粉煤灰在火電廠防腐涂料填充劑的應(yīng)用

余子炎

（廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516623）

0 前言

我國是以煤炭為主要燃料的國家，電力工業(yè)更是以燃煤為主。至2018年我國火電裝機(jī)容量達(dá)114408萬千瓦，年產(chǎn)粉煤灰約3.47～6.93億噸，相當(dāng)于中國城市生活垃圾的兩倍。粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤粉鍋爐排出的一種工業(yè)廢渣，國外對粉煤灰的研究可追溯到1920年，從此開始也就有人研究粉煤灰的綜合利用。國內(nèi)粉煤灰的研究起步較晚，1989年國務(wù)院決定資源綜合利用由國家經(jīng)委歸口管理，并對資源綜合利用提出了一系列鼓勵措施和優(yōu)惠政策，使我國粉煤灰綜合利用進(jìn)入了一個新的階段。本文研究粉煤灰作為防腐涂料填充劑，主要是對粉煤灰做為防腐涂料填料的研究和開發(fā)，并對開發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行一系列性能測定，最終確定出一種粉煤灰綜合利用途徑。

1 原材料特性

本研究防腐涂料主要原材料組成為：環(huán)氧樹脂、粉煤灰、溶劑、固化劑，下面分別闡述各組分的有關(guān)特性。

1.1 環(huán)氧樹脂

因本產(chǎn)品主要用于防腐方面，因此基料選用防腐性能較突出的6101型環(huán)氧樹脂。6101型環(huán)氧樹脂軟化點(diǎn)為14～22℃，環(huán)氧值0.40～0.47，平均分子量為400～450，為低分子量環(huán)氧樹脂。特點(diǎn)為：具有優(yōu)良的抗化學(xué)品性能和耐堿性，漆膜粘結(jié)能力好，性質(zhì)穩(wěn)定，較好的熱穩(wěn)定性和電絕緣性。機(jī)械強(qiáng)度高，收縮性小。

1.2 粉煤灰

本項目試驗過程選用了J電廠超細(xì)分選灰作為填料，該灰有關(guān)特性如下。

1.2.1 各成份及含量（表1）

1.2.2 粒度分布（表2）

1.2.3 分析

從上述數(shù)據(jù)可知，該粉煤灰成分具有高SiO2和Al2O3含量，占82.6%，燒失量均小于5%，含CaO低，粒徑主要分布在＜38μm（400目），占92.29%。

1.3 稀釋劑

稀釋劑也叫溶劑，分活性和非活性兩種。本研究采用非活性稀釋劑丙酮。丙酮，英文名是acetone，分子式為C3H6O，又名二甲基酮，為最簡單的飽和酮。是一種無色透明液體，有特殊的辛辣氣味。易溶于水和甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、吡啶等有機(jī)溶劑。易燃、易揮發(fā)，化學(xué)性質(zhì)較活潑。

1.4 固化劑

本項目選用乙二胺作為固化劑。乙二胺，無色或微黃色易揮發(fā)粘稠液體，有類似胺的氣味，具有強(qiáng)堿性，溶于水和醇，微溶于乙醚。不溶于苯，能從空氣中吸收CO2，能與無機(jī)酸生成溶于水的鹽類，分子量116活潑氫原子數(shù)4，活氫當(dāng)量29，溶點(diǎn)8～10℃，易燃，低毒。

2 硬化機(jī)理

環(huán)氧樹脂固化劑與環(huán)氧樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀立體聚合物，其固化反應(yīng)機(jī)理如下：

最后生成巨大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子，由于分子結(jié)構(gòu)中含有極性羥基（-OH），醚基（-O-）及活潑的環(huán)氧基使樹脂分子和相鄰表面皮產(chǎn)生電磁吸力，環(huán)氧基與活潑氫金屬表面起反應(yīng)，生成化學(xué)鍵，固化而結(jié)合力特別強(qiáng)，耐磨性能好。

表1 J電廠粉煤灰化學(xué)成份

表2 J電廠粉煤灰粒度分布

3 防腐涂料配比確定

3.1 熱力設(shè)備防腐概況

在燃煤或燃油電廠中，鍋爐尾部設(shè)備經(jīng)常受到H2SO4的嚴(yán)重腐蝕，最嚴(yán)重的程度可以達(dá)到停止運(yùn)行而進(jìn)行修理的程度。這些設(shè)備在經(jīng)受腐蝕的同時也受粉煤灰微粒的磨損，如果沒有防護(hù)涂層，6～8mm的鋼制煙道在潮濕情況下2～3w就腐蝕損壞了。由于金屬腐蝕導(dǎo)致熱力設(shè)備的安全性降低，金屬的嚴(yán)重?fù)p耗，運(yùn)行維修費(fèi)用增加，甚至必須降低運(yùn)行負(fù)荷或停機(jī)，這對電廠是非常不經(jīng)濟(jì)的。

另外，電廠中裝有腐蝕性液體的混凝土或金屬容器，為了防止腐蝕，在它們表面必須進(jìn)行防腐。

目前普遍采用的防腐方式是玻璃鱗片或玻璃鋼防腐，其中玻璃鋼防腐填充劑主要有石英、鑄石、輝綠巖及碳化硅等細(xì)粉。本項目研究采用超細(xì)粉煤灰作為填充劑。

3.2 固化劑用量

固化劑是控制固化反應(yīng)的物質(zhì)。樹脂固化是經(jīng)過縮合、閉環(huán)、加成或催化等化學(xué)反應(yīng)，使熱固性樹脂發(fā)生不可逆的變化過程。固化劑用量過多會造成成品變脆、反應(yīng)速度過快，反之固化劑用量過少，樹脂反應(yīng)速度可能滿足不了要求。

6101環(huán)氧樹脂固化劑用量計算如下：

式中：G為100克環(huán)氧樹脂所需胺的克數(shù)；

M為胺的克分子量；

N為胺基上活潑氫原子數(shù)；

E為環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值。

其中：M=60 N=4 E=0.40～0.47；

計算： G=60/4×0.40～0.47=6.0～7.5（g）；

本次試驗采用的配比如表3所示。

4 涂料的制備、施工

4.1 涂料的調(diào)制

先將粉煤灰烘干至含水量＜0.5%，為使所制備涂料易于攪拌均勻，將粉煤灰過40目篩，按表3配比，準(zhǔn)確稱取（精確量0.5g）100g環(huán)氧樹脂置于容器中，加上適量的溶劑，攪拌10～15min，至環(huán)氧樹脂全部溶解于溶劑中，漆加一定量粉煤灰，繼續(xù)攪拌20～30min到混合物為均勻物質(zhì)，制成涂料沒馬上用應(yīng)密封保存。

在施工前根據(jù)用量多少、取上述涂料加入一定量固化劑（乙二胺）攪拌5～10min，即可進(jìn)行施工。配料時多少主要依施工用量及涂料在固化前能用完為宜。

4.2 涂料的施工

金屬試塊鐵銹、除油污，表面打磨至St2.5，先涂刷專用底涂，約2h后（一般不超過5h）將涂料涂上，在涂覆過程應(yīng)注意下列問題：

（1）施工環(huán)境通風(fēng)，對不具備該條件應(yīng)裝有通風(fēng)設(shè)備；

（2）施工環(huán)境濕度＞83%；

（3）每層涂料厚度約1mm，在第一層面干后方可進(jìn)行第二層涂刷；

（4）涂層外觀要求平整、均勻、光滑，無麻坑、氣泡、針孔、流掛、流淌、波紋、灰塵等；

（5）在制備用于性能檢測漆膜時，具體材料方法及步驟參考漆膜一般制備法（GB 1727）；

表3 試驗涂料配方

（6）施工工藝可根據(jù)施工環(huán)境及要求分別選用刷涂、噴涂、漆涂、刮涂、澆注等方法。

5 防腐試性能檢測

5.1 涂料表面干燥時間的測定

測定參考方法：涂料表面干燥試驗小玻璃球法（GB6753.2）。依照本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料和儀器及測定步驟進(jìn)行操作。在規(guī)定的干燥條件下，測得樣品表干時間為2h5min。

5.2 耐高溫測定

將制得二個涂片樣品自干后10d后，置于烘箱中加熱觀察，從29℃開始（當(dāng)時室溫），每升高5℃恒溫2h，觀察試片變化。

當(dāng)溫度升至179℃時，試片仍無變化；溫度升至204℃時其中一試片表面開始發(fā)暗，但表面不起泡，不裂口等現(xiàn)象；當(dāng)溫度升至214℃時，兩涂片在較薄涂層出現(xiàn)裂口，其它沒有明顯變化。

應(yīng)電廠脫硫尾部煙道煙溫最大一般不大于120℃，故初步判斷該涂片防腐層滿足該溫度工況要求，且最高可耐熱約200℃。

5.3 耐化學(xué)品腐蝕測定

本試驗選定的化學(xué)品有H2SO4溶液、NaOH溶液、NaCl溶液、H2O腐蝕測定，試驗方法按漆膜耐化學(xué)試劑性測定（GB 1763）進(jìn)行。

分別配制出濃度為10%H2SO4，10%NaOH，10%NaCl溶液150mL，置于三燒杯中，另取一燒杯倒進(jìn)150mL自來水，把制得涂片分別沒入液體中，室溫靜置，定期觀察涂片表面變化情況，共試驗30d，取出后自然風(fēng)干，觀察涂層表面光滑、不變色、不起泡、不腐蝕、不脫落。

5.4 附著力測定－拉開法

試驗按涂層附著力的測定法拉開法（GB 5210）進(jìn)行，選用φ38的鋼柱，將鋼柱兩端面加工至表面St2.5，按涂層施工方法涂上涂層，總厚度3mm，鋼柱防腐面通過涂層連接在一起，室溫自干并放置10d。

將制得試樣置于WE-30型液壓式萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行外拉測試，當(dāng)拉力至867kg時，鋼柱間涂層不規(guī)則脫開，附著力計算如下：

F＝G/S=867kg/（3.14×1.92cm2）=77.0kg/cm2

式中：F為涂層的附著力kg/cm2；

G為試樣被拉開時的負(fù)荷值kg；

S為涂覆被測涂層試柱的橫載面積cm2。

5.5 耐壓性能測定

制得φ58mm，高8mm涂料試塊，常溫自干放置10d后進(jìn)行耐壓強(qiáng)度測定。將試塊用WE-30型液壓式萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行耐壓測定。當(dāng)試塊加壓力至12755kg時，試塊出現(xiàn)變形但未出現(xiàn)裂紋。

計算試塊耐壓：

試塊加壓力：G=12755kg；

試塊面積：S＝πR2＝3.14×2.92＝26.4cm2；

施加壓力：F＝G/S＝12755/26.4=483kg/cm2。

6 粉煤灰用于防腐涂料填充劑可行性

6.1 理論上可行

粉煤灰與傳統(tǒng)防腐材料填充劑輝綠巖粉主要化學(xué)成份對比如表4所示。

表4 兩種填充劑成份對比表

據(jù)表4可知，粉煤灰和輝發(fā)綠巖共同含有高SiO2和Al2O3含量。粉煤灰中SiO2和Al2O3是以硅鋁酸鹽形式存在的，該物質(zhì)結(jié)構(gòu)在物理和化學(xué)上均具有很高的穩(wěn)定性，使得以粉煤灰為填料的產(chǎn)品具有較高的穩(wěn)定性。

6.2 經(jīng)濟(jì)上的可行性

輝綠巖為原生噴出巖，為巖漿噴出地表時，壓力急劇降低和迅速冷卻的條件下形成的，這些材料要用于填料時需經(jīng)過開采、運(yùn)輸和加工而得，工藝過程復(fù)雜，運(yùn)輸及加工費(fèi)用較高；而作為填料的粉煤灰，是發(fā)電廠的副產(chǎn)品，具有較低的成本。

6.3 產(chǎn)品性能方面

在本次研究試驗中，通過了對粉煤灰為填料的防腐涂料的一系統(tǒng)性能的測試可知，采用粉煤灰做為環(huán)氧樹脂防腐涂料填充劑，其產(chǎn)品的耐高溫、耐壓強(qiáng)度、附著力、干燥固化時間及耐化學(xué)品腐蝕均能滿足要求。

7 結(jié)語

粉煤灰是火力發(fā)電廠副產(chǎn)品，產(chǎn)量大、價格低廉，電廠鍋爐尾部煙道、吸收塔及煙道、廢水池等易腐蝕部位均需要進(jìn)行有效的防腐，本研究為粉煤灰綜合利用開辟出一個新的的途徑。通過本研究證明粉煤灰為填料的環(huán)氧樹脂防腐涂料的應(yīng)用是可行的，其產(chǎn)品質(zhì)量也是可靠的，該產(chǎn)品的應(yīng)用及開發(fā)對拓寬粉煤灰等廢棄物的綜合利用提供一個有效的探索范例，為保護(hù)環(huán)境也做出實際的貢獻(xiàn)。