湿烟囱设计方案建议.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：夏玉荣（1984），女，新疆乌鲁木齐人，汉族，大学本科，中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，副高级工程师，研究方向为工业建筑结构方向，擅长发电厂内主厂房结构设计及输煤系统结构设计。-140-湿烟囱设计方案建议 夏玉荣 中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000 摘要：摘要：烟囱长期处于脱硫工况（湿烟气，45-50）和非脱硫工况（干烟气，145）交替运行的状态，烟囱排烟的工况异常复杂，潮湿低温高腐蚀性的烟气排入烟囱内，烟筒内的烟气处于液相和气相相混合的状态，对筒壁同时具有液相的水滴流淌作用和气相的冲刷作用，这使得排烟筒的防腐设计变得非常复杂。针对以上种种问题，本文对湿烟囱的设计方案和防腐改造给出了一些建议和意见。关键词：关键词：湿法脱硫（不设 GGH）；湿烟囱设计方案；湿烟囱改造方案 中图分类号：中图分类号：TB2 1 燃煤发电机组湿烟囱方案 1.1 燃煤发电机组烟囱的分类 表 1 燃煤发电机组烟囱分类表 燃煤发电机组烟囱 湿法脱硫烟囱 干法脱硫或不脱硫烟囱 烟气温度120 不设 GGH，烟气温度在 4555 烟气湿度95%加 GGH，烟气温度80 湿烟囱 半湿烟囱 干烟囱 对于不设 GGH 装置的 FGD 系统，潮湿低温高腐蚀性的烟气排入烟囱内，烟筒内的烟气处于液相和气相混合的状态，这种混合烟气对筒壁同时具有液相的水滴流淌作用和气相的冲刷作用，能满足这种工况的烟囱我们通常称为湿烟囱。在这种工况下，排烟筒内的防腐设计就变得格外的困难和重要。1.2“烟塔合一”技术的适应范围 表 2 湿烟囱方案 湿法脱硫(不加 GGH)燃煤发电机组 直流循环冷却机组 空气冷却机组 二次循环冷却机组 湿烟囱方案 烟塔合一方案 湿烟囱方案 1.3 目前湿烟囱采用的结构方案 1.3.1 单筒烟囱结构方案 单筒烟囱构造型式主要分为：改进型锥形烟囱及部分套筒全负压烟囱两种。改进型锥形烟囱的构造特点：传统方式的锥形烟囱，内衬和钢筋混凝土外筒之间除隔热层外，再增加二层玻璃钢隔气层，工程实例：唐山发电总厂(2300MW)240m 单筒烟囱；部分套筒全负压烟囱的构造特点：钢筋混凝土外筒，90 米以下为独立的钢筋混凝土锥形内筒，与外筒完全脱开，90 米以上为等直径单筒结构，内衬和隔热层做法同传统锥形烟囱，工程实例：神头二电厂 1#(2500MW)270m 部分套筒全负压烟囱、王滩发电厂(2600MW)210m 部分套筒全负压烟囱。1.3.2 套筒烟囱和多管式烟囱结构方案 套筒烟囱及多管式烟囱的排烟筒构造型式主要分为：耐酸钢内筒烟囱、钛合金复合钢板内筒烟囱、玻璃钢内筒烟囱、砌筑釉面砖或轻质泡沫陶瓷砖内筒烟囱、整体浇注耐酸混凝土内筒烟囱等。其中，耐酸钢内筒烟囱防腐可用内贴耐酸贴块（片）类及内贴耐酸混凝土防腐层两种方法，内贴耐酸贴块（片）类内筒烟囱的构造特点：外筒为钢混凝土锥形结构，内筒为等直径耐酸钢板自立式内筒；内、外筒完全脱开，排烟筒内表面贴 5cm 厚泡沫玻璃砖、泡沫玻化砖或宾高德防腐系统，粘贴胶料厚度在 3mm 左右，工程实例：江苏利港电厂(2600MW)240 米耐酸钢内筒烟囱，山西霍州二电厂(2300MW)210 米耐酸钢内筒烟囱。内贴耐酸混凝土防腐层内筒烟囱的构造特点：外筒为钢混凝土锥形结构，内筒为等直径耐酸钢自立式内筒，内、外筒完全脱开，排烟筒内表面喷 7cm 厚耐酸混凝土防腐层或喷涂 1.5mm 乙烯基脂玻鳞片树脂。钛合金复合钢板内筒烟囱的构造特点：外筒为钢混凝土锥形结构，内筒采用 1.2mm 钛合金复合钢板自立式内筒，工程实例：漳州后石电厂(3600MW)240 米钛合金复合钢板内 中国科技期刊数据库 工业 A 1钢筋混凝土外筒；2钢内筒；3-水平烟道；4-止晃平台；5-承重平台；6-悬挂点；7-伸缩缝。(c)下部自立上部隔节分段悬挂7653421123567(b)全悬挂式内筒方案(a)整体自立式方案3421内筒方案（下立上挂）图 1 湿烟囱采用的结构图 筒烟囱、江苏镇江高支电厂(2600MW)240 米钛合金复合钢板内筒烟囱、国华黄骅发电厂(2600MW)210 米钛合金复合钢板内筒烟囱。玻璃钢内筒烟囱的构造特点：外筒为钢筋混凝土锥形结构，内筒分段支承或悬吊在外筒的平台上，国内电力行业唯一的一次应用实例是华能山东莱芜电厂项目，但因该工程玻璃钢防腐内筒在施工过程中不慎发生火灾，导致 4 人当场死亡，故该工程也被叫停，事故发生后，专家组进行调研发现：该类防腐烟囱在美国电厂的施工建设过程中同样发生过 3 起火灾安全事故。据了解，该类烟囱内筒既存在耐高温缺陷，又存在耐久性方面的疑点，而且在施工中存在火灾隐患，因此，目前国内电力行业尚未有该类烟囱运行的先例。砌筑釉面砖或轻质泡沫陶瓷砖内筒烟囱的构造特点：外筒为钢凝土锥形结构，内筒分段(每段约 24 米)支承在外筒的钢筋混凝土平台上，内筒采用 18cm 厚釉面砖砌筑，工程实例：神头二电厂(2500MW)270 米砌筑釉面砖烟囱、湖南湘潭和金竹山电厂砌泡沫陶瓷砖套筒烟囱。整体浇注耐酸混凝土内筒烟囱的构造特点：外筒为钢筋混凝土锥形结构，内筒分段支承在外筒的平台上，内筒采用耐酸混凝土整体滑模浇注。1.4 国、内外湿烟囱方案的选用情况 根据资料查询，美国燃煤发电厂湿法脱硫(不加GGH)的烟囱方案被提出的初期，釉面耐酸砖或加硼矽防腐涂料砌筑的湿烟筒方案被广泛推荐。从美国 VGB power Tech 3/2004 发表的“湿烟囱应用”一文中的统计可以看出，釉面耐酸砖或加硼矽防腐涂料砌筑的排烟筒数量达到了60%；合金钢或不锈钢排烟筒占了25%，并且该类烟囱大部分应用在地震地区；而玻璃钢烟筒仅占了 10%，通常还是用于烟气温度不高的情况。为此，我国燃煤发电厂湿法脱硫(不加 GGH)的湿烟囱刚被推出的初期，也延用了釉面耐酸砖的方案。自 2004 年起我国陆续有一批（不加 GGH）的湿烟囱建成投运，由于有旁路混排，湿烟囱内冷凝酸水的现象并不严重，冷凝腐蚀现象并未凸显出来，腐蚀问题也没能引起广泛关注。直到 2007 年我国新一批湿烟囱按无旁路方案全脱硫建成投运，这种工艺流程导致排烟筒内冷凝现象严重，冷凝酸液量较大，对于一台600MW 的机组来说，冷凝酸液就可达 34（t/h），pH值在 2.03.0 之间，随着时间的推移，很多湿烟囱出现了严重的腐蚀问题，在灰斗平台及烟道与烟囱接口处渗漏现象严重，有的旧烟囱甚至在上部支撑砌筑内衬的牛腿附近也有渗漏的痕迹。经过大量的工程实践表明，湿烟囱防腐设计方案的选择对烟囱防腐来说至141中国科技期刊数据库 工业 A 关重要。2 湿烟囱防腐设计方案的建议（1）为了提高机组投运率，对于 600MW 以上机组宜每台炉对应一个排烟筒，建造多管烟囱。在防腐设计确有把握时，可两台炉共用一个排烟筒，建造套筒或多管烟囱。（2）“部分套管式单筒烟囱”,该类烟囱尽管在内衬的构造上增加了隔气和隔水层，但在材料和施工方面还存在很大的风险，如托克托、潮州等电厂的烟囱均出现了不同程度的渗漏现象，这种方案还需要进一步研究、改进。故建议“部分套管式单筒烟囱”不宜做为湿烟囱的设计方案。图 2 内蒙托克托电厂 240 米烟囱渗漏（3）湿烟囱的排烟筒可采用钛合金复合钢板内筒，也可采用整体浇筑的耐酸混凝土内筒方案。经过工程实践：钛合金复合钢板内筒烟囱方案运行情况基本稳定，除个别铆钉或焊缝连接部位出现过点蚀现象外，其它部位未出现较明显的质量事故。采用整体浇筑的耐酸混凝土内筒方案，此方案是在混凝土、砂浆等建筑材料中添加一定的耐酸腐蚀及抗渗添加剂等成份作为抗渗防腐材料。从对建筑材料的认识进行分析，在进行大规模浇注的过程中，其内部的裂缝缺陷在所难免，不建议采用。（4）不少电厂延用了湘潭和金竹山电厂砌筑泡沫陶瓷砖排烟内筒的方案，从经济指标和防渗漏方面来看，出现的问题并不多，建议该方案可以继续延用，但是砌筑材料应该控制钾玻璃耐酸胶泥质量。为了更可靠一些，在砌筑内筒的内侧再抹一层耐酸胶泥，费用增加不多，但是可靠性更好一些。要特别注意的是正压运行时对烟囱内筒密闭性的要求更高，否则时间长了也会出现向外渗漏的现象，同时要注意，有时烟囱顶部腐蚀特别严重的问题。图 3 山西神头二电厂 2#烟囱砖内筒顶部腐蚀情况 图 4 山西神头二电厂 2#烟囱砖内筒支撑平台上、下部腐蚀情况（5）湿烟囱钢内筒目前反映的问题比较复杂一些。首先是选用耐酸钢板还是普通钢板的问题，通常推荐选用耐酸钢板作为第二道防线，会更稳妥一些。钢板的防腐可采用粘贴国产泡沫玻璃砖、泡沫玻化砖或宾高德防腐系统等。但是实践证明，粘贴材料的选用非常重要，粘贴材料按品质高低分为：进口材料和国产材料，进口材料主要指宾高德防腐系统，国产材142中国科技期刊数据库 工业 A 料有国产泡沫玻璃砖、泡沫玻化砖等。检查利港电厂(2600MW)5#、6#机烟囱时发现，除烟囱与内烟道接口处受烟气直接冲刷部位局部有磨损现象外，并未出现渗漏、腐蚀等质量问题。原因是该烟囱采用的是宾高德进口泡沫玻璃砖，严格按照标准规范施工管理。而国产泡沫玻璃砖、泡沫玻化砖质量良莠不齐，不但产品实际质量性能普遍低于进口宾高德泡沫玻璃砖，而且施工质量得不到有效控制，这样一来，渗漏、腐蚀等质量问题频出：华能河北上安电厂（2350MW）机组烟囱，采用单筒内贴国产泡沫玻璃砖防腐方案，运行半年即发生内衬脱落的情况，继而外筒受到酸液侵蚀，严重损害了结构的安全性，只能将外筒 120 米以上腐蚀严重的部分拆除重建；上海石洞口电厂（2600MW）机组烟囱，采用双管钢内筒烟囱内贴国产发泡玻璃砖防腐方案，2008 年年中烟囱脱硫改造投运，运行半年后检查发现腐蚀渗漏，状况较严重；山西漳山发电厂（2600MW）机组烟囱，采用双管钢内筒烟囱内贴国产发泡玻璃砖防腐方案，2008 年 4 月投运至今，烟囱钢内筒内侧大面积腐蚀变薄，其外侧穿透性腐蚀孔洞达 100 余处，不仅结构安全性难以保证，而且维修困难，停机造成的间接经济损失更是难以估量，除此之外部分烟囱甚至出现泡沫玻璃砖被成片冲刷掉（九江和石洞口等电厂），或泡沫玻璃砖脱落从烟囱顶部飞出的情况（山西兆光电厂）。通过对比发现：宾高德防腐系统性能较稳定，而国产泡沫玻璃砖、泡沫玻化砖防腐烟囱则质量事故频发。究其原因，进口宾高德泡沫玻璃砖从产品性能到施工质量都严格遵循美国企业标准，在严格执行标准的情况下，几乎没有渗漏、腐蚀等质量问题；而国产泡沫玻璃砖、泡沫玻化砖等，除贴结料本身外，施工质量也存在不同程度的问题，故泡沫砖和贴结料(胶)方面，需提高国产材料的性能和质量。（6）西安天元化工和西安交大材料系推出的重防腐涂料，经防城港电厂和兆光电厂试验和考核，粘结力和防腐性能都比较好。在山西瑞光电厂(2300MW)分段悬挂式钢内筒烟囱工程中再次试用，效果也较好，这是钢排烟内筒防腐的一条出路。3 湿烟囱防腐改造方案的建议（1）大多数的工程采用重新粘贴硼化玻璃砖或玻化陶瓷砖的方案时，需清理旧砖内衬的表面，用砂浆或腻子找平，待干燥后再作防腐层施工。对于找平层的施工工艺，若采用干喷工艺，则旧砖内衬表面浮灰很难清除干净，这样非常影响防腐层的粘结力；若采用湿喷工艺的话，又很难在短时间内使其干燥；若采用粘结胶工艺，目前粘结胶只有承包商自报的性能指标，国内还没有统一、明确的取样和检验方法，因此无法判断承包商提供的粘结力和抗腐蚀能力的真伪，更难确定它们的耐久性，这些都是摆在我们面前需要解决的问题。对于粘贴料硼化玻璃砖或玻化陶瓷砖，若采用强度在 1.4MP 以下的泡沫玻璃砖，其耐烟气冲刷能力极差；若采用落后窑生产(长度40m，膨化玻璃以废旧玻璃为主)的泡沫玻璃砖，由于出窑的砖块四周与中心部位强度相差很大，同时在出厂后 1-2 个月内还有可能出现炸裂等现象，这种砖无法保证质量目标，同时在短时间内还很难发现存在的隐患。因此，当采用重新粘贴硼化玻璃砖或玻化陶瓷砖的方案时，一定要保证粘贴层的基底质量和砖及胶的到货质量。（2）目前也有不少工程采用在原砖内衬清理后再内抹耐酸胶泥的方案，通过工程实例验证：这种方案效果不错，而且价格较便宜，施工也方便。但是，这种方案对耐酸胶泥的要求很高：首先，耐酸胶泥固化后的吸水率要控制在 5%左右，据我所知，目前市场上只有很少的耐酸胶泥材料能达到这个标准；其次，需严格控制耐酸胶泥的涂抹厚度，涂抹厚度太薄容易开裂脱皮，达不到防腐、防渗漏的目的，涂抹厚度太厚又容易脱落。最后，须在防腐层中放置一定的钢丝网用以抗裂，防止防腐层出现裂缝和脱落的现象。（3）还有采用新增两层玻璃钢薄板实现防护的方案，先将第一层玻璃钢板用钛钉固定在清理后的基层上，再将第二层玻璃钢板用湿糊的方法贴在第一层玻璃钢板上，形成整体的防腐筒体。但应通过试验确定固定钉的分布间距，间距过大，则在烟气流动下会产生振动或脱落。（4）若是砖内筒烟囱，还可采用拆除原砖砌内筒，在钢筋砼外筒内壁从上到下，包括牛腿表面，重新做防腐层的方案。只要将内壁和牛腿表面的整体防腐层作好，保护好钢筋砼外筒不要接触冷凝酸液，这是一个非常可靠的方案。火力发电设备一般经济运行年限大约为 25 年，设备设计使用年限一般为 35 年。建筑结构设计使用年限50 年。烟囱是发电机组运行的最后一个环节，由于目143中国科技期刊数据库 工业 A 前环保标准的提高，烟囱逐渐被视为火力发电系统中的一个设备来对待。旧机组脱硫改造带来烟囱防腐改造问题，首先应明确改造后的机组还可能运行多少年，再加上很多运行的脱硫机组，烟气设有旁路，防腐涂层长期处在脱硫工况（湿烟气，45-50）和非脱硫工况（干烟气，145）交替运行的状态下，烟囱排烟的工况比较复杂。故烟囱不仅要能够保证在长期运行的145工作温度下膨胀可逆且保持良好的弹性；而且要能够承受短时间 180的高温（每次半小时，每年 3次）。以上因素共同决定了改造烟囱应具有的防腐标准和防腐设计寿命。参考文献 1周至详,段建中,薛建明.火力电厂湿法烟气脱硫技术手册M.北京:中国电力出版社出版,2006.2梦令海.湿法脱硫后烟囱流场 压力场以及温度场的数值模拟D.保定:华北电力大学,2011.3唐志勇.湿法脱硫后燃煤电站尾部装置腐蚀研究D.南京:东南大学,2006.4赵珊.湿法脱硫后钢烟囱防腐实验研究D.保定:华北电力大学,2010.144