湿法脱硫钢筋混凝土单筒烟囱防腐结构优化

贾军刚，柴俊，王日朝，王金兴，赵京中，刘飞

(1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，太原 030001； 2.山西国锦煤电有限公司，太原 030001； 3.太原市奥爱姆烟囱材料有限公司，太原 030001； 4.中国能源建设集团山西电力建设第三有限公司，太原 030001)

0 引言

山西国锦煤电有限公司一期2×300 MW发电机组项目新建一座210 m的烟囱，按现行国家行业规程设计，应采用套筒式烟囱，目前国内新建电厂通常推荐的也是套筒式烟囱，内筒有钢内筒和玻璃钢内筒两种，钢内筒有复合钛钢板和内衬粘贴玻化陶瓷砖(或泡沫玻璃砖)、涂刷防腐涂料以及浇注料耐酸混凝土等多种形式。这些脱硫湿烟囱的防腐防水费用都比较高，同时，套筒使得混凝土筒身外径和基础加大，施工工序复杂，质量控制内容增多，整座套筒烟囱造价比常规单筒式钢筋混凝土烟囱高30%以上。

作者通过走访发现，山西省有些单筒烟囱[1]虽然在湿法脱硫运行后出现了渗漏，特别是积灰平台下侧壁酸液流淌痕迹斑斑，外观确实很难看，但仍然在使用。筒身结构的安全性是业主最为关切的问题，通过了解得知，这些烟囱大多进行过安全性评价和鉴定，结论表明筒身虽经渗漏液体腐蚀，但仍然能够持续工作。对此，作者认为有必要对脱硫后凝结酸液进行化验分析，进一步判断其对混凝土的侵蚀作用和影响程度，查明引起烟囱渗漏的原因，针对性解决渗漏问题，对混凝土结构采取相应的防腐防护，使经济简洁的单筒式钢筋混凝土烟囱继续在电力行业使用成为可能。

1 烟气凝结酸液分析

作者专程奔赴国内燃煤电厂了解湿法脱硫后单筒烟囱使用情况[1]，收集了国内多座运行电厂湿法脱硫后烟气的凝结酸液，并委托国内有资质的化验单位检测其化学成分、pH值、液体酸度等指标，目的在于考察脱硫后对混凝土筒身的影响程度，保护筒身结构，使其在使用年限内正常工作。检验结果显示，酸液pH值均小于2，一般认为是强腐蚀液体，但总酸体积分数却均在1%以下，检验结果见表1。

表1 烟囱冷凝水取样分析

作者了解到，这些电厂不设烟气换热器(GGH)，烟气湿法脱硫后没有旁路烟道，烟气温度为50 ℃左右，烟气的凝结水量较大，通常在每小时数吨到十几吨。现场采样化验分析表明，虽然化学成分比较复杂，有硫酸、硝酸、氯根等，但主要成分为硫酸且体积分数较小。烟气经脱硫、脱硝后总体酸度和化学腐蚀性大为降低，但凝结水量增加许多，这种状况对不同材料的影响各异。这种极低浓度的酸性水对耐酸陶土砖和混凝土等非金属材料的腐蚀性是很微弱的(非金属材料的腐蚀分类较金属类要简单得多，主要原因是非金属类本身耐腐蚀性较强，腐蚀机理也简单得多，金属中常见的许多腐蚀形态在非金属材料中几乎不存在)[2]，但对金属类材料来说却是强腐蚀，包括电化学腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀等。实验室试验结果也证明了这一观点，在硫酸体积分数为1%的稀硫酸溶液中分别浸泡钢板和改性水泥砂浆进行对比，结果发现：浸泡钢板的酸液在1个月以后就变了颜色，随着时间的增加，颜色逐渐变深发黄，钢板被严重腐蚀(如图1所示)，说明对钢排烟筒进行防腐防护至关重要；但浸泡改性水泥砂浆的酸液至今已经3年，仍没有发生变化(如图2所示)，说明非金属或混合物耐腐特性不同于金属。

图1 碳钢板试件浸泡试验 图2 改性水泥砂浆试块浸泡试验

对取样酸液水进行分析并结合考察情况，可以得出结论：原行业规范所述按烟气干、半干、湿界定烟气的腐蚀性对钢结构来说是恰当的[3]，而对非金属材料则应另当别论。

对多年来脱硫烟囱防腐失败原因进行分析：金属烟囱是腐蚀、穿孔，逐渐烂掉；而混凝土烟囱则主要是漏水后，酸液带有的轻度腐蚀性以及碳化作用对钢筋产生影响，过程较长。作者与设计、建设、施工单位以及防腐材料生产厂家多次商讨并取得了共识，决定在山西国锦煤电有限公司210 m烟囱的设计上大胆创新，仍然使用单筒式钢筋混凝土烟囱，并针对性地对常规筒身及牛腿构造进行局部修改，重点加强抗渗防水，确保烟囱筒身不出现渗漏，保证外表美观；同时，不会使筒身内部的正压湿烟气对混凝土筒壁产生交替式腐蚀，确保整体筒身能够满足使用要求。

2 烟囱结构防腐优化

(1)外筒壁选C40抗渗混凝土配比，抗渗等级P8，混凝土保护层厚度增大至50 mm。

(2)通过计算筒身结构在温度作用下的相关参数，取消以往筒身内衬中间隔热保温层。

(3)取消常规设置在标高10 m左右的积灰平台，让脱硫水直接排至烟囱底部地面，然后通过筒身0 m环形地沟底部接排水管排到筒外废水池。

(4)筒壁内侧表面进行整平打磨，彻底处理外表缺陷后用二布五涂OM牌复合树脂玻璃钢涂层作防腐抗渗层，保护混凝土筒壁不受侵蚀，防腐层厚度为1 200～1 500 μm。要求湿膜厚度大于1 500 μm。

(5)翻模水平施工缝增加一布二涂玻璃钢涂层予以加强。

(6)对拉螺栓孔用膨胀水泥石棉塞堵和硅橡胶封孔。

(7)砖内衬保留但改为憎水型耐酸陶土砖，用钾水玻璃耐酸胶泥砌筑、勾缝。

新型抗渗防腐型烟囱构造设计与普通未脱硫常规烟囱设计分别如图3、图4所示。未脱硫常规烟囱因烟气温度高，内衬有保温隔热层，脱硫改造后，保温隔热层反而容易积聚凝结酸液，使其从混凝土筒身的施工缝和未填充的模板对拉螺栓孔中渗出，这是各运行燃煤电厂单筒混凝土烟囱经常出现渗漏的主要原因[4]。

图3 新型防腐抗渗烟囱构造

3 施工要点及验收

根据以往工程经验，针对筒身施工缝和内衬砌筑以及牛腿处渗漏问题，对该工程设计和施工重点要求：混凝土筒身内壁平整，筒身含水率小于6%，拆模后打磨整平，刷界面剂；随后由下至上对施工缝做加强防腐层，整体按设计要求做二布五涂防腐层，防腐材料生产单位全程指导施工；整体筒身防腐层施工完成后，由建设单位、监理单位组织验收，合格后方可进行耐酸砖的砌筑；采用带企口憎水耐酸砖，针对以往砖缝饱满度不够的情况，要求施工中铺抹胶泥要饱满并勾缝，尤其是每层砖的企口衔接处胶泥填充饱满，确保砌体胶泥竖缝黏接密闭严实。该工程于2013年6月开始防腐改造及内衬砌筑，10月完工，验收全部合格，于2014年年底投入使用。

图4 普通防腐抗渗烟囱构造

牛腿用硅橡胶和聚四氟乙烯布逐个进行封闭，聚四氟乙烯布上边嵌入砖灰缝内，用硅橡胶粘结，下边用316L耐酸不锈钢压条固定，使牛腿继续保持支承耐酸砖砌体的同时，仍具有砌体竖向温度区段的柔性分隔作用。

4 项目优化的经济性

该项目的布置设计及筒身、牛腿等构造已经获多项国家专利，国内外查新检索表明：项目整体达到国际先进水平[5]。现对新、旧两种设计方案的经济性进行比较(以山西国锦煤电有限公司烟囱高210 m、出口7 m的工程量为例)，见表2。

由表2可知，烟囱构造经优化后净增加费用84.8万元。按照2013年市场行情，该项目防腐及内衬砌筑总价实际为878万元，当时同类烟囱内衬按照复合钛钢板设计约需2 000万元，玻化陶瓷砖+进口胶内衬约需1 400万元，采用优化的新型构造后，分别可节省1 122万元及522万元。

表2 新、旧设计方案的经济性对比

5 结论

经防腐优化后的山西国锦煤电有限公司单筒钢筋混凝土烟囱已安全运行了3年多，经历了3个冬季，未出现任何渗漏。2017年7月11日停炉后，中国电力规划设计协会组织专家组进行实地考察和会议讨论评审，并经山西省建筑科学研究院对烟囱进行了全面检测，鉴定意见：该项目研究成果内容翔实，创新性强，与目前套筒式和多管式烟囱相比，结构简洁、施工方便、占地少、投资低，具有明显的经济效益和社会效益。该项目研究成果可为燃煤电厂湿法脱硫环境条件下的单筒式钢筋混凝土烟囱的国际及国内工程提供借鉴，并可为现行技术标准修编提供参考，在严格控制材料采购、施工过程、顺序验收且确保质量的基础上，可以推广应用。

[1]贾军刚.湿法脱硫后单筒钢筋混凝土烟囱防腐浅析[C]//中国电力规划设计协会土水技术交流会论文集，2017.

[2]天华化工机械及自动化研究设计院.腐蚀与防护手册：第1卷[M].2版.北京：化学工业出版社，2008.

[3]烟囱设计规范：GB 50051—2013[S].

[4]国家烟囱设计规范组.山西院燃煤电厂湿烟囱运行调研报告[R].北京：国家烟囱设计规范组，2015.

[5]科技鉴定2017第[02]号.中国电力规划设计协会科学技术成果鉴定证书[Z].