玻璃鋼在工業(yè)煙氣排放煙囪中的防腐蝕淺析

王天堂，陸士平

(上海富晨化工有限公司，上海 200233)

0 引言

近年來，國家環(huán)保法規(guī)對煙囪排出的氣體清潔度提出了嚴(yán)格要求。采取各種洗滌塔、吸收塔對煙氣進行脫硫、脫硝及其他脫酸等處理措施后，煙氣的溫度越來越低(45～95℃)，尚存的未處理干凈的SO3，SO2，HCL，HF等介質(zhì)都在其本身的露點溫度以下，導(dǎo)致濕煙氣的酸性增大，對排煙筒體表面的腐蝕性增強。針對強腐蝕濕煙氣，歐美發(fā)達國家從1970年開始采用玻璃鋼排煙筒進行排放，以有效應(yīng)對煙氣對排煙筒的腐蝕。幾十年的玻璃鋼煙囪使用業(yè)績也證明了它具有防止腐蝕和長期承受荷載的能力。為此美國頒布了《燃煤電廠玻璃纖維增強塑料(FRP)煙囪內(nèi)筒設(shè)計、制造和安裝標(biāo)準(zhǔn)指南》(ASTM5364);國際工業(yè)煙囪協(xié)會(CICIND)也發(fā)布了《玻璃鋼(GRP)內(nèi)筒標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》。

國內(nèi)玻璃鋼煙囪使用起步較早，從20世紀(jì)60、70年代開始，在化工、有色、冶金等行業(yè)的排氣筒都有應(yīng)用，但直徑比較小(1m～2m)，高度也不超過50m;80年代中期河北省中意玻璃鋼廠首家引進玻璃鋼纏繞技術(shù)與設(shè)備，推動玻璃鋼煙囪進入了快速發(fā)展期，目前玻璃鋼煙囪的直徑達到了5m，高度達到了100m以上。由于沒有相應(yīng)的規(guī)范，其使用受到了限制。目前，尤其國內(nèi)燃煤電廠的大機組用煙囪，面臨著脫硫后的酸性濕煙氣對排煙筒體表面的強腐蝕性，采用玻璃鋼煙囪將是解決煙囪腐蝕問題的一條新途徑。本文結(jié)合有關(guān)已實施或即將實施的標(biāo)準(zhǔn)，對于玻璃鋼煙囪中的一些技術(shù)進行探討。

1 煙囪防腐的形式選擇

排放干煙氣的煙囪受腐蝕比較嚴(yán)重的部位是在煙囪上部，這些部位由于受室外空氣的影響容易形成冷凝酸。凡設(shè)有內(nèi)襯的煙囪，腐蝕介質(zhì)容易侵入的部位，一是通過襯里分段的交接處;二是通過磚砌體的夾縫進入到外筒與襯里之間的夾縫處的煙氣介質(zhì)，進而腐蝕外壁。

對于排氣腐蝕性強的濕煙囪和潮濕(半干)煙囪，要采用耐腐蝕材料制作或在筒內(nèi)襯耐腐蝕材料。根據(jù)不同工況條件，可以采用不同的防腐蝕材料以及不同的結(jié)構(gòu)形式:腐蝕較嚴(yán)重的煙道和煙囪可根據(jù)腐蝕介質(zhì)的不同和工況條件而采用塑料、耐酸石材、耐酸磚、玻璃鋼、不銹鋼、合金綱，鈦板等;腐蝕較輕的煙囪，可以采用耐酸混凝土、涂層襯里等;腐蝕嚴(yán)重的煙囪，一般不宜采用磚砌外筒。玻璃鋼是發(fā)展較早、應(yīng)用廣泛的一種復(fù)合材料，具有十分顯著的性能特點。與金屬材料或其他無機材料相比，它耐腐蝕、重量輕、比強度高、電絕緣、耐瞬時高溫、傳熱慢，克服了傳統(tǒng)襯里材料與結(jié)構(gòu)材料之間存在的附著力差異，膨脹系數(shù)不同而發(fā)生脫落，分層等質(zhì)量隱患，是一種兼具功能和結(jié)構(gòu)特性的新型材料，玻璃鋼煙囪較其他材料制成的煙囪如不銹鋼更常用。表1列出了幾種電廠煙囪適用材料的比較。

表1 電廠煙囪中的幾中材料比較

2 玻璃鋼煙囪的一般規(guī)定

2.1 使用溫度和年限

在《燃煤電廠玻璃纖維增強塑料(FRP)煙囪內(nèi)筒設(shè)計、制造和安裝標(biāo)準(zhǔn)指南》(ASTM5364)中規(guī)定:玻璃鋼煙囪適合于無GGH的濕飽和煙氣運行溫度(60℃以下)，當(dāng)FGD吸收塔有旁路時，在開啟旁路煙道后的煙氣溫度，則在短時間內(nèi)不超過121℃。國內(nèi)燃煤電廠用于排放濕法脫硫煙氣的溫度，在無GGH時，大約在45℃ ～55℃范圍;有GGH時，大約在80℃ ～95℃范圍。從我們調(diào)查的國內(nèi)化工、冶金和輕工等行業(yè)現(xiàn)有玻璃鋼煙囪的使用情況來看，絕大多數(shù)長期運行溫度不超過100℃。當(dāng)煙氣溫度于100℃時，可在煙囪前段采取冷卻降溫措施，以確保煙氣運行溫度在合適的區(qū)間內(nèi)。

根據(jù)有關(guān)國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)，整體玻璃鋼煙囪的設(shè)計使用年限如下:ASTM D5364標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用壽命為35年;CICIND標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用壽命為25年。

2.2 玻璃鋼煙囪設(shè)計中的一般規(guī)定

玻璃鋼煙囪的筒壁應(yīng)由防腐內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外表面層組成，并應(yīng)符合下列規(guī)定:

(1)防腐內(nèi)襯層由富樹脂層和次內(nèi)襯層組成，富樹脂層厚度應(yīng)不小于0.25mm，宜采用玻璃纖維表面氈，其樹脂含量應(yīng)不小于85%;次內(nèi)襯層應(yīng)采用玻璃纖維短切原絲氈或噴射紗，其厚度應(yīng)不小于2mm，樹脂含量應(yīng)不小于70%。

(2)防腐蝕內(nèi)層及外表層樹脂含量高，強度及模量低，在計算結(jié)構(gòu)強度和承載力時，均不考慮。另玻璃鋼的彈性模量較低，因此需對撓度做出相應(yīng)規(guī)定。在力學(xué)計算設(shè)計時，要綜合考慮各種因素，包括煙囪的軸向強度和穩(wěn)定性計算、煙氣正負(fù)壓和風(fēng)荷載下的強度計算、玻璃鋼筒外側(cè)壓力驗算、加強肋的抗彎強度驗算、開口補強和連接處的計算等。

(3)外表面層中的最后一層樹脂應(yīng)采取無空氣阻聚措施。當(dāng)玻璃鋼煙囪暴露在室外時，外表面層應(yīng)添加紫外線吸收劑，外表面層厚度應(yīng)≥5mm。

(4)由于玻璃鋼材質(zhì)的耐磨性能不強，在高的煙氣流速下，對拐角或突變部位的沖擊和磨損加大，導(dǎo)致腐蝕加強?？赏ㄟ^在樹脂中添加耐磨填料(如碳化硅等)來提高該部位玻璃鋼的耐磨性。

(5)防腐蝕內(nèi)層和結(jié)構(gòu)層宜選用同類型的樹脂;當(dāng)選用不同類型的樹脂時，層間不得脫層。

3 玻璃鋼煙囪的樹脂選擇

玻璃鋼作為一種新型的防腐蝕形式，其防腐蝕樹脂的選擇是相當(dāng)重要的。目前，國內(nèi)用的比較多的防腐蝕樹脂主要有雙酚A型不飽和樹脂、氯化不飽和樹脂和環(huán)氧乙烯基酯樹脂。

雙酚A型不飽和聚酯樹脂具有良好的耐酸、一定的耐堿性和較好的綜合機械性能和耐溫性，國外20世紀(jì)70年代作為耐蝕型UPR的代表大量使用，但由于其斷裂延伸低、脆性，80年代后逐漸被環(huán)氧乙烯基樹脂所取代。氯化不飽和聚酯樹脂具有優(yōu)良的耐腐蝕性能及良好的阻燃性。特別適合用于制造耐高溫、耐含氯(氟)化學(xué)介質(zhì)或耐強氧化環(huán)境的設(shè)備。環(huán)氧乙烯基酯樹脂是國際上公認(rèn)的高度耐腐蝕樹脂，它結(jié)合了環(huán)氧樹脂的優(yōu)良耐熱、機械和化學(xué)性能及UPR樹脂的優(yōu)良工藝性能。目前乙烯基系列產(chǎn)品中，有常規(guī)的雙酚A環(huán)氧型、酚醛環(huán)氧型、高交聯(lián)型、阻燃型等產(chǎn)品，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，新國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用反應(yīng)型阻燃環(huán)氧乙烯基樹脂。

4 全玻璃鋼形式結(jié)構(gòu)及安裝

全玻璃鋼的煙道和煙囪可以采用纏繞工藝進行制造。一般有以下幾種結(jié)構(gòu)形式:自立式、拉索式、塔架式、套筒式或多管式玻璃鋼煙囪。目前常見的主要塔架式和套筒式等形式，下面就這幾種形式的一些制造和安裝細(xì)節(jié)進行說明。

4.1 拉索式

拉索式玻璃鋼煙囪是采取拉索進行水平支撐，經(jīng)濟性較好，目前在一些小型煙囪中應(yīng)用較多，如一些燒結(jié)機裝置中的吸收塔與煙囪一體裝置中等。在采用拉索式玻璃鋼煙囪時，拉索設(shè)置應(yīng)滿足以下規(guī)定:當(dāng)煙囪高度與直徑之比小于15時，可設(shè)1層拉索;煙囪高度與直徑之比大于15時，可設(shè)2層拉索。拉索一般為3根，平面夾角為120°，拉索與煙囪軸向夾角不小于25°。

4.2 塔架式

以支架為承重結(jié)構(gòu)，支承一個或一個以上的排氣筒，是化工排氣筒常見的型式，塔架式排氣筒可采用鋼或鋼筋混凝土的支架，筒體高出支架。玻璃鋼排氣管采用各類樹脂和玻璃布纏繞成型，一般使用溫度可以到80℃以上，有的可高達200℃。玻璃鋼的線膨脹系數(shù)比聚氯乙烯塑料小得多，因此100m以內(nèi)高度，一般可不設(shè)膨脹節(jié)。玻璃鋼整體性好，力學(xué)強度和耐熱性能比聚氯乙烯塑料好，防腐性能好，防腐范圍寬。近二十年來在硝酸、硫酸、過磷酸鈣、合成纖維等生產(chǎn)中都有良好的應(yīng)用。

4.3 套筒式

套筒式結(jié)構(gòu)人稱筒中筒結(jié)構(gòu)，是用鋼筋混凝土或磚砌體為支承結(jié)構(gòu)，支承一個或一個以上的排氣筒。這種形式在化工、冶金部門采用過，國內(nèi)外大機組濕法脫硫電廠絕大多數(shù)采用。套筒式排氣筒的支承結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)操作平臺，可在內(nèi)外筒之間檢修。其優(yōu)點:整體性好，能有效地防止介質(zhì)從接縫處的腐蝕滲透，可避免受風(fēng)力等的作用和影響;玻璃鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)膽和外筒是相對獨立的不同材質(zhì)的筒體，能有效的避免由于介質(zhì)環(huán)境的溫差引起不同材質(zhì)的收縮性不一致，而引起的內(nèi)應(yīng)力破壞;由于玻璃鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強，起吊安裝方便;施工周期短，費用少。

5 全玻璃鋼形式應(yīng)用注意事項

(1)由于玻璃鋼材料為各向異性，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此下部煙道接口建議設(shè)計成圓形，以盡量減小對玻璃鋼筒體的破壞，同時玻璃鋼煙囪的連接可采用承插粘接或平端對接等方式。

(2)煙囪膨脹節(jié)宜采用玻璃鋼法蘭形式連接，連接節(jié)點應(yīng)嚴(yán)密，連接材料的防腐和耐溫性能應(yīng)符合工藝要求。另外玻璃鋼加強肋間距應(yīng)不超過煙囪直徑的1.5倍，同時不大于8m。

(3)在實際應(yīng)用中要根據(jù)具體腐蝕性介質(zhì)及溫度、是否含水等情況選擇防腐樹脂;同時考慮樹脂的力學(xué)性能，因為FRP形式的煙道在高空下會受氣流等形式的影響，在設(shè)計上就要求有延伸率較高、韌性更好的耐用腐蝕樹脂，且在高溫下FRP的力學(xué)性能會有所下降，在設(shè)計中要充分考慮到這一點。

(4)結(jié)構(gòu)樹脂的選擇。目前，國內(nèi)FRP的外側(cè)會采用常規(guī)的通用樹脂以降低成本，但通用樹脂適用較低溫度，在較高的溫度下通用樹脂的力學(xué)強度損失較大，就會增加由于結(jié)構(gòu)樹脂的力學(xué)損耗造成的煙囪的力學(xué)破壞，最后導(dǎo)致防腐蝕失效，所以我們建議在較100℃以上的使用溫度情況下，建議用乙烯基礎(chǔ)酯樹脂或雙酚A樹脂等進行制作結(jié)構(gòu)層，或進行整體FRP制作。

(5)增強材料的選擇:在防腐蝕層制作時，要充分考慮增強材料選擇的重要性，一般情況下，玻纖是一種經(jīng)濟高性能的選擇，但在如含氟、強堿等情況下，就不適合選用玻纖了，碳纖維或一些有機纖維是較好的選擇。

(6)玻璃鋼煙囪在制造過程中，一定要注意不能讓玻璃鋼材料受到破損和破壞，從纏繞的設(shè)備能力和安裝能力等方面綜合考慮可采用分段制造，并增加每節(jié)筒體長度。

(7)在裝卸、存放和安裝玻璃鋼煙囪期間，施加在玻璃鋼上的載荷及由此而產(chǎn)生的應(yīng)力，需考慮加到設(shè)計中去。對于直徑超過3m的分段玻璃鋼煙囪宜垂直位置存放和移動。當(dāng)分段的玻璃鋼煙囪進行水平和垂直位置的相互變換時，應(yīng)符合底部邊緣點的載荷設(shè)計，并且防腐蝕層表面不得產(chǎn)生裂紋。每段玻璃鋼煙囪上的對稱吊環(huán)，應(yīng)滿足安裝期間所施加的各種載荷。

［1］化學(xué)工業(yè)部化工機械研究院.腐蝕與防護手冊:化學(xué)生產(chǎn)裝置的腐蝕與防護［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社出版，1991.

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