燃煤電廠玻璃鋼煙道設(shè)計(jì)與研究

羅樹青，董勝憲，丁安心，王繼輝

(1. 華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063；2. 武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

玻璃鋼由纖維和樹脂組成，集結(jié)構(gòu)和功能性于一體，纖維主要提供力學(xué)性能，樹脂主要提供化學(xué)性能。煙道是輸送煙氣進(jìn)入煙囪或冷卻塔的裝置，由玻璃鋼制造的煙道分為與煙囪相連的水平短煙道和排煙冷卻塔用玻璃鋼煙道，目前國內(nèi)的玻璃鋼煙道主要運(yùn)用在排煙冷卻塔工程上，即煙塔合一工程。煙塔合一是利用自然通風(fēng)冷卻塔巨大的能量，抬升排放濕法脫硫后的煙氣，與傳統(tǒng)的煙道相比，冷卻塔的雨霧可使擴(kuò)散保持更長時(shí)間，范圍更大，污染比從煙道排放低。濕法脫硫后的煙氣溫度在50℃左右，煙氣在煙道內(nèi)壁冷凝產(chǎn)生大量的冷凝液，對煙道的腐蝕極大。玻璃鋼煙道因既能解決濕法脫硫后煙氣的耐腐蝕問題，又能滿足結(jié)構(gòu)要求而廣泛被使用。本文結(jié)合國內(nèi)外玻璃鋼煙道的應(yīng)用研究概況，結(jié)合作者參與的國內(nèi)玻璃鋼煙道工程，對玻璃鋼煙道原材料的選擇、接口的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討。

1 國外的應(yīng)用研究概況

20世紀(jì)30年代，英國開始應(yīng)用石灰石作吸收劑進(jìn)行電廠煙氣脫硫試驗(yàn)，并于1929～1933年在英國倫敦電力公司的巴特西(Battersea)等電廠運(yùn)用，但早期的研究進(jìn)展緩慢，也沒有取得滿意的結(jié)果。20世紀(jì)中后期，隨著防治大氣污染的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)頒布和執(zhí)行，大大推動(dòng)了煙氣脫硫技術(shù)的發(fā)展。美國在20世紀(jì)70年代初展開了脫硫技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用及脫硫煙氣的防腐蝕技術(shù)研究，此時(shí)包括玻璃鋼在內(nèi)的多種材料開始作為防腐材料運(yùn)用在濕法脫硫系統(tǒng)上，美國電力研究所(Electric Power Research Institute,EPRI)對煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization,FGD)技術(shù)的發(fā)展和玻璃鋼防腐材料的運(yùn)用起到重要作用。在20世紀(jì)80～90年代，ERPI出版了大量的玻璃鋼在FGD系統(tǒng)中防腐報(bào)告經(jīng)驗(yàn)及總結(jié)。如1984出版的《Construction Materials for Wet Scrubbers》；1993年出版的FGD選擇指導(dǎo)《Guidelines for FGD Materials Selection and Corrosion Protection》均對運(yùn)用包括玻璃鋼防腐材料進(jìn)行了總結(jié)和相關(guān)的選材建議。上述報(bào)告中關(guān)于玻璃鋼煙道主要為與傳統(tǒng)的煙囪相連的水平短煙道，其跨距一般較小，對煙道的力學(xué)性能要求不高，而煙塔合一用玻璃鋼煙道的跨距一般較大，對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求較高。煙塔合一的概念由來已久，在1967年，德國就申請了煙塔合一的排放專利。隨著1983年聯(lián)邦防污染法的相關(guān)規(guī)定，德國電廠大多采用石灰石濕法脫硫，第一個(gè)采用冷卻塔排放凈煙氣的工程應(yīng)用研究是德國的Volkingen電廠，該電廠沒有設(shè)置煙囪和旁路，濕法脫硫后的煙氣溫度在50℃左右，由四個(gè)直徑為3 m的煙道排入100 m高的冷卻塔與冷卻塔煙雨混合排放，煙道的出口標(biāo)高為40 m。表1為亞仕蘭公司于2005年調(diào)查歐洲煙塔合一用玻璃鋼煙道的運(yùn)用情況，調(diào)查顯示煙塔合一用玻璃鋼煙道運(yùn)行良好，能夠滿足電廠的要求。國內(nèi)外沒有針對玻璃鋼煙道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是有與之類似的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如美國的ASTM D5364《燃煤電廠玻璃纖維增強(qiáng)塑料煙囪內(nèi)筒的設(shè)計(jì)、制造和安裝的標(biāo)準(zhǔn)指南》和歐盟的GRP LINERS《玻璃鋼煙囪》，其中美國的標(biāo)準(zhǔn)是明確適用于燃煤電廠，美國和歐盟關(guān)于玻璃鋼管道設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)還有ASME RTP－1和EN13121兩部標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩碚f，國外玻璃鋼煙道的施工、運(yùn)用都比較成熟，雖沒有針對玻璃鋼煙道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但玻璃鋼煙道的設(shè)計(jì)等要求包含在玻璃鋼管道等標(biāo)準(zhǔn)中。

表1 國外玻璃鋼煙道的調(diào)查報(bào)告

2 國內(nèi)的應(yīng)用研究概況

2005年，高碑店電廠引進(jìn)德國技術(shù)，建造了亞洲第一個(gè)煙塔合一工程，其玻璃鋼煙道的長度在260 m，直徑為5.2 m，此后隨著煙塔合一工程在國內(nèi)的開展和實(shí)施，玻璃鋼煙道也得到了廣泛的運(yùn)用。2006年，華北電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)了國內(nèi)第一個(gè)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三河電廠，其玻璃鋼煙道直徑為5.2 m；2008年華東電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)了亞洲直徑最大的玻璃鋼煙道，其直徑為8.5 m，最大跨距為40 m；2013年華東電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的山東濱州供熱中心三期工程玻璃鋼煙道直徑為5.6 m，總長度超過1 km，為國內(nèi)目前單個(gè)使用玻璃鋼煙道最長的排煙冷卻塔工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)已有十幾個(gè)發(fā)電廠采用煙塔合一用玻璃鋼煙道，表2為部分國內(nèi)玻璃鋼煙道的應(yīng)用工程。國內(nèi)關(guān)于玻璃鋼產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)很少，主要參考國外的玻璃鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，華北電力設(shè)計(jì)院根據(jù)參與的工程編制排煙冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則，武漢理工大學(xué)根據(jù)參與的玻璃鋼煙道工程經(jīng)驗(yàn)，編制了燃煤電廠用玻璃鋼煙道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已上報(bào)國標(biāo)委，待批復(fù)。同時(shí)武漢理工大學(xué)也在玻璃鋼煙道材料的選擇、設(shè)計(jì)等方面做了大量的工作?？傊?，國內(nèi)燃煤發(fā)電廠玻璃鋼煙道應(yīng)用形式良好，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但與國外相比，相關(guān)的設(shè)計(jì)、安裝等標(biāo)準(zhǔn)還需總結(jié)和完善。

表2 玻璃鋼煙道國內(nèi)工程案例

3 玻璃鋼煙道的設(shè)計(jì)

3.1 原材料選擇

在玻璃鋼煙道設(shè)計(jì)中，需考慮功能性和結(jié)構(gòu)性的平衡。玻璃鋼由纖維和樹脂組成，集結(jié)構(gòu)和功能性一體，纖維主要提供力學(xué)性能，樹脂主要提供化學(xué)性能。結(jié)構(gòu)性能要求主要與玻璃鋼煙道的布置跨距有關(guān)，跨距越大，煙道的結(jié)構(gòu)性能要求越高，纖維的含量應(yīng)越高，尤其是軸向方向的纖維含量，早期的玻璃鋼煙道工程選用的纖維為無堿玻璃纖維(E－Glass Fiber,E玻璃纖維)，目前的工程基本選用的是耐化學(xué)侵蝕無堿玻璃纖維(E－Glass of Chemical Resistance Fiber, ECR玻璃纖維)，ECR玻璃纖維比E玻璃纖維的更耐腐蝕，且強(qiáng)度更高。玻璃纖維的價(jià)格相對與樹脂的較便宜，性能穩(wěn)定，滿足工程需要，玻璃纖維的選擇不是原材料選擇的重點(diǎn)。

濕法脫硫后煙氣的腐蝕性比較強(qiáng)，對玻璃鋼煙道的功能性要求比較高，尤其是耐腐蝕性能和抗疲勞性能，樹脂的選擇直接關(guān)系到玻璃鋼煙道的使用壽命。樹脂的選擇與電廠的運(yùn)行溫度、煙氣的成分等有關(guān)。從表1可以看出，早期安裝的玻璃鋼煙道選用樹脂有鹵代聚酯樹脂和環(huán)氧乙烯基酯樹脂，其中聚酯樹脂主要為鹵代聚酯樹脂、溴化聚酯樹脂；環(huán)氧乙烯基酯樹脂主要為酚醛型環(huán)氧乙烯基酯樹脂、雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹脂和溴化環(huán)氧乙烯基酯樹脂。鹵代聚酯樹脂對氧化性酸耐腐蝕性能和耐溫比較好，但在一些工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其對濕法脫硫以后的某些環(huán)境表現(xiàn)不是很好，現(xiàn)在工程應(yīng)用中很少采用此類樹脂。聚酯樹脂的價(jià)格比較便宜，化工和冶金行業(yè)的耐腐蝕管道常采用聚酯樹脂制造，但其耐腐蝕和耐溫性能一般比乙烯基酯樹脂要差，此外，由于玻璃鋼煙道的直徑一般比較大，對樹脂的工藝性能要求比較高，聚酯樹脂很難達(dá)到其要求。目前運(yùn)行的玻璃鋼煙道主要是由環(huán)氧乙烯基酯樹脂制造，環(huán)氧乙烯基酯樹脂是一種由環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸反應(yīng)，并加入苯乙烯單體而制得的高性能熱固性樹脂。這類樹脂既結(jié)合環(huán)氧樹脂優(yōu)良的耐熱、機(jī)械及化學(xué)性能，又兼有不飽和聚酯樹脂良好的加工工藝性能，國內(nèi)的工程應(yīng)用中主要選用的是雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹脂，其彎曲模量和彎曲強(qiáng)度隨溫度的變化見圖1。從圖1可知，在80℃溫度內(nèi)，玻璃鋼的性能衰減很小，在某些溫度點(diǎn)性能甚至有所加強(qiáng)。在溫度超過80℃后，性能的衰減加大，到達(dá)126℃后，其衰減非常明顯，玻璃鋼煙道已不適合承載。表3和表4為國際能源署2006年出版的報(bào)告《Sox Emission and Control》中基于酚醛型環(huán)氧乙烯基酯樹脂與鎳鉻合金的比較，可以看到基于環(huán)氧乙烯基酯樹脂制造的玻璃鋼具有良好的經(jīng)濟(jì)性和物理化學(xué)性能，對氯化物、稀酸和鹽溶液具有良好的耐腐蝕性，它比高鎳合金鋼有著更優(yōu)良的耐化學(xué)和疲勞性能。

圖1 玻璃鋼性能隨溫度的變化

表3 玻璃鋼材料耐腐蝕性能

表4 玻璃鋼疲勞性能

3.2 玻璃鋼接口設(shè)計(jì)

玻璃鋼煙道由玻璃鋼煙道筒段通過適當(dāng)?shù)男问竭B接而成，對于小直徑的玻璃鋼煙道(一般小于4 m)可以選用插接方式連接，對于直徑大于4 m的玻璃鋼煙道，一般采用對接形式，見圖2。

圖2 玻璃鋼煙道接口

接口的總寬度及厚度與玻璃鋼煙道的受力、接口鋪層有關(guān)，接口的增強(qiáng)材料主要為短切氈和玻璃布，短切氈的長度一般在25～50 mm，手糊工藝制造，雙面補(bǔ)強(qiáng)，接口的施工質(zhì)量嚴(yán)重影響到玻璃鋼煙道使用性和安全性。玻璃鋼煙道筒段由纏繞工藝成型，在廠房或車間生產(chǎn)，環(huán)境可控，相對影響因素較少，且其增強(qiáng)材料主要為單向布和纏繞紗等連續(xù)纖維，力學(xué)性能受溫度的影響不大，而接口的鋪層一般按照ASTM RTP的要求鋪層表鋪放至設(shè)計(jì)厚度，其中玻璃布的使用量不宜太大，增強(qiáng)材料主要為短切氈，由短纖維組成的單向板或?qū)雍习宓男阅苁軜渲?、纖維的性能、長度影響，在高溫下的性能衰減較快。此外，由于接口補(bǔ)強(qiáng)片與筒體不是同時(shí)固化，層間的剝離應(yīng)力和剪切強(qiáng)度很小，尤其是剝離應(yīng)力很小，在設(shè)計(jì)中要防止接口的剝離破壞。對于層間剪切應(yīng)力，不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的規(guī)定，如EN13121規(guī)定，不同增強(qiáng)材料組成的層合板層間剪應(yīng)力取不同的值(見表5)；而ASTM RTP對于二次膠結(jié)結(jié)構(gòu)，層間的剪切強(qiáng)度最大取14 MPa；ASME X 纖維增強(qiáng)壓力容器設(shè)計(jì)中對二次膠結(jié)的層間應(yīng)力為7 MPa，但總的來說，接口的層間應(yīng)力都很小。

表5 EN13121層合板的層間剪應(yīng)力

目前玻璃鋼煙道的接口形式主要參照國內(nèi)玻璃鋼煙道的接口形式，內(nèi)接外接口的厚度相差不大或相等，但此種設(shè)計(jì)并不一定合理，首先，內(nèi)外等厚的接口不一定能減小其偏心彎矩，內(nèi)接口太厚，會(huì)減小玻璃鋼煙道的有效直徑，在內(nèi)接口的附近的煙氣流速不均勻，局部流速偏大，不利于冷凝液的搜集。對于玻璃鋼煙道的接口設(shè)計(jì)應(yīng)參照玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的設(shè)計(jì)，可以參照最新版的美國電力規(guī)劃院的濕煙囪設(shè)計(jì)導(dǎo)則中建議，采用不等厚設(shè)計(jì)，內(nèi)接口不宜太厚，且與筒體連接坡度不宜太小，不能小于1∶6，最好為1∶10(見圖2)，利于煙氣的流通和冷凝液的收集及力的傳遞。

4 結(jié)語

國外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，玻璃鋼作為結(jié)構(gòu)和功能材料，玻璃鋼煙道能夠滿足濕法脫硫后電廠各種復(fù)雜的操作工況。隨著我國防治大氣污染的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)頒布和執(zhí)行，越來越多的電廠都將采用濕法脫硫技術(shù)，煙道的防腐也必將日益突出，隨著玻璃鋼煙道安裝也將不斷增加，對玻璃鋼煙道的認(rèn)識(shí)也將不斷加深。

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