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火电厂脱硫“湿烟囱”防腐蚀内衬结构设计

1 前言
随着国家环保标准对火力发电厂的烟气排放标准要求愈来愈高,在我国,烟气脱硫装置已广泛应用。但湿法脱硫不设烟气加热装置(GGH)尚处在探索阶段,烟气脱硫后烟囱腐蚀的调查和研究成果欠缺,经验较少。湿法脱硫后进入烟囱的烟气与不脱硫的烟气在工况上有显著差异,对烟囱的腐蚀大大增强。鉴于湿烟囱结构在电厂运行中的特殊作用,保证烟囱结构的安全、有效、长期、稳定运行,湿法脱硫烟囱的防腐处理至关重要。
2 脱硫湿烟囱烟气的特点和腐蚀性
由于湿法脱硫工艺的特点,其对烟气中的SO2脱除效率很高,但对烟气中造成腐蚀的主要成分SO3脱除效率并不高,约20%左右。脱硫处理后的烟气一般还含有氟化氢和氯化物等,它们是腐蚀强度高、渗透性强、且较难防范的低温高湿稀酸型物质。脱硫后烟气环境变得低温、高湿,烟气密度增加,烟囱自拔力减小,烟囱内的烟气压力升高,加重了烟气和含酸液水分向外筒壁方向的渗透。烟囱出口处流速降低,烟囱顶部容易发生烟流下洗,烟流下洗不仅会腐蚀烟囱的组件材料,而且减弱了烟气的扩散,影响周围环境。在低于0℃的气温下还会导致烟囱上口结冰。外烟囱的直径过大,会在其下风侧产生较大的低压区,因此,有多个内烟筒的烟囱发生烟流下洗的可能性较单烟筒烟囱更大。脱硫后的烟气温度降低,当系统不设置GGH时,烟气温度一般在40℃~50℃之间,水份含量高,湿度大,多处于饱和状态,在烟囱内壁会出现结露现象,使烟囱内壁长期处于浸泡状态,通常称在这种工作状态下的烟囱为湿烟囱。烟气温度低,烟囱内的烟气上抽力就降低,它影响着烟气的流速和烟气抬升高度及烟气扩散效果,这对排放的烟气满足环保要求(特别是氮氧化物NOX指标)带来不利的因素。湿烟囱的另一个问题是烟囱“降雨”,其起因是烟气夹带的液滴,这种降雨通常发生在烟囱下风侧几百米内。虽然系统设置(GGH)加热烟气的湿法烟气脱硫系统( FGD)也可能发生烟囱降雨,但湿烟囱出现的几率更大。湿烟囱排放的低温烟气抬升小,垂直扩散速度低,出现烟流下洗的可能性更大。因此,往往需要设置GGH来提升烟气温度。
系统设置GGH可升高脱硫处理后排放的烟气温度,一般在80℃左右,可以减缓烟气冷凝结露产生的腐蚀性水液液体(稀酸) ,烟囱自拔力增加,从理论上讲,采用GGH时能有利于减缓烟气的腐蚀(即提高烟气温度,减少结露) ,但烟气湿度、水分这些诱发腐蚀的因素依然存在,况且GGH的运行有时不能满足设计运行温度值的要求,尤其是在发电机组低负荷运行、机组开启及其它不利工况时。
因此,烟气脱硫后,虽然能使大气环境得到改善,但对烟囱的腐蚀隐患并未消除,相反地,脱硫后的烟气环境(低温、高湿等)使腐蚀状况进一步加剧,因此烟囱的抗腐蚀性能需要提高,尤其脱硫系统不设置GGH时烟囱的抗腐蚀性能要求更高。
3 脱硫烟囱运行工况
由于新建电厂脱硫系统通常要迟于机组投运,此外由于设备的非正常运行,脱硫烟囱主要在以下三种工况下运行:干燥←→潮湿←→浸水
干燥- 潮湿- 浸水工况交替变化,这对烟囱内衬防腐材料提出了更高的要求;内衬防腐材料选择时除应考虑主工况运行条件外,还须适应电厂烟囱的其它运行工况,以及工况交替变化对内衬材料防腐性能的影响。火电厂脱硫“湿烟囱”防腐蚀内衬结构设计
4 某电厂1X330MW技改工程湿烟囱防腐方案选择
4. 1 工程概况
本工程按2 ×330MW机组统一规划、集中布置、分步实施的原则设计。本期建设规模为1 ×330MW机组,预留下期1 ×330MW机组。烟囱按2 ×330MW机组排烟量设计,采用一座钢内筒套筒式混凝土烟囱,预留下期烟道接口。根据工艺布置、环保及业主要求,本工程脱硫系统不设置GGH装置。
4. 2 目前国内脱硫烟囱防腐材料
从前边分析可知,影响脱硫湿烟囱防腐内衬的两个最大因素就是温度和化学介质的腐蚀。

目前国内出现的几种国产烟囱防腐材料,如发泡玻璃砖内衬系统(天津电能科技有限公司产品) 、复合式泡沫玻璃砖防腐内衬(上海川达环保材料有限公司产品) 、高性能轻质玻化陶瓷(江苏艺兴紫砂陶股份有限公司产品) 、玻璃钢整体套筒湿烟囱(中冶集团建筑研究总院技术) ,填补了国内湿烟囱防腐材料的空白,但工程应用极少。电力院设计主要都是参照国外的标准和工程实践进行湿烟囱防腐设计,国内一般烟囱防腐采用玻璃鳞片等耐酸胶泥、合金复合板、进口底剂复合泡沫玻璃砖内衬等几种方案。几种防腐材料的性能分析见表一。

4. 2. 1 钢内筒内衬耐蚀鳞片胶泥
钢内筒由厚度为10~18mm厚Q235B钢板卷成弧形后焊接而成。在钢内筒结构设计计算时,预留了2mm厚度的腐蚀富裕度。鳞片胶泥采用的基体树脂是高性能的乙烯基酯树脂,该类型树脂具有较环氧树脂更好的耐腐蚀性能。由于基体树脂是有机材料,鳞片胶泥的寿命保证期为5~10 年。根据国内脱硫的实际运行情况,温度的冲击是需要慎重考虑的因素。鳞片胶泥具有抗渗性好、施工难度小、易修补造价较低等特点。因此,鳞片胶泥在烟气脱硫设备上应用较多。国外电厂烟囱早期有应用,但现已较少采用。
4. 2. 2 钢内筒内衬钛板
钢内筒由10~16mm厚(支承式)或6~8mm厚(悬挂式)Q235B钢板加钛板耐腐内衬。内筒结构设计计算时,不必预留腐蚀富裕度,合金板内侧也不必采取防腐措施。内筒钢板与钛板内衬有工厂轧制复合、爆炸复合和现场挂贴式。钛板内衬厚度一般为1. 2~1. 6mm,缺点是施工时不可能达到合金全部焊接要求,造价太高。由于其性能稳定,国内脱硫电厂应用这一方案较多。
4. 2. 3 钢内筒内衬玻璃砖
钢内筒由厚度为10~18mm的钢板卷成弧形后焊接而成。钢内筒采用耐硫酸露点腐蚀钢板,在钢内筒结构设计计算时,预留了2mm厚度的腐蚀富裕度。钢内筒内表面衬贴防腐发泡隔热玻璃砖,该砖具有耐腐蚀和保温的双重性能,使原来的烟囱内衬和保温层结构合二一。
4. 3 方案技术经济比较
脱硫后湿烟囱内衬材料的选择,须考虑以下几方面的因素:
(1)技术可行性,满足复杂化学环境下的防腐要求;
(2)经济合理,较低的建筑成本,一次性投资费用要低;
(3)施工条件好,质量控制方便,施工周期短;
(4)运行维护费用低,并且方便检修。

从烟囱防腐材料的性能分析表一及各型套筒烟囱技术经济性比较表三可以看出:
(1)套筒式钢内筒烟囱的钢内筒采用内衬钛板、钢内筒内衬玻璃砖、钢内筒内涂玻璃鳞片三种方案均能满足防腐要求。
(2)三种方案,钢内筒采用内衬钛板效果最好,钢内筒内衬玻璃砖次之,钢内筒内涂玻璃鳞片较差(烟气温度过高可能烧蚀破坏其结构) 。
(3)造价上,三种方案,钢内筒采用内衬钛板造价最高;钢内筒内涂玻璃鳞片方案造价最低,而钢内筒内衬玻璃砖介于两者之间。
(4)相对来讲,钢内筒采用内衬钛板方案施工难度最大,焊缝质量难以控制,采购周期长,施工速度慢;采用钢内筒内衬玻璃砖方案施工要求较高,耐腐蚀性能好,有一定的保温性能;而采用钢内筒内涂玻璃鳞片方案由于采取喷涂方法,施工工期较短。
(5)采用钛钢复合板内筒投资大,但维护间隙周期长,一般为15~20年,国内、外脱硫电厂有较多应用实例;钢内筒内衬玻璃砖,底剂的选择非常重要,国内的底剂普遍都难以达到要求,国外有成熟的应用在烟囱内衬的底剂,已经有30年以上的使用业绩。
5 钢内筒内衬玻璃砖烟囱的工程实例
山西霍州第二发电厂一期工程2 ×300MW 燃煤发电厂210米钢内筒套筒式烟囱设计,不设烟气加热系统(GGH)条件下,钢内筒内侧面加设一层美国宾高得泡沫玻璃砖防腐层(51毫米厚) ;山西兆光发电厂2 ×300MW机组210 ×6. 5米钢内筒烟囱(并网发电一周年) 、安徽华润2 ×600MW超临界机组2 ×2103 5. 8米钢内筒双管烟囱(一号机已并网发电) 、中电国际平圩第二电厂210 ×8. 5 M钢内筒烟囱(局部) (施工、验收完毕)均采用国产发泡玻璃砖防腐系统。
6 结 论
湿法脱硫烟囱具有腐蚀环境苛刻、防腐蚀工程量大、内衬腐蚀维修困难等特点。为保证烟囱结构的安全、有效、长期、稳定运行,涉及到基础构件设计、防腐蚀构造设计,材料选择、现场施工等诸方面。湿烟囱防腐蚀内衬结构设计时,防腐材料的选择应满足以下要求:
(1)不易脱落,防腐寿命长。由于烟囱的防腐工程费时、费力,维修不方便,因此,要求防腐材料使用寿命要长,免维护周期要长。

(2)耐高温,耐酸性介质腐蚀性能好,可以长期在酸性环境中可以承受高温烟气的冲击。
(3)热震稳定性好,可抵御温度急冷急热变化所带来热疲劳。脱硫设备的故障会导致烟气直排,瞬间温度可达到250℃以上,这要求防腐材料有较强的耐温度变化的能力。
(4)防水抗渗性能优良,要能阻止酸液进一步的渗透,保护混凝土基材不受酸液侵袭。
(5)耐磨性能优良,强度高,可经受气流中介质的长期冲刷。钢内筒内衬玻璃砖在防腐蚀性能、耐热性能方面,是完全可以满足套筒湿烟囱的长期运行要求的,本工程可采用此方案。

火电厂脱硫“湿烟囱”防腐蚀内衬结构设计

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