玻璃钢在工业烟气排放烟囱中的防腐蚀浅析

王天堂，陆士平

(上海富晨化工有限公司，上海 200233)

0 引言

近年来，国家环保法规对烟囱排出的气体清洁度提出了严格要求。采取各种洗涤塔、吸收塔对烟气进行脱硫、脱硝及其他脱酸等处理措施后，烟气的温度越来越低(45～95℃)，尚存的未处理干净的SO3，SO2，HCL，HF等介质都在其本身的露点温度以下，导致湿烟气的酸性增大，对排烟筒体表面的腐蚀性增强。针对强腐蚀湿烟气，欧美发达国家从1970年开始采用玻璃钢排烟筒进行排放，以有效应对烟气对排烟筒的腐蚀。几十年的玻璃钢烟囱使用业绩也证明了它具有防止腐蚀和长期承受荷载的能力。为此美国颁布了《燃煤电厂玻璃纤维增强塑料(FRP)烟囱内筒设计、制造和安装标准指南》(ASTM5364);国际工业烟囱协会(CICIND)也发布了《玻璃钢(GRP)内筒标准规范》。

国内玻璃钢烟囱使用起步较早，从20世纪60、70年代开始，在化工、有色、冶金等行业的排气筒都有应用，但直径比较小(1m～2m)，高度也不超过50m;80年代中期河北省中意玻璃钢厂首家引进玻璃钢缠绕技术与设备，推动玻璃钢烟囱进入了快速发展期，目前玻璃钢烟囱的直径达到了5m，高度达到了100m以上。由于没有相应的规范，其使用受到了限制。目前，尤其国内燃煤电厂的大机组用烟囱，面临着脱硫后的酸性湿烟气对排烟筒体表面的强腐蚀性，采用玻璃钢烟囱将是解决烟囱腐蚀问题的一条新途径。本文结合有关已实施或即将实施的标准，对于玻璃钢烟囱中的一些技术进行探讨。

1 烟囱防腐的形式选择

排放干烟气的烟囱受腐蚀比较严重的部位是在烟囱上部，这些部位由于受室外空气的影响容易形成冷凝酸。凡设有内衬的烟囱，腐蚀介质容易侵入的部位，一是通过衬里分段的交接处;二是通过砖砌体的夹缝进入到外筒与衬里之间的夹缝处的烟气介质，进而腐蚀外壁。

对于排气腐蚀性强的湿烟囱和潮湿(半干)烟囱，要采用耐腐蚀材料制作或在筒内衬耐腐蚀材料。根据不同工况条件，可以采用不同的防腐蚀材料以及不同的结构形式:腐蚀较严重的烟道和烟囱可根据腐蚀介质的不同和工况条件而采用塑料、耐酸石材、耐酸砖、玻璃钢、不锈钢、合金纲，钛板等;腐蚀较轻的烟囱，可以采用耐酸混凝土、涂层衬里等;腐蚀严重的烟囱，一般不宜采用砖砌外筒。玻璃钢是发展较早、应用广泛的一种复合材料，具有十分显著的性能特点。与金属材料或其他无机材料相比，它耐腐蚀、重量轻、比强度高、电绝缘、耐瞬时高温、传热慢，克服了传统衬里材料与结构材料之间存在的附着力差异，膨胀系数不同而发生脱落，分层等质量隐患，是一种兼具功能和结构特性的新型材料，玻璃钢烟囱较其他材料制成的烟囱如不锈钢更常用。表1列出了几种电厂烟囱适用材料的比较。

表1 电厂烟囱中的几中材料比较

2 玻璃钢烟囱的一般规定

2.1 使用温度和年限

在《燃煤电厂玻璃纤维增强塑料(FRP)烟囱内筒设计、制造和安装标准指南》(ASTM5364)中规定:玻璃钢烟囱适合于无GGH的湿饱和烟气运行温度(60℃以下)，当FGD吸收塔有旁路时，在开启旁路烟道后的烟气温度，则在短时间内不超过121℃。国内燃煤电厂用于排放湿法脱硫烟气的温度，在无GGH时，大约在45℃ ～55℃范围;有GGH时，大约在80℃ ～95℃范围。从我们调查的国内化工、冶金和轻工等行业现有玻璃钢烟囱的使用情况来看，绝大多数长期运行温度不超过100℃。当烟气温度于100℃时，可在烟囱前段采取冷却降温措施，以确保烟气运行温度在合适的区间内。

根据有关国内外的标准，整体玻璃钢烟囱的设计使用年限如下:ASTM D5364标准规定使用寿命为35年;CICIND标准规定使用寿命为25年。

2.2 玻璃钢烟囱设计中的一般规定

玻璃钢烟囱的筒壁应由防腐内衬层、结构层和外表面层组成，并应符合下列规定:

(1)防腐内衬层由富树脂层和次内衬层组成，富树脂层厚度应不小于0.25mm，宜采用玻璃纤维表面毡，其树脂含量应不小于85%;次内衬层应采用玻璃纤维短切原丝毡或喷射纱，其厚度应不小于2mm，树脂含量应不小于70%。

(2)防腐蚀内层及外表层树脂含量高，强度及模量低，在计算结构强度和承载力时，均不考虑。另玻璃钢的弹性模量较低，因此需对挠度做出相应规定。在力学计算设计时，要综合考虑各种因素，包括烟囱的轴向强度和稳定性计算、烟气正负压和风荷载下的强度计算、玻璃钢筒外侧压力验算、加强肋的抗弯强度验算、开口补强和连接处的计算等。

(3)外表面层中的最后一层树脂应采取无空气阻聚措施。当玻璃钢烟囱暴露在室外时，外表面层应添加紫外线吸收剂，外表面层厚度应≥5mm。

(4)由于玻璃钢材质的耐磨性能不强，在高的烟气流速下，对拐角或突变部位的冲击和磨损加大，导致腐蚀加强。可通过在树脂中添加耐磨填料(如碳化硅等)来提高该部位玻璃钢的耐磨性。

(5)防腐蚀内层和结构层宜选用同类型的树脂;当选用不同类型的树脂时，层间不得脱层。

3 玻璃钢烟囱的树脂选择

玻璃钢作为一种新型的防腐蚀形式，其防腐蚀树脂的选择是相当重要的。目前，国内用的比较多的防腐蚀树脂主要有双酚A型不饱和树脂、氯化不饱和树脂和环氧乙烯基酯树脂。

双酚A型不饱和聚酯树脂具有良好的耐酸、一定的耐碱性和较好的综合机械性能和耐温性，国外20世纪70年代作为耐蚀型UPR的代表大量使用，但由于其断裂延伸低、脆性，80年代后逐渐被环氧乙烯基树脂所取代。氯化不饱和聚酯树脂具有优良的耐腐蚀性能及良好的阻燃性。特别适合用于制造耐高温、耐含氯(氟)化学介质或耐强氧化环境的设备。环氧乙烯基酯树脂是国际上公认的高度耐腐蚀树脂，它结合了环氧树脂的优良耐热、机械和化学性能及UPR树脂的优良工艺性能。目前乙烯基系列产品中，有常规的双酚A环氧型、酚醛环氧型、高交联型、阻燃型等产品，结合相关标准的内容，新国家标准中规定采用反应型阻燃环氧乙烯基树脂。

4 全玻璃钢形式结构及安装

全玻璃钢的烟道和烟囱可以采用缠绕工艺进行制造。一般有以下几种结构形式:自立式、拉索式、塔架式、套筒式或多管式玻璃钢烟囱。目前常见的主要塔架式和套筒式等形式，下面就这几种形式的一些制造和安装细节进行说明。

4.1 拉索式

拉索式玻璃钢烟囱是采取拉索进行水平支撑，经济性较好，目前在一些小型烟囱中应用较多，如一些烧结机装置中的吸收塔与烟囱一体装置中等。在采用拉索式玻璃钢烟囱时，拉索设置应满足以下规定:当烟囱高度与直径之比小于15时，可设1层拉索;烟囱高度与直径之比大于15时，可设2层拉索。拉索一般为3根，平面夹角为120°，拉索与烟囱轴向夹角不小于25°。

4.2 塔架式

以支架为承重结构，支承一个或一个以上的排气筒，是化工排气筒常见的型式，塔架式排气筒可采用钢或钢筋混凝土的支架，筒体高出支架。玻璃钢排气管采用各类树脂和玻璃布缠绕成型，一般使用温度可以到80℃以上，有的可高达200℃。玻璃钢的线膨胀系数比聚氯乙烯塑料小得多，因此100m以内高度，一般可不设膨胀节。玻璃钢整体性好，力学强度和耐热性能比聚氯乙烯塑料好，防腐性能好，防腐范围宽。近二十年来在硝酸、硫酸、过磷酸钙、合成纤维等生产中都有良好的应用。

4.3 套筒式

套筒式结构人称筒中筒结构，是用钢筋混凝土或砖砌体为支承结构，支承一个或一个以上的排气筒。这种形式在化工、冶金部门采用过，国内外大机组湿法脱硫电厂绝大多数采用。套筒式排气筒的支承结构内设操作平台，可在内外筒之间检修。其优点:整体性好，能有效地防止介质从接缝处的腐蚀渗透，可避免受风力等的作用和影响;玻璃钢结构的内胆和外筒是相对独立的不同材质的筒体，能有效的避免由于介质环境的温差引起不同材质的收缩性不一致，而引起的内应力破坏;由于玻璃钢结构轻质高强，起吊安装方便;施工周期短，费用少。

5 全玻璃钢形式应用注意事项

(1)由于玻璃钢材料为各向异性，容易产生应力集中，因此下部烟道接口建议设计成圆形，以尽量减小对玻璃钢筒体的破坏，同时玻璃钢烟囱的连接可采用承插粘接或平端对接等方式。

(2)烟囱膨胀节宜采用玻璃钢法兰形式连接，连接节点应严密，连接材料的防腐和耐温性能应符合工艺要求。另外玻璃钢加强肋间距应不超过烟囱直径的1.5倍，同时不大于8m。

(3)在实际应用中要根据具体腐蚀性介质及温度、是否含水等情况选择防腐树脂;同时考虑树脂的力学性能，因为FRP形式的烟道在高空下会受气流等形式的影响，在设计上就要求有延伸率较高、韧性更好的耐用腐蚀树脂，且在高温下FRP的力学性能会有所下降，在设计中要充分考虑到这一点。

(4)结构树脂的选择。目前，国内FRP的外侧会采用常规的通用树脂以降低成本，但通用树脂适用较低温度，在较高的温度下通用树脂的力学强度损失较大，就会增加由于结构树脂的力学损耗造成的烟囱的力学破坏，最后导致防腐蚀失效，所以我们建议在较100℃以上的使用温度情况下，建议用乙烯基础酯树脂或双酚A树脂等进行制作结构层，或进行整体FRP制作。

(5)增强材料的选择:在防腐蚀层制作时，要充分考虑增强材料选择的重要性，一般情况下，玻纤是一种经济高性能的选择，但在如含氟、强碱等情况下，就不适合选用玻纤了，碳纤维或一些有机纤维是较好的选择。

(6)玻璃钢烟囱在制造过程中，一定要注意不能让玻璃钢材料受到破损和破坏，从缠绕的设备能力和安装能力等方面综合考虑可采用分段制造，并增加每节筒体长度。

(7)在装卸、存放和安装玻璃钢烟囱期间，施加在玻璃钢上的载荷及由此而产生的应力，需考虑加到设计中去。对于直径超过3m的分段玻璃钢烟囱宜垂直位置存放和移动。当分段的玻璃钢烟囱进行水平和垂直位置的相互变换时，应符合底部边缘点的载荷设计，并且防腐蚀层表面不得产生裂纹。每段玻璃钢烟囱上的对称吊环，应满足安装期间所施加的各种载荷。

［1］化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册:化学生产装置的腐蚀与防护［M］.北京:化学工业出版社出版，1991.

［2］中国腐蚀与防护学会.合成树脂及玻璃钢［M］.北京:化学工业出版社，1995.

［3］王天堂，陆士平.酚醛环氧乙烯基酯树脂的性能及在耐高温强腐蚀场合中的应用［J］.全面腐蚀控制，2001，(5):20 －23.

［4］王天堂，陆士平.VEGF鳞片胶泥在烟气脱硫装置中的应用［J］.中国环保产业，2002，(Z1):70 －72.

［5］GB50051－2002，烟囱设计规范［S］.

［6］GB50078－2008，烟囱工程施工规范［S］.

［7］郭东明.硫氮污染防治工程技术及其应用［J］.北京:化学工业出版社，2001.