WESP用导电玻璃钢管的成型工艺应用

文 _ 陈奎续 郑晓盼 朱召平 信明勋 钟永生 尤燕青福

建龙净环保股份有限公司 国家环境保护电力工业烟尘治理工程技术中心

2013年以来，国家出台了包括《大气污染防治行动计划》等一系列严控煤电发展与限煤、控煤政策，优化能源转型升级。火电行业在环境保护、减排目标与发展需求的三重压力下，面临着空前严峻的生存危机。因此，环保企业积极开展燃煤电厂烟气污染物排放达到燃气轮机组排放标准的科研攻关，力求通过超低排放技术升级改造，实现“烧煤也可以像烧天然气一样清洁”的愿景。

湿式电除尘器作为燃煤电厂污染物治理的终端设备，能够有效地控制颗粒物、三氧化硫、重金属等污染物。因此，环保企业开始开发或引进应用于燃煤电厂的湿式电除尘技术。随着《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》、《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》等超低排放政策的颁布和实施，湿式电除尘器得到更加广泛的应用。

国外燃煤电厂应用湿式电除尘技术有近30年历史，其主要用于捕集硫酸酸雾和细颗粒物。目前湿式电除尘器（以下简称湿电）根据其阳极板结构形式可分为两大类：一种为板式湿电；另一种为管式湿电。其中，导电玻璃钢管式湿电在化工及冶炼行业也称为电除雾器。我国从20世纪80年代通过引进消化吸收国外技术后取得迅猛发展，电除雾器的阳极材料经历了从铅、PVC到导电玻璃钢三个阶段，目前导电玻璃钢已成为主流。导电玻璃钢管式湿电在国内燃煤电厂的应用是伴随着超低排放的实施而得到研究和推广。

1 导电玻璃钢管式湿电的技术原理及特点

导电玻璃钢管式湿电由高压静电装置和除尘器本体组成。其工作原理分为4个阶段：电晕放电、颗粒物荷电、颗粒物被阳极管捕集、清灰。具体工作过程为：高压直流静电装置对湿式电除尘内的阴极线施加负高压，从而形成阴极线和阳极管壁之间不均匀的高压静电场。高浓度的负离子（电子）在电场力的作用下作定向运动，形成捕集颗粒物的媒介。进入阳极管的雾滴及粉尘等颗粒物由于离子的碰撞和扩散而被荷电，在电场力的作用下向阳极管壁快速运动而被捕集并形成液膜，液膜在重力作用下流到集液槽中，通过排水系统进行集中处理，从而达到脱除烟气中雾滴和粉尘等颗粒物的目的。

导电玻璃钢管式湿电具有除尘、除雾效率高；系统简单，无二次污染，无水循环系统和水处理系统，投资和运行费用低；耐腐蚀性强、使用寿命长；体积小、结构紧凑等特点。

2 导电玻璃钢阳极管的成型工艺

2.1 导电玻璃钢阳极管的性能要求

导电玻璃钢阳极管是湿电的核心部件，通常为内切圆直径为360mm的蜂窝形，由基体材料树脂、增强材料和导电材料组成。

导电玻璃钢管制作好后在工装上通过粘接的方式将阳极管组装成模块。冶金、化工行业由于烟气量小，阳极管数量少，单个模块的阳极管数通常为40～80个，模块强度和刚度好，结构可靠。

随着湿电在燃煤大型机组上的应用，阳极管数量庞大，1台300MW机组阳极管数量在1500根左右。若仍采用小模块型式，模块数量需要20个以上。阳极模块的承重梁数量多，湿电外形尺寸大，往往布置困难，因此需要采用大模块设计。大模块对导电玻璃钢管的力学性能提出了更高的要求。另外，通过湿电的烟气冷凝物中包括硫酸、亚硫酸、盐酸、氮氧化物的水合物、氟化物、氯化物等腐蚀介质，因此要求导电玻璃钢阳极管具有一定的耐腐蚀性能。导电玻璃钢阳极管性能数据要求如表1所示。

表1 导电玻璃钢阳极管性能数据

2.2 导电玻璃钢的原材料选型

2.2.1 基体材料的选用

树脂常用的有不饱和聚酯、环氧树脂和乙烯基酯树脂等。不饱和树脂成型工艺简单、价格便宜，但耐温低、耐腐蚀性能差，不适用烟气工况。环氧树脂耐温高，耐腐蚀性能好，但是常温加工性能差，难以大规模批量生产，而且价格高。乙烯基酯树脂是由环氧树脂与甲基丙烯酸通过开环加成化学反应而制得，具有良好的耐腐蚀性能和常温加工性能，因此广泛应用于燃煤电站湿法脱硫防腐和烟囱防腐领域。

乙烯基酯树脂主要分为3种类型：标准型双酚A环氧乙烯基酯树脂、阻燃环氧乙烯基酯树脂和酚醛环氧乙烯基酯树脂。标准型具有高度耐腐蚀性能，且价格较低，因此应用也最多。但通常极限氧指数在20以下，不具有空气中阻燃性能，需要额外添加阻燃剂来提高阻燃性能，会牺牲部分材料性能。阻燃型采用溴化环氧树脂合成，除了具有耐化学性能外，具有良好的阻燃性能，极限氧指数在28以上，无需添加阻燃剂，价格也稍高于标准型。前两种树脂的热变形温度均在105℃左右，不同厂家的树脂性能略有差别，在烟气工况下推荐的使用温度在80℃以下。酚醛型具有较高的热稳定性，其热变形温度可以达到120～135℃，适用于高温环境，价格也更高。根据湿电的运行环境及电场放电特点，通常选用阻燃型环氧乙烯基酯树脂作为导电玻璃钢的基体材料。

2.2.2 增强材料选型

玻璃钢的增强材料通常有玻璃纤维（毡或布）、碳纤维、硼纤维等。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，它是以天然矿石为原料，按设计的配方进行配比后，进行高温熔制、拉丝、络纱、织布等工序最后形成各类产品。它具有强度大，弹性模量高，伸长率低，电绝缘性好、耐腐蚀、价格便宜等优点，因此广泛用作复合材料中的增强材料。玻璃纤维按碱金属氧化物含量来分，可分为无碱玻纤、中碱玻纤和高碱玻纤。其中无碱和中碱玻璃纤两类产品的产量占目前玻纤总产量的98%以上，是用途最广泛的两类产品。

玻璃纤维方格布在经纬方向均有良好的强度，是玻璃钢机械强度的主要来源。玻纤短切毡树脂浸润和浸透性好，气泡容易排除、层间剪切强度好，同时弥补方格布只有经纬向强度、层间剪切强度弱的缺点。两者均采用无碱玻纤（E玻璃）制造。

导电玻璃钢阳极管需要有良好的机械强度和刚度，因此选用玻纤方格布(EWR)和玻纤短切毡（EMC）组合来铺层，具体铺层由玻璃钢计算软件根据强度要求来设计。

2.2.3 导电材料选型

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的轴向强度和模量高，密度低，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，导电性好。碳纤维按来源分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，其中PAN基占世界碳纤维总产量的90%以上。对选用不同质量的碳纤维表面毡的导电玻璃钢阳极管表面电阻进行测定，采用克重30g/m2的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维（T700）制成的碳纤维表面毡符合性能要求。

2.2.4 导电玻璃钢管生产工艺

目前，玻璃钢产品的生产工艺主要有手糊、缠绕、拉挤、模压等。手糊成型是以木材、石膏、混凝土、金属或玻璃钢材料制成的阴模或阳模，在模具上用纤维增强材料和树脂胶液按照工艺要求铺敷成型，室温（或加热）、无压（或低压）的条件下固化、脱模。手糊成型是玻璃钢工业生产中最早使用也是我国目前使用最广泛的成型方法，产品质量受人工因素影响大，性能不稳定。缠绕成型是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化、脱模。缠绕工艺技术成熟，自动化程度较好，产品质量好，性能稳定，主要用在大口径圆形管道及储罐的制作。拉挤成型是将连续玻璃纤维粗纱或织物浸渍树脂胶液后，在牵引力的作用下，通过挤压成型、加热固化、定长切割，连续地生产出玻璃钢产品的一种成型方法，其自动化程度高、产品质量稳定，长度尺寸不受限制。拉挤工艺适合规则形状、薄壁结构产品的批量生产制作。

其中，手糊工艺是导电玻璃钢管生产中最广泛使用的成型方法。然而，手工成型方法较难保证阳极管的尺寸精度及表面平整度，且拼装后模块同极距误差大，产品质量稳定性差，自动化程度低，生产效率低。缠绕工艺适用于圆形截面，容易编程实现自动化，且产品力学性能好。而导电玻璃钢管是正六边形截面，编程难度大，缠绕纱在棱角位置受力不均，影响机械性能。而且最终要的是导电碳毡层无法实现自动铺层仍需人工铺设，大大降低的生产速度和自动化水平，因此影响了这种工艺的推广应用。随着湿电的大型化及大规模应用，阳极管数量大、单个模块的管数多，对其机械性能及质量稳定性提出更高的要求，使得手糊工艺的弊端越发显现。为此，导电玻璃钢生产厂家进行了导电玻璃钢阳极管拉挤生产工艺的研究和攻关。

由于将拉挤工艺应用到导电玻璃钢阳极管成型并将其应用到在燃煤电厂，在国内外并无实践经验；并且拉挤导电玻璃钢管树脂含量较手糊和缠绕工艺低，有可能造成其耐腐蚀性能降低。因此，通过对拉挤导电玻璃钢阳极管的耐腐蚀性能进行对比试验研究表明，拉挤、手糊、缠绕工艺生产的导电玻璃钢阳极管样块，在试验条件下的化学强度保留率均满足要求，具有相似的耐腐蚀性能。在绝对强度方面，拉挤阳极管的纵向弯曲强度远远高于手糊和缠绕阳极管，横向弯曲强度略低于手糊和缠绕阳极管；拉挤阳极管的纵向、横向弯曲模量均远远高于手糊和缠绕阳极管。

另外，拉挤导电玻璃钢阳极管表面光滑、粘接性能差，因此需进行手工打磨、人工喷砂或自动喷砂等，以增强拉挤导电玻璃钢阳极管组成模块时的粘接强度。

通过不断的试制和工艺改进，在保证性能前提的前提下，实现了连续稳定拉挤成型。目前，拉挤导电玻璃钢管由于其生产效率高，尺寸精度好，产品性能优且稳定等优点，使得拉挤导电玻璃钢管生产中迅速推广，并得到大量应用。阳极管拉挤工艺与手糊工艺的对比如表2所示。

表2 拉挤工艺与手糊工艺对比

3 结论

（1）湿电用导电玻璃钢阳极管必须经过包括基体材料、增强材料、导电材料等原材料的严格选择，并选用合适的成型工艺方法，才能生产出满足湿电使用要求的合格产品。

（2）拉挤导电玻璃钢管由于其生产效率高，尺寸精度好，产品性能优且稳定等优点，使得拉挤导电玻璃钢管生产中迅速推广，并得到大量应用。

（3）导电玻璃钢管式湿电主要作为燃煤机组大气污染治理的终端控制设备，可将颗粒物的排放浓度控制在5mg/m3以下，因此，在我国燃煤电厂实现烟尘超低排放工程中得到广泛应用。截至2017年6月，配套总装机容量超过1.1亿kW，最大投运机组为1000MW机组，已成为当前燃煤电厂主流的湿式电除尘技术之一。

[1]郑晓盼,高翔,郑成航等, 基于燃煤电厂“超低排放”的海水脱硫系统性能评估与建议[J]. 环境影响评价, 2015,(7):5-9.

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