烟气湿法脱硫对烟囱的影响分析及防腐措施

王雪梅，陈 蕊

（中国核电工程有限公司河北分公司核电工艺所，河北石家庄 050000）

火电厂是中国大气污染物中SO2的主要来源，因此中国政府对火电厂的SO2排放进行了严格限制。按照2012－01－01起实施的《火电厂大气污染物排放标准》规定，河北省属于大气污染物特别排放限制区域，该区域内电厂SO2排放的执行标准为50mg/m3，需要通过烟气脱硫方法才能达到该标准的要求。关于烟气脱硫方法，研究人员进行了大量的实验研究［1－2］，其中石灰石－石膏湿法脱硫方法具有较高的脱硫效率，一般可达到95%（质量分数），且技术成熟，是当前电厂脱硫最常用的方法［3］。

湿法脱硫后虽然烟气中的SO2含量大为降低，但其引发的烟囱腐蚀问题不容忽视。据国内已安装湿法脱硫装置的电厂反馈［4］，部分烟囱内表面已出现腐蚀和脱落，粗骨料外漏，钢筋腐蚀明显。究其原因在于未充分重视烟囱的防腐方案，烟气脱硫后烟囱内部烟气的运行工况条件发生了实质变化，给烟囱安全运行带来了问题。如果处理不当，会加快腐蚀，降低烟囱使用寿命。

本文以河北鹿泉曲寨热电厂的脱硫改造工程为案例，分析脱硫后烟囱内部烟气运行状况以及烟囱内部烟气压力对于烟囱腐蚀的影响，结合理论计算分析烟囱内的静压分布，验证烟囱内正压的产生机理，提出烟囱防腐改造的综合方案。

1 案例分析

曲寨热电厂建设有3台220t/h高温高压循环流化床锅炉和3台50MW抽汽凝汽式汽轮发电机组并配套建设相关辅助系统和设备，电厂建设及投运时所执行的标准为GB 13223—2003，经石家庄市环境保护局核准的SO2排放质量浓度为800mg/m3，其采用了锅炉炉内喷钙脱硫方案，SO2排放浓度可达到排放标准。但按照2012－01－01起实施的GB 13223—2011规定，厂址所在的鹿泉区属于大气污染物特别排放限制区域，其大气污染物中的SO2排放指标为50mg/m3，而原有技术无法满足烟气排放的新要求。为了使尾部烟气达标排放，满足国家环保部门的排放要求，该热电厂对3台220t/h高温高压循环流化床锅炉的烟气脱硫设施进行改造势在必行。根据运行要求，采用石灰石－石膏湿法工艺，一炉一塔，脱硫后的烟气汇合后，经原有的烟囱排出。

脱硫会导致烟气温度降低，使得由温度差产生的上抽力减小，流速降低，易于产生烟气聚集，并对排烟筒内壁产生压力。烟囱腐蚀形成有两方面因素:烟气中有腐蚀性物质；烟囱内形成了正压区域。研究表明烟囱内部的正压区域是烟囱内部受腐蚀最严重的位置［5］，因此脱硫后烟气的运行状况、烟囱内部是否出现正压区以及烟囱的防腐措施成为脱硫改造的关键。

2 湿法脱硫后烟气运行状况分析

2.1 湿法脱硫后烟气的腐蚀性

烟气经湿法脱硫处理后，温度低，湿度大，容易出现烟气结露现象。根据国际工业烟囱协会发布的标准，烟囱内部腐蚀主要有3个原因:1）烟气脱硫后的冷凝物中存在氯化物或氟化物，从而容易形成腐蚀度高、渗透性强、难于防范的稀酸型腐蚀；2）湿法脱硫工艺对造成烟气腐蚀的主要成分SO3脱除效率不高，只能达到30%（质量分数）左右，SO3易与水蒸气结合形成硫酸，对烟囱造成腐蚀；3）脱硫后烟气湿度增大、温度降低，当烟气温度低于酸露点温度时，烟囱内部形成酸液，从而形成腐蚀。

根据试验研究［6］，烟气经过FGD后，烟囱内部烟气温度下降到了50℃左右，此温度已低于酸露点，烟气中的硫酸蒸汽凝结形成酸液，此时烟气腐蚀性非常强。因此，湿法脱硫后对烟囱的腐蚀会加剧。

2.2 湿法脱硫后烟囱内正压的成因与危害

烟气的运行压力与其温度、湿度、流速和烟囱结构等密切相关。根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》［7］，烟囱的自身通风与烟气、空气密度差成正比，烟气密度与烟气温度成反比，即烟气温度越低，烟囱上抽力越小，在烟气出口流速不变的情况下越有可能出现正压值，因此，脱硫后烟气温度的下降是烟囱内出现正压的主要原因。

当烟囱内部压力为正压时，烟气对烟筒内壁产生了渗透压力，强腐蚀性的烟气透过烟囱内壁防护结构的裂缝向外扩散，直接与烟囱材料发生接触，加速了烟囱的腐蚀，因此应尽量避免烟囱内出现正压区，但电厂在脱硫改造后，正压运行的状况有时无法避免，这样就对烟囱防腐提出了更高的要求。

2.3 脱硫后烟囱内正压区分析

根据“《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》配套设计计算方法”［8］，用烟囱静压准则数（Rz）来判断烟囱内是否出现了正压，当其大于1.0时，证明烟囱内出现了正压区。计算公式为

式中:λz为烟囱内部摩擦阻力系数；i0为出口坡度；d0为出口内径；hd0为出口动压；ω0为出口烟速；ρy为排烟筒内烟气平均温度下的烟气密度；Δρ为烟气与环境空气的密度差。

已知案例电厂:3台锅炉共用1座烟囱，烟囱为多坡度锥型筒，高度为180m，出口直径为Φ4 200 mm，一台锅炉在脱硫后烟气温度为60℃的状况下，其烟气排放量核算为318 446m3/h（当地大气压下），烟囱摩擦阻力系数为0.05，烟囱出口段坡度为0.02，排烟平均温度下的烟气密度为1.049kg/m3，大气密度为1.197kg/m3，烟气和环境空气的密度差为0.148kg/m3。根据烟气量以及烟囱出口直径得到出口烟速（ω0）为19.16m/s。将出口烟速和烟气密度带入公式（2），得出出口动压（hd0）为192.695 Pa。

将各参数代入公式，得出Rz为6.647＞1.0从而判断排烟筒内部将出现正压区。

3 烟囱各处的静压值计算

根据文献［8］计算多坡锥形烟囱任一高度截面上的静压值表达式如下所示，其与烟囱内部结构、烟气密度、烟囱高度、烟气流速等有关。

hd，out，hd，in为某区段烟气出口、进口动压，λz为烟囱内部摩擦阻力系数；i为烟囱各区段坡度，Δρ为烟气与环境空气的密度差，ΔL为某区段高度，ΔhM为区段摩擦阻力之和。

案例电厂烟囱为单筒多坡度锥形烟囱，将各坡度内分别取若干点，可近似画出烟囱各处的静压值曲线图，如图1所示。由图1可以看出，当1台锅炉运行时，烟囱内部全部处于负压状态，烟气减少与烟囱内壁直接接触，可有效降低烟囱的腐蚀速率；当2台锅炉运行时，从图1可以看出烟囱在约118.55m处出现正压，正压最大值为23.73Pa；当3台锅炉全部运行时，烟囱几乎全程处于正压运行。此时，腐蚀性烟气通过烟囱内部的裂缝向外扩散和逃逸，会加速烟囱的腐蚀。

图1 烟囱各处的静压值Fig.1 Static pressure distributions of a chimney

4 烟囱防腐改造方案

案例电厂脱硫改造时，烟气量、烟囱高度、结构等无法进行改变，且烟囱内出现正压，此时对烟囱的防腐提出了更高的要求。需要使用粘接强度高、耐硫酸腐蚀、耐交替温变、膨胀系数与基体匹配的防腐材料，防腐措施要求便于施工，防腐层可实现无缝整体，且检查和维护简单。因此如何进行烟囱防腐成为此改造工程的关键。

4.1 防腐方案

根据曲寨电厂脱硫后烟囱内的烟气正压运行工况分析，结合国内外脱硫工程烟囱改造的实施方案［9－14］，现提出以下4种防腐方案。

1）方案1 保留烟囱内部的原有耐火砖，对烟囱内部增加2层措施。第1层:内层涂防腐涂料；第2层:外层贴玻化陶瓷砖。各层之间相互依存，互为补充，共同承担起整座烟囱的防腐，该方案施工工期短，费用低。

2）方案2 采用整体面层防腐体系，使用喷涂方式安装内衬（VP烟囱内衬）。采用材料:底涂液、耐温防腐专用材料、面涂液。VP内衬技术在国外已运用较多，其采用了新型高分子聚合物，具有耐温、抗酸、使用寿命长等特点。采用压力喷涂的方式将VP材料应用于混凝土烟道内。该防腐措施施工工期较短，施工费用中等。

3）方案3 采用防酸腐蚀涂料（玻璃鳞片涂层等）。鳞片胶泥中含有10%～40%片径不等的玻璃鳞片，鳞片胶泥在施工完毕后，扁平型的玻璃鳞片在树脂连续相中呈平行重叠排列，从而形成致密的防渗层结构。因此腐蚀介质在一定厚度的耐腐蚀层中，渗透的距离和时间大大的延长，相当于增加了防腐层的厚度。鳞片胶泥采用的基体树脂是高性能的乙烯基酯树脂，该树脂具有更好的耐腐蚀性能，但其适用烟气温度为150℃。因此，温度是选择该方案需慎重考虑的因素。

4）方案4 内衬采用镍基合金复合板或者采用钛合金板，隔绝烟气与烟囱内筒接触。在地面制作出合金复合板片，在现场将合金复合板焊接成型，置于钢筋混凝土烟囱内，使脱硫后的净烟气与钢筋混凝土烟囱隔离，避免了脱硫后的低温净烟气对钢筋混凝土烟囱的腐蚀。该方案实现了烟气与烟囱的隔离，防腐蚀效果最好，但施工工期较长，施工难度比较大，投资费用十分昂贵。

4.2 方案比对

烟囱的防腐应根据烟气运行工况、电厂使用年限、电厂规模以及烟囱结构型式来选择切实可行的防腐方案。

方案1为防腐涂料加玻化陶瓷砖，是国内运用最多的方案，河北、宁夏等多地电厂采用了此方案，但通过对近几年运行情况反馈的统计，部分烟囱内壁的防腐材料普遍脱落严重［4］，经检测均达不到安全标准。曲寨电厂烟囱内为正压运行，烟气状况对烟囱的防腐有更高要求，根据华东电力设计院对近10年的脱硫烟囱的回访总结［15］，湿法脱硫后的烟囱防腐，在无烟气换热器（GGH）运行状况下，应采用整体气密的排烟筒或防腐内衬，因此不建议采用方案1。

方案2中VP烟囱内衬从国外已运行业绩来看，工作温度高，耐腐蚀性能好，使用寿命长［11］，施工工期较短，但国内没有相关的运行业绩，只能作为备选方案。

方案3采用耐蚀胶泥涂料，工期短，造价低，在国内已有类似的成功应用案例，温度的冲击对其影响很大，曲寨热电厂未设置烟气旁路，烟气温度波动不大，但该方案防腐的寿命较短，仅为5～10年，如采用该方案，需要加强管理，将烟囱的防腐视为设备管理的范围，对其进行定期检查、及时维护和修缮［16－17］。

方案4中钛合金板在内应力、抗介质的渗透以及施工质量的保证上有优势，根据运行经验来看，防腐蚀效果也比较好［15］，部分烟囱在采用玻璃砖后腐蚀严重修复方案也选用的钛合金板内衬［4］，鉴于曲寨电厂烟气运行状况，出于耐久性和安全性考虑，建议采纳该方案，但该方案价格十分昂贵，并且电厂已运行15年，是否采纳需与方案3进行技术经济比对。

综合以上各方案，建议采纳钛合金板内衬或者防酸腐蚀涂料并定期修护。

5 结 语

根据中国大气污染防治的要求，很多电厂需要进行脱硫改造，脱硫改造后由于烟气温度下降，其上抽力减小，流速降低，锥形单筒烟囱结构形式的烟气可能会处于正压运行状态，烟囱内部为正压时，腐蚀性烟气透过烟囱内部的裂缝向外扩散，直接与烟囱发生接触，从而加速烟囱的腐蚀，因此对烟囱防腐改造提出了更高的要求。

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