CN203513482U

CN203513482U - 用于建造硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱的3d打印机

Info

Publication number: CN203513482U
Application number: CN201320585030.4U
Authority: CN
Inventors: 韩建国; 阎培渝
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-09-22
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2023-09-22

Abstract

本实用新型公开了属于土木工程和环境保护设备领域的一种用于建造硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的3D打印机。3D打印机由两个料仓分别串联计量和输送泵、柔性管后与混料器连接，混料器再连接打印头；打印头连接机械臂，视频监控器固定在机械臂上，打印头、机械臂和视频监控器连接至控制器；控制器和计算机相连接。本实用新型以3D打印技术作为成型手段来制备硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱，具有耐高温性能好、热膨胀系数小、抗温度变形能力好和抗硫酸侵蚀能力强的特点，同时使用3D打印手段建造的烟囱是一个整体，因此无接缝和缝隙，无渗漏的风险，具有施工效率高和自动化的特点，避免了人力施工、施工环境和个人操作水平而带来的缺陷。

Description

用于建造硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱的3D打印机

技术领域

本实用新型属于土木工程和环境保护设备领域，特别涉及一种用于建造硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的3D打印机。

背景技术

我国是世界上煤炭资源的最大生产国，2011年我国的煤炭产量占世界生产总量的50%。煤作为一种化石燃料，其主要的可燃组分是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）和硫（S），其中碳在完全燃烧后生成二氧化碳（CO₂）、氢在燃烧后生成水（H₂O），氮在高温下与氧形成氮的氧化物N_XO，N_XO会污染大气，为有害物质。硫在燃烧后生成二氧化硫（SO₂）和少量的三氧化硫（SO₃）。SO₂和SO₃在与烟气中的水分结合后形成亚硫酸（H₂SO₃）和硫酸（H₂SO₄），会造成烟囱外侧钢筒和金属管道的腐蚀，同时，SO₂和SO₃在排放到大气后还会对大气造成污染，导致酸雨和人类的呼吸道疾病。

2011年，我国SO₂排放总量为2218万吨，其中电力行业排放量占45%。为避免火力发电过程中排放SO₂造成的空气污染，目前最主要和最有效的方法是进行烟气脱硫，其中湿法烟气脱硫是采用最多的脱硫工艺，占世界全部脱硫装置的90%以上。由于石灰-石膏湿法脱硫方法是气-液反应，因此其脱硫反应快、效率高，当脱硫控制措施适宜时，其脱硫率可达90-95%。

但即便是在上述很高的脱硫率情况下，烟气中依然存在未被脱除的SO₂,在过量空气存在以及煤燃烧后生成的灰分中V₂O₅的催化作用下，会转化为SO₃,SO₃会溶解于烟气因冷凝而产生的液体中，形成硫酸溶液并造成烟囱的腐蚀。

烟囱内壁上因冷凝现象而产生的液体通常称为冷凝液，该冷凝液具有很高的酸度，通常其pH值为2.0左右，根据我国GB50046-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》，pH为2.0的硫酸对钢筋混凝土和钢材均表现为强腐蚀作用。要避免冷凝液对烟囱的腐蚀，首先需了解火电厂脱硫排烟烟囱的主要结构型式。火电厂的烟囱依据其结构型式，可分为单筒式、套筒式和多管式。单筒式烟囱主要采用钢筋混凝土结构，内衬材料采用耐火砖、耐酸砖和漂珠内衬砖等，使用耐酸砂浆砌筑而成。套筒式或多管式，外筒一般采用钢筋混凝土结构，内筒使用普通钢、纤维增强树脂和耐蚀金属等。当前，国内外大型火力发电厂一般采用套筒式或多管式，且内筒以钢或纤维增强树脂为主，由于纤维增强树脂通常存在易老化、耐高温性能差和可燃的特性，因此，常使用普通钢来建造烟囱的内筒。

建造钢内筒用的普通钢，在烟囱内部冷凝液的侵蚀下表现为快速的析氢腐蚀，其腐蚀速度可达每年10mm以上，而常规建造内筒的钢板厚度为10-20mm之间，因此，需采用一些防腐蚀措施来保护脱硫排烟烟囱的钢内筒不受腐蚀。钢内筒通常的防腐蚀措施是在钢内筒的内壁上敷设防腐层，采用的防腐层包括：（1）喷涂式防腐层，在钢内筒的内壁上涂刷一层薄膜。所使用的材料包括聚脲涂层、复合树脂涂层、聚合物水泥涂层、高分子聚合物涂层和耐酸水泥涂层等。（2）浇筑式防腐层，在钢内筒的内部浇筑一圈防腐层，所使用的材料通常是耐酸轻集料、耐酸粉料、粘结剂和固化剂等。（3）砌筑式防腐层，使用砌块和粘结剂在钢筒的内部砌筑一圈防腐层，通过粘结剂将砌块和钢内筒的内壁粘结在一起，同时粘结剂本身也是防腐层的组成部分。所用材料包括耐酸玻化砖、有机粘结剂和底漆等，其中底漆用于防腐层粘结前，对已打磨处理的钢筒内壁进行喷涂，以达到防锈蚀的目的。（4）耐蚀金属或耐蚀合金内衬，即在钢内筒的内壁上使用耐蚀金属或耐蚀合金建造一层防腐层，建造方法是通过轧制法或爆炸焊接法将耐蚀金属或耐蚀合金与钢结合在一起，所使用的材料包括金属钛和C276合金等。

但是，现有的钢内筒内部的防腐蚀层，或者由于材料自身的抗渗透能力、抗高温能力和抗老化能力的原因，或者由于不同材料之间的界面结合品质的原因，或者由于内部带有耐蚀金属层的钢板在焊接制备成钢内筒的过程中，由于焊接质量的原因，使得耐腐蚀层在冷凝液的侵蚀作用下，由于本身性能不足或对钢内筒的屏蔽能力不足而导致钢内筒的腐蚀，从而影响烟囱直至发电厂的运行安全。一般而言，有机材料的耐高温和老化能力较差；浇筑式防腐层的抗渗透能力较差；砌筑式防腐层的砌块和粘结剂之间的界面结合能力通常较差；而具有钛合金内衬的钢板在焊接制备成钢内筒的过程中，由于金属钛和钢之间具有较大的线膨胀系数和导热系数差异，以及在高温焊接的过程中，金属钛会和空气或污染物分解后生成的氧、氢、氮复合而形成固溶体使得钛防腐层变脆和韧性降低，使得其工作能力大幅度降低。同时，钢内筒内部防腐蚀层的质量还与施工过程的管理和施工人员的技术水平密切相关，甚至有时候是决定性的。对于高耸烟囱内部的高空人力作业，由于施工环境、施工条件和施工器械等的限制，往往使得施工的质量达不到与地面试验室内产品的相同水平，甚至不能达到预期的施工质量要求。

总之，制备脱硫烟囱钢内筒内部防腐层的最终目的是形成一层耐硫酸侵蚀和抗渗透能力良好的结构层。而上述四种钢内筒内部防腐层的建造结果，通常不能满足预期的质量要求，因此常使得冷凝液穿过防腐层，导致钢内筒的腐蚀，给烟囱的运行带来安全隐患、维护和维修压力。目前，尚未查询到国内外使用3D打印技术和硼硅酸盐玻璃来建造脱硫排烟烟囱的文献和专利。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足提供一种用于建造硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括用于盛放用于制备硼硅酸盐玻璃组分：纯碱Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃和石英砂SiO₂的第一料仓1-1，与第一料仓1-1相连接的第一计量和输送泵2-1以及第一柔性管3-1；用于盛放碳化硅纤维的料仓第二1-2，与第二料仓1-2相连接的第二计量和输送泵2-2以及第二柔性管3-2；第一柔性管3-1和第二柔性管3-2与混料器4相连接，混料器4与打印头相连接；打印头与机械臂相连接；机械臂通过第三连接线19-3与控制器17连接；打印头通过第一连接线19-1与控制器17连接；视频监控器9使用固定点10固定在机械臂上并通过第二连接线19-2与控制器17连接；控制器17与计算机18相连接；

所述打印头由加热电路5、熔体容器6、流速控制器7和可旋转喷头8构成。

所述机械臂包括依次连接的伸缩杆11、第一转动轴12、第二转动轴13、升降器14和导杆15，导杆15固定在基座16上。

本实用新型的有益效果是提出的3D打印机具有结构简单、操作自动化的特点。采用本3D打印机建造的碳化硅增强的硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱为单层结构，因此在结构形式上更简单；相对于原来的喷涂式、浇筑式和砌筑式防腐层，本发明使用碳化硅纤维增强的硼硅酸盐玻璃具有耐高温性能好、热膨胀系数小、抗温度变形能力好和抗硫酸侵蚀能力强的特点，同时使用本3D打印机建造的烟囱是一个整体，因此无接缝和缝隙，所以无渗漏的风险，具有优异的耐腐蚀能力；由于原材料的配制、硼硅酸盐玻璃熔体的制备和烟囱的3D打印过程均采用计算机控制，因此其建造过程具有精确度好、施工效率高和自动化的特点，避免了人力施工过程中因施工环境和个人操作水平的原因等而带来的缺陷。

附图说明

图1为3D打印机结构示意图。

图2为建造的脱硫排烟烟囱结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种用于建造硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的3D打印机。下面结合附图予以说明。

图1所示为3D打印机结构示意图。所述3D打印机包括用于盛放用于制备硼硅酸盐玻璃组分：纯碱Na₂CO₃）、硼酸（H₃BO₃）和石英砂（SiO₂）的第一料仓1-1，与第一料仓1-1相连接的第一计量和输送泵2-1以及第一柔性管3-1；用于盛放碳化硅纤维的第二料仓1-2，与第二料仓1-2相连接的第二计量和输送泵2-2以及第二柔性管3-2；第一柔性管3-1和第二柔性管3-2与混料器4相连接，混料器4与打印头相连接；打印头与机械臂相连接；机械臂通过第三连接线19-3与控制器17连接；打印头通过第一连接线19-1与控制器连接；视频监控器9使用固定点10固定在机械臂上并通过第二连接线19-2与控制器17连接；控制器17与计算机18相连接；

所述机械臂包括依次连接的伸缩杆11、第一转动轴12、第二转动轴13、升降器14和导杆15；导杆15固定在基座16上。

图2所示为采用3D打印机建造碳化硅纤维增强硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的结构示意图。由控制器和计算机联合组成3D打印机的控制系统，实现对玻璃熔体品质控制、打印头运动位置控制、流速控制器和喷头位置控制和视频监控。视频监控器的内部有可转动的视频监控头，可在半球面范围内运动，其作用是实现对打印头工作状态、排出玻璃熔体的状态和打印生成物体质量水平的监控；打印头的运动位置由机械臂来决定，机械臂由导杆、升降器、转动轴和伸缩杆组成，导杆上有用于升降的螺纹；升降器由内部的步进马达驱动、可沿着导杆上下运动并具有位置锁闭功能；伸缩杆和转动轴的组合运动可使得打印头在前后、左右和上下六个方向上运行，其组合运动的结果是可实现一定角度和一定厚度范围内的圆柱面运动。

Claims

1.一种用于建造硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括用于盛放用于制备硼硅酸盐玻璃组分：纯碱Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃和石英砂SiO₂的第一料仓（1-1），与第一料仓（1-1）相连接的第一计量和输送泵（2-1）以及第一柔性管（3-1）；用于盛放碳化硅纤维的第二料仓（1-2），与第二料仓（1-2）相连接的第二计量和输送泵（2-2）以及第二柔性管（3-2）；第一柔性管（3-1）和第二柔性管（3-2）与混料器（4）相连接，混料器（4）与打印头相连接；打印头与机械臂相连接；机械臂通过第三连接线（19-3）与控制器（17）连接；打印头通过第一连接线（19-1）与控制器（17）连接；视频监控器（9）使用固定点（10）固定在机械臂上并通过第二连接线（19-2）与控制器（17）连接；控制器（17）与计算机（18）相连接。

2.根据权利要求1所述用于建造硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的3D打印机，其特征在于，所述打印头由加热电路（5）、熔体容器（6）、流速控制器（7）和可旋转喷头（8）构成。

3.根据权利要求1所述用于建造硼硅酸盐玻璃脱硫排烟烟囱的3D打印机，其特征在于，所述机械臂包括依次连接的伸缩杆（11）、第一转动轴（12）、第二转动轴（13）、升降器（14）和导杆（15）；导杆（15）固定在基座（16）上。