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烟囱防腐方案分析与对比

浅谈钢筋混凝土烟囱新建施工质量控制要点

火力发电厂燃煤烟气中存在一定量的SO3, 会显著降低烟气的酸露点, 由于湿法脱硫后烟温低于酸露点, 烟气中的SO3与水蒸汽形成硫酸蒸汽, 会凝结下来, 造成混凝土烟囱的低温腐蚀。烟囱的安全对电厂的安全运行至关重要, 鉴于国家环保的要求, 对燃煤锅炉产生的二氧化硫、氮氧化物排放标准的限定, 国内大多电厂脱硫方法, 采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺。脱硫后的烟气为饱和湿烟气, 烟温低, 湿度大, 烟囱脱硫湿烟气的腐蚀性介质的烟气压力和湿度作用下, 结露形成的冷凝物具有很强的腐蚀性, 对烟囱内侧结构材料产生腐蚀, 影响结构耐久性, 为适应脱硫湿烟气的使用条件, 必须对烟囱内壁进行防腐处理。

1 湿法脱硫烟气对烟囱的腐蚀性分析

1.1 烟气成分变化对烟囱的影响

脱硫烟气具有很强的腐蚀性, 烟气中的氯离子遇到水蒸气形成氯酸, 当氯酸达到露点温度时, 会对烟囱内部表面产生严重的腐蚀。同时, 烟气经脱硫后, 虽然SO2含量大大减少, 由于经湿法脱硫烟气湿度增加, 温度降低, 极易在烟囱内壁结露, 烟气中残余的SO3溶解后, 形成腐蚀性很强的稀硫酸溶液, 这样, 烟气中的SO2含量降低, 但对烟囱具有腐蚀性的物质总量增多了。

1.2 烟气压力变化对烟囱的影响

当烟气不经过脱硫系统时, 在烟气内基本是负压运行;当烟气经过脱硫系统时, 烟囱的进口温度大大降低, 导致烟气密度增大, 烟囱的自抽吸能力降低, 这样会使烟囱压力分布改变, 正压区扩大;烟气正压运行时, 易对烟囱内壁产生渗透压力, 加快了烟囱的腐蚀。


1.3 烟气温度变化对烟囱的影响

烟气经过脱硫系统后, 烟气中的SO2、SO3等酸性气体大量减少;烟气经过脱硫系统后, 排烟温度下降, 而烟囱内壁温度明显下降, 此时烟气处于湿饱和状态, 易冷凝结露, 并在潮湿环境下产生腐蚀性的液态物质, 液体沿内壁流下, 造成烟囱内壁腐蚀。

2 烟囱防腐技术方案分析

鉴于我公司采用炉外湿法脱硫, 脱硫采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺, 此工艺产生的腐蚀性物质对烟囱腐蚀的影响, 下面就几种烟囱防腐方案进行逐一比较分析。

2.1 几种可选方案

2.1.1 采用金属材料钛采用合金结构, 合金不像橡胶和树脂衬层对温度敏感, 合金在非正常工况下不易损坏, 合金结构表面的清理、除垢比涂层容易许多, 也不用担心会损坏涂层。对合金表面维修和检查比较容易, 维修时只需要合格的焊工就可以进行修复工作。合金性能变化小, 合金材料验收、施工检查比较简单易行。

钛的耐腐蚀性能则归功于在金属表面形成的二氧化钛膜, 这种二氧化钛膜的特性与镍基合金形成的钝化膜的特性是不同的;钛具有优异的耐氯化物腐蚀性能, 特别在氧化性腐蚀环境中, 钛尤其具有耐腐蚀性。

目前国内新建电厂烟囱大多采用钛钢复合板, 整体造价偏高, 施工工艺比较复杂, 其内衬钛板仅为1.2mm~1.5mm, 复合钛板最薄处仅为1mm, 防腐使用寿命相对较短。采用在筒内直接衬贴钛板为1.5mm或2mm, 钛板与复合板网架焊接, 施工工艺简便, 防腐使用寿命长, 可达复合钛板寿命的1.3~2倍, 但价格昂贵。

2.1.2 采用杂化聚合结构层杂化聚合材料具有环状立体有机-无机杂化分子结构, 耐高温达200℃, 分子结构不含有薄弱基团, 具有抗强腐蚀和高柔韧性的双重功能。分子链有机相补充无机相的刚性, 无机相提高有机相的耐腐蚀和耐高温, 增加相以高韧性、高承载力, 提高力学性能。因此, 杂化聚合结构层材料具有耐强化学腐蚀、耐高热冲击和抗温度、高耐磨损、抗力学破坏能力强等适合脱硫烟囱防腐特点。

杂化聚合材料具有高耐腐蚀性、耐温性, 柔韧性好, 且完全适用于脱硫工况 (湿烟气、50℃或更低) 和非脱硫工况 (干烟气、160℃) 交替运行条件;防腐层在烟囱长期运行的160℃左右工作温度环境下膨胀可逆并能够保持尺寸较稳定。能够适应干湿交替、高低温度变化;产品固化后具有比较高的韧性和强度, 杂化聚合材料可满足湿法脱硫对烟囱造成的腐蚀。

杂化聚合材料施工造价低廉, 工期短, 工艺简单, 施工简单, 量化可控, 不增加烟气流速, 材料比重低, 不增加烟囱荷载, 防腐层厚度为2mm。

2.1.3 采用宾高德系统防腐采用宾高德防腐砖做为内衬, 由于宾高德内衬系统对酸液具有良好的吸附性, 烟气流速对于宾高德内衬系统来说要解决“烟囱雨”、“石膏雨”比较可行的;当烟气量达到设计值, 如果对烟气场进行模拟研究, 将顶部50m以下低流速区域的“二次夹带”问题解决好, 由于高流速区占整个烟囱的1/4, 且集中在烟囱顶部气流稳定区域, “二次夹带”进入烟气中的大液滴均靠近烟囱内壁, 并在此处加装收集液槽, 收集烟囱内壁形成的液滴, 收集起来的液滴顺导液槽排出, 这样, 即使形成“烟囱雨”、“石膏雨”也不易被外排, 造成环境污染。由于宾高德内衬具有良好的均匀隔热功能, 冷凝量相对较少, 夹带液滴也不会太多。

2.2 可选方案比较

根据以上3种可选方案的技术分析, 对采用金属钛方案、采用杂化聚合结构方案存在的问题以及采用宾高德内衬防腐方案的优点作如下比较:

2.2.1 采用金属钛方案钛钢复合板内筒方案, 首先将烟囱内衬和积灰平台拆除, 然后再烟囱内壁上设置止晃装置, 采用顶升立式树立钛钢复合板内筒。

为了防止形成“烟雨”、“石膏雨”, 必须降低烟气流速, 这样树立的钛钢复合板内筒直径尽可能放大, 由于顶口50m区域外筒直径为7.8m, 即使将牛腿取掉, 考虑到保温、止晃装置和外筒尺寸的误差, 钛钢复合板内筒内径只能做到7.3m, 对应的烟气流速提高, 比原设计值增大。根据分析, 此方案存在的问题如下: (1) 烟气流速过高当烟气流速大于设计值时, 对于湿法脱硫烟囱来说是不可接受的, 在此流速下, 烟筒壁面的凝结酸液全部夹带, 形成严重的“烟囱雨”; (2) 外保温存在的问题由于树立内筒后, 顶部70m区域均不具备检查、检修的条件, 原因是钛钢外筒壁与烟囱内壁之间的距离极小, 无法进行施工。随着长周期的运行, 保温层因钛筒渗漏、雨水或其他原因导致隔热功能不佳需要更换时是无法进行的, 失效的保温将导致严重的壁面冷凝液的产生, 加上烟气流速高, 必然加重“烟囱雨”问题。

烟囱安装时保温需要同步施工, 在顶升过程中, 由于止晃装置或其他原因, 保温层的破损在所难免, 这也就大大降低保温层的隔热功能, 在加上气候条件、烟气的流速等因素加剧了“烟囱雨”的形成问题。

2.2.2 采用杂化聚合结构方案采用杂化聚合结构层方案对烟囱防腐, 首先将烟囱内的积灰清除干净, 并对烟囱内的缺失部分进行填充, 高出部分找平, 然后进行喷砂, 进行底涂层, 烟囱内壁的缺陷处理完成后, 进行喷涂杂化聚合结构层;该材料完工厚度为2mm, 对烟囱内径及烟气流速几乎没有发生变化, 减少了“烟囱雨”的产生。该方案存在的问题: (1) 保温存在的问题此次湿法脱硫改造, 烟囱的防腐是在原有基础上进行的, 烟囱的保温是关键的;因杂化聚合结构层的厚度为2mm, 烟气的热量很容易由防腐层传导至烟囱内壁, 并通过筒壁向外扩散, 造成烟气温度下降, 使冷凝酸液大量析出, 加装保温层, 可有效改善烟气温度, 但保温层在原有烟囱内壁进行安装, 对保温安装及后续杂化聚合结构层喷涂无很好的质量保证, 容易脱落, 造成防腐效果不佳; (2) 基体处理的问题:在防腐施工中, 烟囱内壁基体处理不彻底、底涂层留有死角、防腐层不密实等质量通病危害严重, 往往哪个地方有死角, 那个地方就发生腐蚀;往往整体施工质量良好, 但仍然因为某一点的疏漏而功亏一篑, 发生腐蚀;在80m牛腿处施工会造成不严密, 腐蚀基体;漏液一经发现, 必须停炉处理;而本次防腐的烟囱是两台炉共用一根烟囱, 这样造成大量的经济损失; (3) 基体的质量问题:本次烟囱防腐改造, 因烟囱已运行了几年, 烟囱内壁-基体强度不能保证, 一旦有疏松、粉化等不牢固现象, 杂化聚合结构层很容易脱落、开裂, 造成腐蚀性物质外渗, 腐蚀烟囱内壁。使用杂化聚合结构层防腐, 烟囱基体的质量是关键的。

针对我公司的烟囱防腐改造, 重点介绍一下宾高德内衬防腐方案。

2.2.3 采用宾高德内衬防腐方案采用宾高德内衬防腐方案, 针对我公司烟囱来说, 高度为210m, 拆除80m以上部位的浇注料以及23m以下的耐酸砖内衬, 拆除后烟囱自筒体只有80m一处变形缝, 其余部位无伸缩缝。由于80m部位为烟囱结构变化部位, 液滴在此部位易被烟气二次夹带出烟囱, 因此在80m处配套安装酸液收集槽, 收集到的酸液由此处导液装置排出烟囱, 从而解决“烟囱雨”或“石膏雨”的现象。

采用宾高德防腐, 烟囱进口段及出口段考虑烟气冲刷加涂一层宾高德胶黏剂, 烟囱底部考虑抗压在宾高德系统表面加做保护层, 其他部位以宾高德胶黏剂帖衬宾高德砖, 最后表面采用宾高德胶黏剂刮涂一层作为抗冲刷措施。拆除80m以上部位浇注料内衬, 在80m牛腿平台上砌筑坚实的砖体, 并安装酸液收集槽, 用宾高德系统保护;80m处砖砌内筒和砌筑砖体, 连接采用特别角钢固定特制蒙皮后用宾高德系统整体密封的方案, 整个变形缝部位处理后为全封闭结构同时保有伸缩余量。

宾高德系统防腐最基本的结构包含3个部分, 底涂层、3mm厚度的胶黏剂层、38mm厚度的宾高德砖。

底涂层:提供同胶黏剂与基材的强力接着, 对于混凝土底层可以增强基底接着力。

胶黏剂:胶黏剂的作用是防腐, 形成连续整体的防腐层, 它具有耐烟气环境腐蚀特性, 并能够提供大于砖的强度, 同砖的粘结力长期使用后亦大于砖的强度。其特点是高弹性耐老化, 可有效缓解由于运行工况变化产生的应力, 保障防腐系统的完整性。

宾高德:砖的特性是轻质隔热, 能够耐烟气环境腐蚀、耐温变冲击, 同时保护胶黏剂, 保证砖背的胶黏剂工作在93度以下。


采用宾高德系统防腐具有以下优点: (1) 降低烟气流速:采用宾高德系统, 80m以下施工完毕烟囱直径为12m, 对应的烟气流速很低 (9.5m/s) , 而标高145m以下区域均能满足烟气的流速 (湿烟囱导则18.3m/s) , 由于底部区域是烟气最不稳定区域, 也是夹带问题最为严重的区域, 低流速对于解决“烟囱雨”问题非常有利; (2) 隔热功能:宾高德内衬本身具有防腐和隔热功能, 由于宾高德内衬是贴衬在烟囱内壁, 所有地方的隔热性能均匀, 不存在冷点问题, 这对于降低“烟囱雨”问题也是有利的; (3) 内衬特性有利于“烟囱雨”问题的解决:宾高德内衬由于自身对酸液具有很好的亲水性, 酸液很容易附着在烟囱壁面而不至于被烟气卷带, 因而宾高德内衬系统比钛钢复合板可以容忍更高的烟气流速。宾高德系统具有同各种材料结合良好的特性, 因而较其他防腐形式宾高德内衬上更容易设置收集槽等“烟囱雨”处理部件, 且封闭良好。

烟囱的安全对电厂的安全运行至关重要, 对上述3种方案进行了探讨, 首先从电厂的烟囱设计以及运行参数特性进行对比分析, 选择最优方案, 对烟囱进行防腐。

以上论述中可以得出如下结论, 方案宾高德内衬系统和方案杂化聚合结构层均适合我公司的湿烟囱防腐改造要求, 施工方便, 使用寿命较长且技术上可行。其中宾高德系统防腐一次性投资费用是杂化聚合结构层的1.5倍左右, 但比采用钛合金板要省得多;从经济角度考虑两者均是合理的, 但通过对我公司旧烟囱改造防腐分析, 采用宾高德系统防腐优于杂化聚合结构层, 因杂化聚合结构层一旦开裂、脱落, 就会造成烟囱的腐蚀, 特别是在北方冬季施工, 更难保证质量;因此, 选用宾高德系统比杂化聚合结构层优先。

我公司2×300MW机组的锅炉采用单汽包自然循环, 单炉膛一次中间再热循环硫化床锅炉。两台机组分别于2011年9月、11月相继投入运行, 现脱硫方式为干式炉内脱硫;我公司决定采用炉外湿法脱硫, 石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺。我公司2×300MW机组共用一根烟囱, 高度为210m, 筒体外径8.4m, 筒体混凝土厚为250mm, 内衬耐酸浇注料为200mm, 出口内经为7.5m;下部直筒直径为12.1m, 高度为80m, 总内表面积约为7100m2。

我公司脱硫改造, 采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺, 脱硫后产生的腐蚀性物质以及“烟囱雨”、“石膏雨”, 对烟囱造成腐蚀, 需进行烟囱防腐改造;经组织有关专家论证, 对上述三种防腐方案进行论证比较, 专家们一致认为宾高德系统防腐对我公司烟囱防腐来说比较可行的。通过宾高德系统防腐符合对烟气流速的要求, 即使产生“烟囱雨”、“石膏雨”, 能有效对其收集, 保护了环境, 也符合国家环保政策。


 
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