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冶炼厂钢筋混凝土烟囱改造方案选定和实施

1 冶炼厂钢筋混凝土烟囱改造原因

环境集烟中的钢筋混凝土烟囱是冶炼厂环境监测的重要部位。一个冶炼厂中包括熔炼厂闪速炉、转炉、阳极炉、包子涂层场等30多个排烟点的烟气会进入环境集烟系统, 经脱硫达标后通过120 m高烟囱排放 (图1) 。但随着国家对环保要求的提高, 原有活性焦脱硫装置无法满足新标准, 需要对环境集烟减排改造升级。升级办法一般是在原有活性焦脱硫装置之后另外增加烟气高效洗涤装置, 以保证尾气脱硫烟气满足排放标准。

烟气洗涤装置安装前烟囱的内壁面温度范围为131.4~133.6℃, 明显高于安装前的烟气酸露点110℃左右, 故烟气不会在烟囱内壁面结酸露, 且在负压区不会出现酸腐蚀问题。烟气洗涤装置安装后, 由于烟气温度的降低, 烟囱内壁面温度明显降低, 温度仅为70℃左右, 恰恰处于烟气洗涤装置安装后的酸露点温度范围内 (70.5~90℃) , 因此在烟囱内壁面会出现结酸露的现象[1]。另一方面, 改造后烟囱内的烟气条件从干烟气变成湿烟气, 湿烟气腐蚀介质状态发生重大改变。而原环境集烟钢筋混凝土烟囱防腐措施仅为内衬的120 mm厚耐酸砖, 无法满足要求, 对烟囱安全有极大影响[2]。因此, 综合上述原因需要对原烟囱内壁进行防腐改造。

图1 环境集烟钢筋混凝土烟囱

图1 环境集烟钢筋混凝土烟囱   下载原图

 

2 烟囱改造方案要求

为减少烟囱改造对正常生产的影响和确保改造方案符合建设流程, 对烟囱防腐改造方案提出以下要求:1) 为不影响生产和降低成本, 本次120 m环集烟囱防腐蚀改造在生产系统停产年度大修期间进行, 要求在15 d内完成所有改造工作。2) 为保证改造前后的职责划分明确, 承包方负责对原烟囱结构和内衬进行鉴定, 如检查烟囱内衬砖牢固程度, 是否有脱落;耐酸砂浆是否饱满, 是否有较大缝隙;现有烟囱钢筋混凝土自身的完好程度和强度[3]。3) 根据原有图纸, 编制详细的施工组织设计, 包含专项方案、安全措施、施工进度计划等。

3 烟囱改造方案介绍

通过对现有钢筋混凝土烟囱改造的资料收集, 主要钢筋混凝土烟囱改造方案主要有以下几种:1) 增设内筒型, 如内设玻璃钢内筒;2) 增设刚性防腐层型, 如采用钛板;3) 增设柔性防腐层型, 如采用玻璃鳞片树脂或者其他涂料的。由于钛板成本太高, 再招标时就没有考虑在内。以下是对玻璃钢烟囱方案、聚合物硅酸盐防腐蚀体系方案和玻璃鳞片树脂方案的介绍和比较[4]。

3.1 玻璃钢内筒方案

3.1.1 玻璃钢内筒设计

1) 材料选择。根据系统运行的特点, 由于尾气经过洗涤后进入玻璃钢内筒, 经处理的烟气中水蒸气含量较高, 在由内筒向外排出时, 达到一定高度后, 就会出现露点, 而形成具有一定腐蚀性的液滴附着在内筒的内壁, 对内筒造成了露点腐蚀, 因此在树脂选择方面要考虑湿态下能够耐酸性腐蚀和附着腐蚀[5]。玻璃钢材料是一种高分子复合材料, 其中基体材料为高分子材料, 增强材料为玻璃纤维, 在设计工况条件内使用, 其材料的降解周期非常长, 一般在100年以上。

2) 玻璃钢内筒的安装。考虑到烟囱的高度很高, 因此玻璃钢内筒本身要具有较强的轴向压缩强度和轴向弯曲强度, 设计上要充分考虑各段内筒的连接强度和密封性能, 并且要对内筒的结构强度上增强, 在玻璃钢内内筒的与原有钢筋混凝土烟囱直接设置钢结构托架。

3) 钢结构托架。对于玻璃钢内内筒的托架, 经过合理的计算和设计, 托架的主材选用Q345角钢或圆管, 辅材选用Q235角钢, 采用螺栓连接组装。

3.1.2 玻璃钢内筒的优点

1) 耐腐蚀性能优良。传统材质的烟囱耐腐蚀性能较差, 尤其是经过洗涤的和处理的尾气, 对烟囱的腐蚀更严重, 因此具有良好的耐腐蚀性对于烟囱的使用非常重要。玻璃钢材料是高分子复合材料, 对于大多数酸、碱、盐都能耐, 并且可以在酸碱交替的情况下长期使用, 同时能够耐高温。

2) 安装快捷。玻璃钢材料密度小, 质量轻, 因此安装非常方便, 并且玻璃钢烟囱不存在做内防腐处理的问题, 因此避免了二次施工, 施工难度更是大大降低。

3) 维护费用低、使用寿命长。玻璃钢材质结构层与内防腐层是一次成型, 内表面不需要再进行防腐, 也不用进行维护。耐腐蚀性好, 施工完成维护量少, 烟气密闭性强, 不会出现气体泄漏的风险。

4) 保温效果好, 烟囱积水量小。玻璃钢材质的导热性很低, 从而降低烟气在经过烟囱上升过程中水蒸气的凝结, 减少烟囱的积水量。

3.1.3 玻璃钢内筒的缺点

1) 对于改造项目, 施工周期长。在生产时期, 停产1 h的损失约30万元, 烟囱改造必须在大修15 d内完成。而玻璃钢内筒需要吊装或者顶升, 都需要有支托刚架和检修平台, 烟囱内的空间有限, 出口直径4.5 m, 底部直接11 m, 很多工种同时作业, 工期无法保证。

2) 加设的钢平台会改变原有的环境监测点, 重新办理环保手续的周期长。

3) 施工费用高。无论是吊装或者顶升, 完成120 m高空作用, 玻璃钢内筒本体的吊装还是钢平台的吊装都需要有较高的塔吊。吊装设备安装和拆除费用高。

3.2 固斯特聚合物硅酸盐防腐蚀体系方案

烟气通道内的腐蚀液体对耐酸胶泥、改性有机防腐蚀材料、聚脲等材料不构成破坏性威胁。经考察烟囱防腐体系被破坏的情况, 发现主要现象是涂层鼓包、开裂、脱落、粉化。与其它工况条件下的防腐蚀相比较, 烟气通道的运行工况对防腐体系可靠性的最大考验是作用在防腐蚀层上的温度急剧变化。当温度急剧甚至剧烈变化时, 有些产品的防腐层与基面的粘结强度急速下降, 导致涂层片状脱落;有些产品的防腐层内部的化学键结合力被破坏, 导致裂缝受运行状况影响脱落;有些产品的防腐层从表向里碳化而成为粉末, 失去防腐效用。

3.2.1 材料选择

物理结构上, 固斯特PSM聚合物硅酸盐防腐蚀体系由底涂和面涂构成。

1) 底涂:3组分的固斯特PSM聚合物硅酸盐重防腐砂浆。固斯特PSM聚合物硅酸盐重防腐砂浆是一种由特殊的无机矿物粉末、液态硅酸盐及聚合物液料3个组分共同构成的重防腐砂浆。作为重防腐砂浆, 产品中3个组分所占比重极其严格, 各自依次所占比例为24、5.5及1.25。为避免施工时的错误配比操作, 而导致材料的防腐蚀功能失效, 固斯特在产品出厂时已将各组分按上述比例包装, 施工时, 只需将3个组分按操作规程均匀搅拌即可。

2) 面涂:单组分的固斯特Polysil BG2S+聚合物硅酸盐防腐防腐蚀材料。固斯特Polysil BG2S+聚合物硅酸盐防腐防腐蚀材料是以聚合物和硅酸盐为主要成分的透明稀液态产品, 密度为1.1 g/cm。除了材料本身的抗腐蚀特性外, 涂刷于矿物质材料表面上, 可显著减小结构中的毛细孔, 有效阻止潮气及腐蚀性液体向结构体的渗入;同时也密封了外部水通过结构向防腐层后面的侵入。Polysil BG2S+聚合物硅酸盐防腐防腐蚀材料能从面向里渗透大约2 cm, 通过与结构材料反应, 可有效提高被保护结构的抗压强度和结构的坚固性, 又能保证结构的原有透气性。

材料的选用根据不同部位采用不同的处理方法, 具体如下表1:

表1 材料选型和厚度    下载原表

表1 材料选型和厚度

3.2.2 施工工艺

1) 对基面的质量要求和处理措施: (1) 基面必须清洁干净、平整、坚实、无油污、无松动, 砖缝平整。 (2) 用Elcometer机械式附着力仪测试表面粘附力, 必须>1.5 MPa。 (3) PSM施工时, 基面必须彻底干燥。NBDI施工时;基面必须充分湿润。 (4) 烟囱基面采用高压水枪射流 (压力约为350 Pa) 清洗, 结合手工打磨将烟囱表面的松散颗粒、油污等清除干净。 (5) 对于烟囱基面上的不规则裂缝、砖缝、破损处, 先用高压水冲洗和人工打磨清理相结合的办法, 去除基面及缝隙处的灰尘、松疏砂浆等, 使得上面无灰、无油污且坚实无松动, 然后用固斯特SM BG防腐封堵砂浆将其填补抹平, 形成一个适合刮涂PSM的平整过渡面。修补后至少需24 h的自然养护。

2) 防腐体系的施工: (1) 基面必须干燥。 (2) 使用6 mm深的锯齿刮板, 刮涂施工。 (3) 施工时, 烟囱内壁及环温应>+5℃。 (4) 防腐体系应自然干燥, 各层的刮涂间隔不应超过24 h。涂层干燥过程中要保持环境清洁, 禁止其与灰尘、雨、雪、水接触及机械碰撞。

3.2.3 优点

固斯特聚合物硅酸盐防腐蚀体系的优点:1) 施工工艺简单。施工机具简单, 无需大型吊装设备, 适合于烟囱此类施工空间狭小的构筑物。2) 质保年限长。质量承诺保证期可达20年, 远高于国内的其它材料质保期。3) 施工工期容易保证。施工工艺简单, 容易保证在较短的时间内完成。

3.2.4 缺点

固斯特聚合物硅酸盐防腐蚀体系的缺点是工程造价高。由于材料为进口材料, 每平米造价 (含施工费用) 与玻璃钢烟囱造价接近。

3.3 玻璃鳞片树脂方案

3.3.1 材料选择

玻璃鳞片树脂防腐层就是将定量的、具有一定片径和厚度的玻璃鳞片分别与定量的聚酯、环氧、乙烯基等树脂, 按操作规程均匀混合, 经过严格的配制工艺, 配制成胶泥或涂料。在玻璃鳞片防腐涂料中, 扁平状鳞片在树脂中重叠平行排列象块块瓦片, 形成致密的防渗透层。所以玻璃鳞片涂料的抗水蒸汽渗透性比普通环氧涂料高5~15倍, 比环氧玻璃钢高4倍, 比橡胶衬里更好。

3.3.2 玻璃鳞片施工工艺

1) 基层的处理。处理后必须保证清洁干净, 平整, 坚实, 无油污, 无松动;砖缝平整。

2) 玻璃鳞片的配置。将专用固化剂加入到玻璃鳞片涂料中, 其配比为:胶泥:固化剂=1:1 (重量比) , 搅拌均匀, 熟化30 min即可涂刷。

3) 涂装。先VERSAMID125型环氧树脂底漆。底漆干燥后涂2道H-831玻璃鳞片涂料 (用泥抹子涂傅在斜板澄清器的内壁) , 每道间隔时间为10~24 h。漆膜自然干燥48 h后检验。

3.3.3 优点

玻璃鳞片防腐的优点:1) 受介质、气体、水蒸汽的渗入远小于普通的玻璃钢, 不容易产生介质扩散, 可有效地避免底蚀、分散、鼓泡、剥离等物理破坏。2) 硬化时收缩率小。由于玻璃鳞片分散了应力, 各接触面的残余应力小, 热膨胀系数也小, 故粘结强度不会因热胀而衰减, 热稳定性好。3) 施工性好。鳞片防腐可用喷涂、滚涂、刮涂等多种方法施工。整体性好, 且现场配料方便, 可室温固化及热固化。

3.3.4 缺点

玻璃鳞片防腐的缺点:1) 使用年限较短, 后期维护成本高。使用5 a左右就需要重新涂刷。2) 基层处理材料与涂层的黏合能力较难保证。

4 烟囱防腐改造方案的选定和实施

4.1 最终实施方案确定

根据烟囱改造方案招标的要求, 结合各个方案提出的总报价、质保周期、后期维护的难易程度和施工工期长短等方面, 最后选定采用方案二固斯特PSM聚合物硅酸盐防腐蚀体系来进行烟囱改造。

4.2 改造方案的实施

在改造方案实施过程中, 遇到以下几种情况:1) 烟囱内部伸出很多烟囱施工时留下的钢筋, 以及滑模时对拉螺栓的套管;2) 防腐砖破碎严重, 打磨困难。

根据以上实际情况, 将实施方案调整如下:1) 将原内衬防腐砖拆除, 利用钢筋混凝土烟囱的结构面作为防腐基层, 对其进行打磨和平整, 如图2。2) 受施工空间的限制, 采用可伸缩的直径Φ4.5 m圆形吊篮, 直径可调节范围4.5~7.5 m。

图2 钢筋混凝土烟囱内衬拆除后

图2 钢筋混凝土烟囱内衬拆除后   下载原图

 

本工程于2015年9月底在规定的15 d工期内完成, 并已投入正常使用。在使用的1年多内进行的观察, 无渗漏和涂层剥落等情况出现, 使用状况良好。

5 结语

钢筋混凝土烟囱的改造必须结合工程的实际情况进行方案选择, 并根据冶炼厂实际生产需要来确定。如在本工程中, 虽然玻璃钢烟囱最为可靠, 可其施工工期占用大量生产时间, 对全厂影响过大。在进行方案招标实地踏勘时, 还需要仔细察看。因为正常生产时, 大量的烟气导致对烟囱内部无法看清楚。可考虑采用更先进可靠的办法对需要改造的烟囱提前进行检测和目测。在工程开始后, 可根据现场的实际情况, 及时调整施工方案才能保证项目顺利进行和质量可靠。


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