无GGH 湿法脱硫烟囱防腐设计

顾赫巍，刘天英

（东北电力设计院，长春 130021）

火力发电厂燃煤产生的硫氧化物、氮氧化物排放对环境造成了严重的污染，特别是SO2的排放是造成我国大气环境污染和酸雨不断加剧的主要原因。近年来，随着国家对环保要求的提高，无论是新建电厂的烟囱还是已建成的未脱硫的老厂烟囱均需增加脱硫设施，对烟气进行处理，以减少烟气排放对环境的污染［1］。

目前大部分脱硫采用了石灰石－石膏湿法脱硫工艺，且不设烟气加热（GGH）系统［2］。湿法脱硫工艺在火电厂中广泛应用，烟囱腐蚀问题也日益突出。烟气经湿法脱硫后在温度、湿度上均有很大变化，进入烟囱的烟气温度在50℃左右，低于酸露点温度，烟囱内部有严重的结露，凝结在内壁上，形成酸液，同时还有氟化氢和氯化物以及硝酸，这些酸液沿内壁下流过程中，部分又被蒸发，使凝结液的酸浓度逐渐增大；另外，烟温降低导致烟气密度增大，烟囱的自抽吸能力降低，造成正压区范围扩大。在烟气压力和湿度的双重作用下，烟气会通过内衬裂缝不断渗入到烟囱内筒表面，使烟囱内侧结构致密度差的材料遭到腐蚀，甚至导致筒壁腐蚀穿孔，因此，无GGH 系统的湿法脱硫烟囱，由于运行工况恶劣，排烟筒的防腐设计和施工显得非常重要［3］。

1 烟囱结构选型

在湿法脱硫应用前，最常见的结构形式是单筒烟囱。目前新建火力发电厂为了较好地解决湿法脱硫系统带来的烟囱腐蚀性问题，烟囱的结构以套筒式为主，单筒式已极少采用。而对于已建烟囱新增湿法脱硫系统的，大多数由于条件所限改造为防腐型单筒烟囱，也有少数工程在条件允许的情况下新增内筒改造为套筒式烟囱。

随着技术的发展以及规范的不断完善，目前，国内相关规范均对湿法脱硫烟囱的结构选型做了较为明确的规定。GB 50051—2013《烟囱设计规范》11.2.4条规定：排放湿烟气的烟囱，应采用套筒式或多管式烟囱；DL 5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规程》8.4.1条规定：当排放强腐蚀性烟气时，一般应采用套筒式或多管式烟囱；DL／T 5121—2000《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》3.0.6条规定：当排放强腐蚀性烟气时，应采用多管式或套筒式烟囱（直筒型内筒）。国际工业烟囱协会（CICIND）的设计标准要求，燃煤电厂脱硫后由于烟气湿度通常较大，温度很低，且烟气中单位体积的稀释硫酸含量相应增加，因而，处于脱硫系统下游的烟囱，其烟气通常被视为“高”化学腐蚀等级，即强腐蚀性烟气等级，烟囱应按强腐蚀性烟气来考虑烟囱结构的安全性设计。美国电力研究院（EPRI）《湿烟囱设计导则》所提供的调查、研究结论指出，湿法烟气脱硫不加GGH 系统烟气的腐蚀性为强腐蚀等级，必须给予足够的重视。

从上述现行规程规范的相关规定可以看出，对于强腐蚀条件下的烟囱，尤其是当前湿法脱硫工艺条件下的烟囱，应该采用套筒式或多管式烟囱。单筒防腐型烟囱相对于套筒式烟囱，由于烟囱长期处于运行状态，基本没有条件进行内部检修，所以不容易发现内部防腐层的损伤或局部破坏，也就无法及时补修，如果在烟囱外壁发现腐蚀状况，此时内衬的腐蚀可能已经比较严重，这是目前我国新建烟囱采用套筒或多管式烟囱的主要原因；但是规范中并没有对改造项目的烟囱结构形式做规定，毕竟在湿法脱硫应用前，单筒烟囱是最常见的结构形式，对老厂烟囱进行改造，常受烟囱出口直径等条件所限，无法新增为套筒或多管式烟囱，只能采取其他防腐措施。

2 防腐措施

目前我国国内新建湿法脱硫烟囱的内筒主要采用钢内筒，防腐内衬以钛板及宾高德泡沫玻璃砖居多。玻璃钢内筒在国际上应用较广，尤其是在美国有90%以上选择玻璃钢内筒，目前在我国仅有少部分使用，随着其技术的不断成熟，会得到广泛的应用。

2.1 钛钢复合板内筒

钛板是国际工业烟囱协会推荐的脱硫系统不设GGH 情况下烟囱防腐内衬材料之一。钛不能用电弧焊焊接到碳钢，为了将这种材料用作烟囱内衬，通常采用的方法是将一定厚度的钛板及钢板按一定的比例爆炸复合成型，使钛板与钢板牢固结合在一起，然后通过热轧方式轧制成符合规格的钛钢复合板。

钛钢复合板内筒整体性强，密封性、耐久性好，设计、加工制作、焊接安装都有国家标准，有大量的工程应用事例。钛钢复合板在安装焊接时需采用爆压法施焊，施工难度较大，焊缝部位升温降温速度过快，或者受热区域面积过大，焊缝部位钛板塑性会下降。焊接时氩气纯度不够、氧气和杂质含量过高时，将造成焊缝的部分氧化，导致焊缝处出现裂纹、气孔等，同时钛板与钢板之间还极容易发生电偶腐蚀，焊缝附近发生该现象的可能性更大，所以采用钛钢复合板制作钢内筒时，对于焊接的要求较为严格，应加强控制。

近年来，钛板价格持续下降，并且施工工艺也有很大进步。目前在国内许多新建电厂或烟囱改造项目中，大多优先考虑采用钛钢复合板内筒方案。

2.2 宾高德泡沫玻璃砖内衬钢内筒

泡沫玻璃砖防腐隔热系统由泡沫玻璃砖和胶粘剂组成。胶粘剂应具有很好的弹性和耐高温、抗疲劳、抗老化的性能，其质量往往对泡沫玻璃砖防腐系统运行的稳定性起到主导作用。

泡沫玻璃砖分国产和进口2种，最有代表性的是美国Henkel公司开发的宾高德泡沫玻璃砖，其以泡沫硼硅玻璃结合人造橡胶技术制成，在暴露于脱硫系统酸冷液环境中具有较高的抗腐蚀性能。宾高德泡沫玻璃砖耐酸腐蚀性较好，可耐各种浓缩酸（除氖氟酸）和包括氯化物在内的废气冷凝液，在高温下也不例外，可以提供长期可靠的保护；导热性极低，其卓越的绝热功能提供了另一个好处，可以省略外绝热层，从而进一步减轻自重，而且可以有效减少钢内筒的热应力；热膨胀系数较低，当烟气走旁路不通过脱硫塔，经剧烈的再加热过程中，以及由于空气预热失灵等造成的温度突变时，都不会受到损伤；此外，安装简便，施工工期短，并配有专业的现场监理人员进行现场监制，我国现有应用其做防腐内衬的烟囱运行情况良好。

2.3 玻璃钢内筒

玻璃钢是由高强度的玻璃纤维和树脂复合而成的兼具结构性和功能性的新型复合材料，玻璃纤维提供强度和刚性，树脂提供耐化学性和韧性。玻璃钢复合材料集中了玻璃纤维和合成树脂的特性，具有轻质高强、耐化学腐蚀、表面性能良好、隔热性良好、可设计性及施工性能良好等优点。成型后的增强树脂结构层强度与普通钢材相当，但其密度仅为钢材的1／4～1／5。应用玻璃钢排烟筒可以取消保温层，特别适合燃煤电厂采用湿法脱硫技术但不设GGH 的烟囱运行条件。

玻璃钢材料耐腐蚀性能优异，虽然目前国内工程应用不多，但在国外早已广泛使用。玻璃钢与钛钢复合板相比造价上约节省40%，性价比高，全寿命周期成本最低，安装后可免维护，与烟囱同寿命。随着我国环保要求的逐步提高，特别是脱硫旁路系统的逐步淘汰，玻璃钢内筒烟囱的应用前景将十分广阔。

3 防腐方案的选择

以2013年某扩建电厂为例，老厂烟囱为钢筋混凝土单筒烟囱，高250m，出口直径7 m，前期设计已考虑二期烟气量，即扩建机组烟气可排入老厂烟囱。由于老厂烟囱未脱硫，现为了满足环保要求，需要在扩建的同时对老厂烟囱进行防腐改造，防腐方案也需要针对不同的机组整体方案，做出合理的选择。

3.1 新厂采用烟塔合一

该方案无须将新厂烟气排入老厂烟囱中，但需要对老厂的烟囱进行脱硫改造。由于老厂烟囱设计时考虑了二期烟气排量，此方案并未利用老厂烟囱，故老厂设计时采用的7.0m 出口直径可大大减小，经计算，仅需5.4m 即可。采用无GGH 的湿法脱硫工艺，脱硫后的烟气温度约为50℃。对于强腐蚀条件下的烟囱，尤其是当前湿法脱硫工艺条件下的烟囱，应该优先考虑采用多管式或套筒式烟囱。由于空间较为宽敞，满足在烟囱筒壁内设立钢内筒的条件，建议采取的防腐措施是自立式钛钢复合板内筒方案。鉴于目前国内采用钛钢复合板内筒的烟囱运行较为良好，虽然其一次性投资相对较高，但考虑到其成熟的技术、良好的抗渗防腐和耐久性，在空间允许的情况下，该方案是较为理想的选择。

3.2 新厂采用煤粉炉，烟塔分离

该方案新老厂共用一个烟囱，新厂烟气排入老厂烟囱中，出口直径需保证6.9m，与老厂的7.0m相差无几，已无法将钢内筒立入老厂烟囱中，故不能采用套筒方案，需另寻防腐措施。由于此方案老厂与新厂均采用煤粉炉并湿法脱硫，脱硫后的烟气温度约为50℃，推荐宾高德泡沫玻璃砖防腐体系。从应用现状来看，国内采用宾高德泡沫玻璃砖防腐内衬的烟囱与采用国产泡沫玻璃砖或其他防腐内衬的烟囱相比，使用情况相对较好，基本没有破损与开裂现象，能满足湿烟囱排烟筒运行要求。在无法设立钛钢复合板内筒的情况下，是较理想的选择。

3.3 新厂采用循环流化床，烟塔分离

该方案同样新老厂共用一个烟囱，出口直径为6.9m，仅烟气温度与煤粉炉方案有所不同，由于采用循环流化床方案，新厂无需湿法脱硫，新厂烟气温度约为127℃，而老厂需经湿法脱硫改造，烟气温度约50℃，最终的烟气由两种不同温度的烟气混合而成。针对此种相对复杂的情况，钢内筒无法设置，同时，由于烟气温度复杂，最高温度达到了120℃以上，泡沫玻璃砖难以在冷热交替的温度下发挥良好功效，故而采用了一种新的防腐改造措施：拆除筒壁内侧原有隔热层及内衬，在筒壁内侧涂3mm 厚有机硅胶粘接剂密闭层，粘贴2～3 mm 厚的玻璃钢板，其上浇筑150～200 mm 厚密实型耐酸浇注料。该方案目前在国内应用不多，但其三道防线的刚柔复合型防腐体系可靠性较高，并且功能型玻璃钢作为一种防腐材料已在国外受到广泛认同，是一个很好的选择。

4 结束语

随着技术的发展与规范、标准的完善和改进，我国在湿烟囱防腐设计方面有了长足的进步，但为提高湿法脱硫烟囱防腐技术的整体水平，延长烟囱防腐寿命，降低烟囱全寿命成本，促进火电厂整体安全有效运行，还应着重做好以下几个方面的工作。

a.持续深入烟囱腐蚀环境及其影响因素的基础研究。在湿法脱硫烟囱中，各种腐蚀因素错综交织，彼此影响，形成了复杂的腐蚀环境，深入的基础研究是设计、开发防腐材料和防腐方案的基本依据，同时也是判别防腐措施失效的有力手段。

b.加强防腐材料的研究。加强防腐材料的研究依然是目前湿法脱硫烟囱防腐现状所需要的，按照引进、消化、吸收、再创新的原则，积极采用国外成熟可靠的脱硫烟囱防腐蚀材料及技术；鼓励和支持国内科研单位继续深入研究和开发同时具有优异的耐腐蚀性、耐高低温循环、抗渗、耐磨、耐老化、易修复、易施工且具有较低成本的防腐材料及配套技术。

c.继续推进行业标准、规范的建立和完善。我国目前烟囱设计、施工验收执行的主要规范虽经过不断的升版与完善，已对烟囱防腐设计有了一定的指导作用，但仍有部分落后于技术现状，需要在总结近年来脱硫烟囱防腐工程经验教训的基础上，进一步完善相关行业标准，包括电厂设计规范、防腐材料性能及检验规范、施工及监理规范等，以满足脱硫烟囱防腐工程可靠、安全运行的需要。

［1］白学利，郯晓永，张瑾.湿法脱硫烟囱腐蚀现状及防腐方案的选择［J］.热力发电，2011，40（2）：84－87.

［2］刘俊峰，赵风娟.湿法脱硫烟囱防腐研究综述［J］.华东电力，2012，40（1）：132－135.

［3］张大厚.火力发电厂烟囱防腐存在的问题及建议［J］.高科技与产业化，2009（1）：88－92.