)算軟件根據(jù)強(qiáng)度要求來設(shè)計(jì)。

2.2.3 導(dǎo)電材料選型

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，導(dǎo)電性好。碳纖維按來源分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，其中PAN基占世界碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。對選用不同質(zhì)量的碳纖維表面氈的導(dǎo)電玻璃鋼陽極管表面電阻進(jìn)行測定，采用克重30g/m2的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維（T700）制成的碳纖維表面氈符合性能要求。

2.2.4 導(dǎo)電玻璃鋼管生產(chǎn)工藝

目前，玻璃鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝主要有手糊、纏繞、拉擠、模壓等。手糊成型是以木材、石膏、混凝土、金屬或玻璃鋼材料制成的陰模或陽模，在模具上用纖維增強(qiáng)材料和樹脂膠液按照工藝要求鋪敷成型，室溫（或加熱）、無壓（或低壓）的條件下固化、脫模。手糊成型是玻璃鋼工業(yè)生產(chǎn)中最早使用也是我國目前使用最廣泛的成型方法，產(chǎn)品質(zhì)量受人工因素影響大，性能不穩(wěn)定。纏繞成型是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化、脫模。纏繞工藝技術(shù)成熟，自動(dòng)化程度較好，產(chǎn)品質(zhì)量好，性能穩(wěn)定，主要用在大口徑圓形管道及儲罐的制作。拉擠成型是將連續(xù)玻璃纖維粗紗或織物浸漬樹脂膠液后，在牽引力的作用下，通過擠壓成型、加熱固化、定長切割，連續(xù)地生產(chǎn)出玻璃鋼產(chǎn)品的一種成型方法，其自動(dòng)化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，長度尺寸不受限制。拉擠工藝適合規(guī)則形狀、薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)制作。

其中，手糊工藝是導(dǎo)電玻璃鋼管生產(chǎn)中最廣泛使用的成型方法。然而，手工成型方法較難保證陽極管的尺寸精度及表面平整度，且拼裝后模塊同極距誤差大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差，自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率低。纏繞工藝適用于圓形截面，容易編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且產(chǎn)品力學(xué)性能好。而導(dǎo)電玻璃鋼管是正六邊形截面，編程難度大，纏繞紗在棱角位置受力不均，影響機(jī)械性能。而且最終要的是導(dǎo)電碳?xì)謱訜o法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪層仍需人工鋪設(shè)，大大降低的生產(chǎn)速度和自動(dòng)化水平，因此影響了這種工藝的推廣應(yīng)用。隨著濕電的大型化及大規(guī)模應(yīng)用，陽極管數(shù)量大、單個(gè)模塊的管數(shù)多，對其機(jī)械性能及質(zhì)量穩(wěn)定性提出更高的要求，使得手糊工藝的弊端越發(fā)顯現(xiàn)。為此，導(dǎo)電玻璃鋼生產(chǎn)廠家進(jìn)行了導(dǎo)電玻璃鋼陽極管拉擠生產(chǎn)工藝的研究和攻關(guān)。

由于將拉擠工藝應(yīng)用到導(dǎo)電玻璃鋼陽極管成型并將其應(yīng)用到在燃煤電廠，在國內(nèi)外并無實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；并且拉擠導(dǎo)電玻璃鋼管樹脂含量較手糊和纏繞工藝低，有可能造成其耐腐蝕性能降低。因此，通過對拉擠導(dǎo)電玻璃鋼陽極管的耐腐蝕性能進(jìn)行對比試驗(yàn)研究表明，拉擠、手糊、纏繞工藝生產(chǎn)的導(dǎo)電玻璃鋼陽極管樣塊，在試驗(yàn)條件下的化學(xué)強(qiáng)度保留率均滿足要求，具有相似的耐腐蝕性能。在絕對強(qiáng)度方面，拉擠陽極管的縱向彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手糊和纏繞陽極管，橫向彎曲強(qiáng)度略低于手糊和纏繞陽極管；拉擠陽極管的縱向、橫向彎曲模量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手糊和纏繞陽極管。

另外，拉擠導(dǎo)電玻璃鋼陽極管表面光滑、粘接性能差，因此需進(jìn)行手工打磨、人工噴砂或自動(dòng)噴砂等，以增強(qiáng)拉擠導(dǎo)電玻璃鋼陽極管組成模塊時(shí)的粘接強(qiáng)度。

通過不斷的試制和工藝改進(jìn)，在保證性能前提的前提下，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定拉擠成型。目前，拉擠導(dǎo)電玻璃鋼管由于其生產(chǎn)效率高，尺寸精度好，產(chǎn)品性能優(yōu)且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使得拉擠導(dǎo)電玻璃鋼管生產(chǎn)中迅速推廣，并得到大量應(yīng)用。陽極管拉擠工藝與手糊工藝的對比如表2所示。

表2 拉擠工藝與手糊工藝對比

3 結(jié)論

（1）濕電用導(dǎo)電玻璃鋼陽極管必須經(jīng)過包括基體材料、增強(qiáng)材料、導(dǎo)電材料等原材料的嚴(yán)格選擇，并選用合適的成型工藝方法，才能生產(chǎn)出滿足濕電使用要求的合格產(chǎn)品。

（2）拉擠導(dǎo)電玻璃鋼管由于其生產(chǎn)效率高，尺寸精度好，產(chǎn)品性能優(yōu)且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使得拉擠導(dǎo)電玻璃鋼管生產(chǎn)中迅速推廣，并得到大量應(yīng)用。

（3）導(dǎo)電玻璃鋼管式濕電主要作為燃煤機(jī)組大氣污染治理的終端控制設(shè)備，可將顆粒物的排放濃度控制在5mg/m3以下，因此，在我國燃煤電廠實(shí)現(xiàn)煙塵超低排放工程中得到廣泛應(yīng)用。截至2017年6月，配套總裝機(jī)容量超過1.1億kW，最大投運(yùn)機(jī)組為1000MW機(jī)組，已成為當(dāng)前燃煤電廠主流的濕式電除塵技術(shù)之一。

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