電廠FGD脫硫系統(tǒng)中高耐磨防腐材RCC

樹脂陶瓷聚合體的研究與應(yīng)用

（上海富晨化工有限公司 技術(shù)研究中心，上海200235）

摘  要：本文針對(duì)現(xiàn)有電廠FGD脫硫系統(tǒng)的耐磨防腐蝕要求和可用陶瓷基先進(jìn)復(fù)合材料的現(xiàn)狀，研發(fā)出了一種新型的高耐磨防腐RCC樹脂陶瓷聚合體復(fù)合材料,該材料以高性能樹脂為基體，球形多孔碳化硅陶瓷、納米氧化鋯為骨架材料，同時(shí)填充碳化硅晶須為補(bǔ)強(qiáng)增韌材料，是一種新型樹脂/陶瓷復(fù)合材料。本文對(duì)該復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性能及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用性能等進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示該材料具有優(yōu)良的耐磨性能和施工粘附性，這為電廠防磨領(lǐng)域提供了良好的材料選擇。

關(guān)鍵詞：電廠脫硫；耐磨防腐；陶瓷樹脂復(fù)合材料

1     引言

我國(guó)90%以上燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)^[1]。由于FGD系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)運(yùn)行的主要是石灰石-石膏漿液及其他部分雜質(zhì)，這些流體不但具有一定的腐蝕性，更具有較強(qiáng)的磨損性，對(duì)漿液循環(huán)泵、葉片及管道等脫硫裝置產(chǎn)生嚴(yán)重磨損^[2]。

現(xiàn)有的FGD系統(tǒng)脫硫系統(tǒng)的耐磨和防腐蝕材料主要有鎳基耐蝕合金、橡膠襯里、鱗片膠泥、耐磨鱗片膠泥、玻璃鋼、耐蝕塑料、耐蝕硅酸鹽材料等，這些材料有不同性能特點(diǎn)，應(yīng)用區(qū)域也各不相同（你想替代的是那種材料？還是可以全部替代）。針對(duì)重點(diǎn)磨損需求，不少專業(yè)學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)陶瓷基先進(jìn)復(fù)合材料做了大量研究，一般采用級(jí)配的碳化硅（SiC），或剛玉粉（主要成分Al₂O₃），或陶瓷粉（主要成分SiO₂和Al₂O₃）等與**復(fù)合，制備成樹脂陶瓷耐磨復(fù)合材料，并開發(fā)出多種陶瓷類耐磨防腐材料^[3-5]。其中碳納米材料改性樹脂基陶瓷纖維混雜復(fù)合材料，從不同組合的力學(xué)性能等方面進(jìn)行了研究，并有成功應(yīng)用案例^[6]。但是未進(jìn)一步對(duì)比測(cè)試上述陶瓷基復(fù)合材料和傳統(tǒng)材料的耐磨性能，尤其是陶瓷粉還分不同種類，即使是同一種陶瓷粉因?yàn)槠渖a(chǎn)工藝不一樣而具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而表現(xiàn)為較大的性能差異。本文以高性能樹脂為基體、以球形多孔陶瓷和納米氧化鋯等為骨架材料、碳化硅晶須為補(bǔ)強(qiáng)增韌材料，對(duì)其耐磨性能、力學(xué)性能等進(jìn)行研究。

2    實(shí)驗(yàn)部分

2.1  原材料

高性能樹脂（大概的組分名稱？）、球形多孔陶瓷（ABC三種規(guī)格）、碳化硅晶須、納米氧化鋯、固化劑、偶聯(lián)劑、其它助劑等。

2.2  工藝

對(duì)球形多孔陶瓷、碳化硅晶須、納米氧化鋯分別采用偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性處理，然后按照一定的比例先后倒入到已添加助劑的高性能樹脂當(dāng)中并攪拌均勻，最后加入固化劑，再次攪拌均勻后制備出RCC樹脂陶瓷聚合體，按力學(xué)性能和耐磨性能等測(cè)試要求加工成相應(yīng)的形狀。另外，采用上述方法（配比有改變）制備RCC樹脂陶瓷聚合體底涂并涂覆到已噴砂處理的鋼板樣塊上，用于粘接性能測(cè)試。

最終制備的材料的照片（宏觀/微觀），至少應(yīng)該有簡(jiǎn)單的相關(guān)描述，例如，最終獲得了陶瓷纖維/陶瓷球互相穿插****，復(fù)合增強(qiáng)的*****材料，

2.3  測(cè)試設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)

力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備：德國(guó)Zwick Roell集團(tuán)制造的Zwick Allround電子萬能試驗(yàn)機(jī)；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T1447-2005、GB/T1449-2005。（GB/T 1041-2008 塑料 壓縮性能的測(cè)定。）

摩擦磨損性能測(cè)試設(shè)備：美國(guó)Falex 多試件摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：GB3960-2016（《塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法》）。

底涂粘接性能測(cè)試設(shè)備：進(jìn)口“液壓式粘合度測(cè)試儀HATE”， 該儀器的測(cè)量范圍是1～18MPa；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)或方法：ASTM D4541“便攜式附著力測(cè)定儀測(cè)試涂層附著力方法（拉開法）”。

3    實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1  RCC樹脂陶瓷聚合體的力學(xué)性能

采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)RCC樹脂陶瓷聚合體（樣件尺寸為30×6×4mm）的抗彎強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試了5組，測(cè)試結(jié)果如下表3.1:

表3.1 RCC樹脂陶瓷聚合體力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表

從表3.1中可以看出RCC樹脂陶瓷聚合體的抗彎強(qiáng)度在27Mpa以上，抗壓強(qiáng)度在285Mpa以上。目前廣泛使用的耐磨內(nèi)襯材料丁基橡膠的抗彎強(qiáng)度小于10Mpa、抗壓強(qiáng)度小于100Mpa，說明RCC樹脂陶瓷聚合體在力學(xué)性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于襯膠。

3.2  RCC樹脂陶瓷聚合體熱穩(wěn)定性

對(duì)RCC樹脂陶瓷聚合體（樣件尺寸為30×6×4mm）的熱變形溫度進(jìn)行測(cè)試。加載速率為1mm/min，測(cè)量其從室溫到200℃的尺寸變化情況，觀察RCC樹脂陶瓷聚合體在高溫情況下的尺寸穩(wěn)定性。分別測(cè)試了5組，測(cè)試結(jié)果如下表3.2:

表3.2 RCC樹脂陶瓷聚合體熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表

上表看似數(shù)據(jù)較多，但對(duì)比效果不明顯，建議簡(jiǎn)化上述表格，或增加傳統(tǒng)材料的變化數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。

從表3.2中可以看出RCC樹脂陶瓷聚合體的在200℃時(shí)仍然沒有發(fā)生形變，這說明球形多孔陶瓷、碳化硅晶須、納米氧化鋯等的加入，大幅度（多少？）提高了（為什么說提高了？跟誰比的？要不就不比，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述，要比較就得有簡(jiǎn)單的數(shù)值或?qū)ο螅渲鶑?fù)合材料的熱穩(wěn)定性，因?yàn)檫@些骨架等材料本身具有較高的耐熱性，不容易在高溫條件下發(fā)生形變，同時(shí)特殊的結(jié)構(gòu)（哪些地方特殊了？）還可以約束樹脂基體的形變。

3.3  RCC樹脂陶瓷聚合體摩擦磨損性能分析

圖3.3是RCC樹脂陶瓷聚合體樣塊（3#）與耐磨鱗片膠泥樣塊（2#）、純樹脂樣塊(1#)在不同摩擦?xí)r間下的磨損量折線圖。（是否由磨損試驗(yàn)前后的照片？）圖3.3中60min時(shí)，3#樣塊的磨損量為1.0mg，2#樣塊的磨損量為5.2mg，1#樣塊的磨損量是13.8mg。結(jié)果表明，在樹脂基體中加入球形多孔陶瓷、納米氧化鋯和碳化硅晶須后，大大提高了RCC樹脂陶瓷聚合體的耐摩擦性能。這是因?yàn)樘蓟杈ы毢图{米氧化鋯具有較高的表面能，對(duì)樹脂中的大分子鏈有吸附作用，從而可以傳遞和吸收分子鏈之間的應(yīng)力，同時(shí)他們又能阻礙樹脂中的大分子呈條狀形式從整體中剝離，減弱樹脂基體的摩擦磨損；更重要的是，球形多孔陶瓷骨架對(duì)樹脂基體具有很強(qiáng)的束縛作用，可以有力阻止樹脂基體在摩擦過程中的形變，同時(shí)球形多孔陶瓷特殊的結(jié)構(gòu)成了載荷的主要承受骨架，分擔(dān)了絕大部分載荷，減少了樹脂基體與外界摩擦接觸，很好的保護(hù)了樹脂基體，使得磨損量降低到最低。

圖3.3 RCC樹脂陶瓷聚合體（1#）、樹脂（2#）及耐磨膠泥（3#）的磨損量

3.4  RCC樹脂陶瓷聚合體與基體的粘接性能

在150×150×5的單面鋼板上進(jìn)行噴砂除銹達(dá)到Sa2.5,粗糙度75微米左右，再將配制好的RCC樹脂陶瓷聚合體底涂層涂覆在鋼板上。鋼板試樣在經(jīng)后固化處理后進(jìn)行測(cè)試，每組5個(gè)試樣，金屬粘接頭的Φ19.2，粘接面積280.0mm²。

表3.4 RCC樹脂陶瓷聚合體底涂粘接強(qiáng)度表

采用拉開法可以在涂裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行附著力檢測(cè)的方法。它能更加直觀和及時(shí)地測(cè)出涂層對(duì)基材的附著力情況^[7]。從表3.4中看出，RCC樹脂陶瓷聚合體底涂的附著力高達(dá)20Mpa以上，而丁基橡膠襯里的粘接強(qiáng)度不超過8Mpa。

4    結(jié)  論（按重要性排序）

（1）    RCC樹脂陶瓷聚合體具有優(yōu)異的耐磨性能，耐磨耗系數(shù)小于15mg/1000g；

（2）    RCC樹脂陶瓷聚合體具有優(yōu)異的力學(xué)性能，抗彎強(qiáng)度在27Mpa以上，抗壓強(qiáng)度在285Mpa以上。目前廣泛使用的耐磨內(nèi)襯材料丁基橡膠的抗彎強(qiáng)度小于10Mpa、抗壓強(qiáng)度小于100Mpa，說明RCC樹脂陶瓷聚合體在力學(xué)性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于襯膠；

（3）    RCC樹脂陶瓷聚合體具有較高的熱穩(wěn)定性，200℃時(shí)仍然沒有發(fā)生形變；

（4）    RCC樹脂陶瓷聚合體配套專用底涂具有超強(qiáng)的附著力，可以直接涂刷在碳鋼、不銹鋼、鈦、玻璃纖維、復(fù)合材料、塑料及混凝土的表面^[8]，其中與碳鋼基體的粘接強(qiáng)度高達(dá)20Mpa以上。

5    應(yīng)  用

針對(duì)FGD系統(tǒng)內(nèi)高磨損區(qū)域、設(shè)備或管道的磨損特點(diǎn)和要求，以高耐磨耐腐蝕耐溫的RCC樹脂陶瓷聚合體復(fù)合材料為基礎(chǔ)，可以給出FGD系統(tǒng)耐磨防腐解決方案。該方案具有如下特點(diǎn)：

（1）   適應(yīng)性廣：針對(duì)多宗不同應(yīng)用環(huán)境和部件，可調(diào)整配方滿足各種復(fù)雜工況；

（2）   耐磨性好：特殊處理下，可以表面光潔度高、運(yùn)行阻力小、耐磨強(qiáng)度高；

（3）   防腐性優(yōu)：可耐酸、堿、鹽水、有機(jī)溶劑、氧化性物質(zhì)等多種介質(zhì)；

（4）   粘接性強(qiáng)：與碳鋼的粘接強(qiáng)度≥20Mpa，是襯膠和襯塑材料的幾倍；

（5）   安全性高：產(chǎn)品為難燃設(shè)計(jì)，可有效消除施工過程中的火災(zāi)隱患；

（6）   工藝性佳：施工簡(jiǎn)單、方便，可修復(fù)性好，使用壽命長(zhǎng)；

目前，RCC樹脂陶瓷聚合體已廣泛應(yīng)用于FGD脫硫塔內(nèi)防腐的維修，漿液循環(huán)管道彎頭、變徑頭、法蘭端面等特殊部位修復(fù)，以及有大量粉塵的、高耐磨防腐需求（如垃圾焚燒電廠）等領(lǐng)域。具體已使用該產(chǎn)品的典型業(yè)主有：齊魯石化熱電廠、揚(yáng)子石化熱電廠、新疆哈密電廠、江蘇望亭電廠、河南滎陽電廠等。

【參考文獻(xiàn)】

[1]耿宣.燃煤電廠濕法脫硫廢水零排放技術(shù)進(jìn)展[J]. 工業(yè), 2017(3):00056-00057.

[2]吳忠標(biāo).燃煤鍋爐煙氣除塵脫硫設(shè)施運(yùn)行與管理, (試用)[M]. 北京出版社, 2007.

[3]李玉宇,朱正芳.脫硫系統(tǒng)陶瓷聚合物復(fù)合材料的研制與應(yīng)用[C]// 全國(guó)耐磨材料大會(huì). 2015.

[4]劉軍,朱正芳.燃煤電廠脫硫設(shè)備新型內(nèi)襯材料的研制與應(yīng)用[J]. 電力科技與環(huán)保, 2016, 32(5):39-40.

[5]朱正芳,任佳.現(xiàn)代復(fù)合材料在火力發(fā)電廠的應(yīng)用及展望[C]// 全國(guó)耐磨材料大會(huì). 2015.

[6]曾邵.碳納米材料改性樹脂/纖維/陶瓷超混雜復(fù)合材料的力學(xué)性能研究及應(yīng)用[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2016(15):28-29.

[7]陸士平,江國(guó)萍,潘曉龍,等.樹脂鱗片襯里專用底涂層粘接強(qiáng)度的檢測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 全面腐蝕控制, 2009, 23(1):29-33.

[8] 佚名. 中科院力學(xué)所納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層界面粘結(jié)性能研究取得進(jìn)展[J]. 表面工程資訊, 2014, 14(4):12-12.

[9] 李宵娜. 微納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層-合金基底體系的力學(xué)性能研究[J]. 李宵娜.微納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層-合金基底體系的力學(xué)性能研究.[碩士學(xué)位論文].中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所.2013, 2013.

[10]梁立紅, 韋華, 魏悅廣. 納米結(jié)構(gòu)涂層增加的界面結(jié)合強(qiáng)度[C]// 全國(guó)物理力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議. 2012.

[11]魏悅廣. 先進(jìn)材料及結(jié)構(gòu)的跨尺度力學(xué)行為表征[J]. 2014.

[12]孫興偉, 施卡斌. SiN、ZrO陶瓷的摩擦磨損性能[C]// ’94全國(guó)結(jié)構(gòu)·功能陶瓷·金屬/陶瓷封接學(xué)術(shù)會(huì)議. 1994.