脫硫煙囪防腐改造設計及材料的選擇

王杰，邱質(zhì)彬，王恒，袁霖，楊林

（1.貴州華電桐梓發(fā)電有限公司，貴州遵義 563200；2.華電電力科學研究院，杭州 310030）

脫硫煙囪防腐改造設計及材料的選擇

王杰1，邱質(zhì)彬2，王恒1，袁霖2，楊林2

（1.貴州華電桐梓發(fā)電有限公司，貴州遵義 563200；2.華電電力科學研究院，杭州 310030）

在愈來愈嚴格的環(huán)保要求下，火力發(fā)電廠對尾部環(huán)保設施進一步改造，徹底取消旁路煙道，前移或取消煙氣再熱器，增設濕式電除塵器，都會造成煙囪運行工況發(fā)生轉(zhuǎn)變。通過理論分析與試驗結(jié)合的方式對新形勢下煙囪運行狀況進行了分析，認為煙囪中煙氣的運行狀況雖有所好轉(zhuǎn)，但腐蝕環(huán)境仍然惡劣，煙囪防腐工作依然重要。對幾類易產(chǎn)生問題的煙囪防腐技術(shù)進行了分析并對新形勢下脫硫煙囪防腐改造設計、材料的選擇以及方案實施提出了建議。

火力發(fā)電廠；脫硫；煙囪；防腐；煙氣再熱器

0 引言

2004年GB/T 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標準》正式實施后，火力發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)開始大范圍實施運行，原火電廠干煙囪轉(zhuǎn)變?yōu)榘敫蔁焽杌驖駸焽瑁摿驘焽璧母g與防護成為業(yè)界關(guān)注的熱點。2014年7月1日，隨著GB/T 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》的全面實施，火力發(fā)電廠尾部設施面臨進一步改造，煙氣旁路煙道徹底取消，部分火電廠在改造的同時取消了煙氣再熱器（GGH），加裝了新煙氣除塵裝置，進入煙囪內(nèi)部的煙氣參數(shù)隨之發(fā)生改變。新形勢下，脫硫煙囪防腐改造設計及材料的選擇具有重要意義。

1 火力發(fā)電廠尾部設施變化

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，火電廠煙氣粉塵、SO2及NOx排放質(zhì)量濃度限值大幅下降，國內(nèi)火電廠在尾部設施改造時拆除煙氣旁路以及GGH，煙囪由干煙囪或半干煙囪變?yōu)闈駸焽?。此外，部分環(huán)保重點區(qū)域火電廠考慮增設濕式電除霧或濕式電除塵器以減少粉塵排放。

2 脫硫煙囪運行條件變化

根據(jù)DL/T 5121—2000《火電廠煙風煤粉管道設計技術(shù)規(guī)程》和GB/T 50051—2002《煙囪設計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定，無GGH時，煙囪排放的煙氣屬強腐蝕性煙氣，相關(guān)調(diào)研結(jié)果顯示，此類煙囪面臨的腐蝕情況嚴重。徹底拆除煙氣旁路煙道、取消GGH、加裝濕式電除塵器后，煙囪運行條件變化對脫硫煙囪防腐改造設計及材料選擇的影響需進一步深入分析。

2.1 溫度交變的變化

取消煙氣旁路和GGH前，煙囪排煙溫度在80～140℃，煙囪內(nèi)溫度交變大。取消煙氣旁路和GGH后，煙囪排煙溫度穩(wěn)定在50℃左右，煙囪內(nèi)溫度交變減小，對防腐內(nèi)襯帶來的不利影響有所降低，因此煙囪防腐技術(shù)應主要考慮材料性能、防腐設計以及防腐施工過程的合理性。

2.2 冷凝液量的變化

取消GGH前，煙囪內(nèi)的煙氣溫度約為80℃左右，為干煙氣或半干煙氣，煙囪內(nèi)無冷凝結(jié)露現(xiàn)象。取消GGH后，煙氣溫度降至50℃左右，煙氣中水蒸氣為過飽和狀態(tài)，進入煙囪后極易發(fā)生冷凝。

煙囪中煙氣冷凝量的計算方法多種多樣，且較復雜，為了表述簡單，本文采用熱平衡法公式對凝結(jié)水量進行計算［1-2］。

式中：qm為凝結(jié)水量；c為煙氣的比熱容，c＝1.34 kJ/（kg·K）；qV為煙氣流量；Δt為煙囪內(nèi)煙氣溫降；R為水蒸氣的汽化潛熱，R＝2261 kJ/kg。

根據(jù)統(tǒng)計與相關(guān)電廠實際數(shù)據(jù)計算，煙囪中每小時冷凝液量在數(shù)噸以上。以金山能源公司沈陽某熱電有限公司為例：該廠為2臺200MW循環(huán)流化床機組，煙氣流量為2×924135m3/h，煙囪內(nèi)煙氣溫降為4.15K，計算得煙氣冷凝量為4.6 t/h。

2.3 冷凝液濃度

煙氣經(jīng)脫硫處理后，SO2含量雖有明顯降低，但對SO3的脫除效果并不理想，導致煙氣冷凝液酸性較強，pH值通常在1.5～3.0。對寧夏某電廠脫硫濕煙囪冷凝液成分與pH值進行檢測，發(fā)現(xiàn)雖然經(jīng)過脫硫處理，冷凝液的pH值依然高達2.0，同時，冷凝液中不僅存在H2SO4，還存在HCl，HF，HNO3等成分，導致煙囪面臨的腐蝕環(huán)境更加嚴苛。

2.4 煙囪內(nèi)靜壓的影響

由于排煙溫度的降低，煙氣自拔力下降，煙囪內(nèi)靜壓升高，煙囪面臨的滲漏腐蝕更為嚴重。因此，新形勢下濕法脫硫煙囪防腐抗?jié)B要求更高。

2.5 增加濕式電除塵器的影響

由于濕式電除塵器具有降低SO3等酸性氧化物的排放質(zhì)量濃度以及去除部分冷凝水的作用，增設濕式電除塵器的一些火電廠重點區(qū)域，煙囪內(nèi)煙氣的狀態(tài)相對于加裝前發(fā)生改變，本文針對該情況下煙囪防腐進行簡單分析。

2.5.1 對污染物脫除效率的影響

由于濕式電除塵器進入國內(nèi)時間短，無具體運行數(shù)據(jù)支持，所以本文以美國電力研究院（EPRI）2004年對濕式電除塵器中的試驗結(jié)果為參考，試驗結(jié)果見表1。可見濕式電除塵器對粉塵去除效率很高，PM2.5的去除效率高達95%，SO3的去除效率高達70%（現(xiàn)國內(nèi)濕式電除塵器設計廠家所給參數(shù)一般為80%以上），而對于HCl、HF及SO2去除效果相對一般。

表1 不同污染物脫除效率

2.5.2 對煙囪中冷凝液的影響

脫硫煙氣經(jīng)過濕式電除塵器后過飽和的水被去除，但并未完全脫除，煙囪中煙氣冷凝量減少不多，所以煙囪內(nèi)的煙氣冷凝量依然很大，煙囪中煙氣每小時冷凝液量仍在數(shù)噸以上。

2.5.3 對冷凝液濃度的影響

由于對SO3的去除率高于其他酸性介質(zhì)，所以本節(jié)簡化計算，做出以下假設：煙囪中冷凝液量保持不變；冷凝液中H+均由SO3溶解電離提供；根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，未采取濕式電除塵器的煙氣冷凝液pH值為1.5～3.0，本文按1.5進行計算；假設SO3脫除效率可達80%。

2.5.3 .1 原冷凝液中H+物質(zhì)的量濃度估算

H+物質(zhì)的量濃度c（H+）與pH值的計算公式

根據(jù)式（2）可知在pH＝1.5的情況下，［c（H+）］＝10-1.5mol/L。

2.5.3 .2 濕式電除塵后的冷凝液pH值與H+物質(zhì)的量濃度估算

當SO3脫除效率為80%時，假設溶于冷凝液的H+物質(zhì)的量濃度成比例減少，則現(xiàn)有冷凝液H+物質(zhì)的量濃度為0.2×10-1.5mol/L，通過式（2）計算得pH值約為2.2，亦屬于強酸的范疇。

綜上所述，無論是否增設濕式電除塵器，煙囪均面臨著強腐蝕性介質(zhì)的影響，煙囪防腐依然是火電廠需要重視的問題。

3 脫硫煙囪防腐技術(shù)應用失效分析

2013年本研究小組對新建及改造的濕法脫硫煙囪防腐內(nèi)襯運行狀況進行分析，出現(xiàn)腐蝕問題的煙囪集中于采用膠磚防腐技術(shù)與涂料防腐技術(shù)。

3.1 膠磚防腐體系失效原因

膠磚內(nèi)襯發(fā)生滲漏的原因經(jīng)分析主要有以下幾方面。

（1）用膠量不足。黏結(jié)劑用量應不小于12 kg/m2，而在施工過程中實際用量為7～9 kg/m2，用膠量少導致防腐層底膠難以完整覆蓋，出現(xiàn)漏點。

（2）關(guān)鍵節(jié)點位置施工設計不到位，運行過程中這些位置易出現(xiàn)膨脹不均，因此這些位置發(fā)生腐蝕泄漏現(xiàn)象的也較多。

（3）內(nèi)襯養(yǎng)護時間不足，膠磚與基底結(jié)合不牢固，部分區(qū)域在運行過程中發(fā)生玻璃磚脫落。

（4）部分國產(chǎn)玻璃磚材質(zhì)不合格，實施過程中未進行監(jiān)督檢測或檢測數(shù)據(jù)不完全，部分玻璃磚甚至在安裝過程中出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象［3-5］。

圖1～4為某火電廠采用膠磚進行懸掛式鋼內(nèi)筒煙囪防腐的情況。圖1為驗收時所拍攝照片，可以看出磚縫間用膠飽滿，未發(fā)現(xiàn)未填滿等不合格現(xiàn)象。但僅經(jīng)過半年運行時間就出現(xiàn)了大量腐蝕，檢查中發(fā)現(xiàn)鋼內(nèi)筒內(nèi)表面與防腐磚之間并未被膠黏劑填充，導致酸液直接滲過磚體對鋼筒造成腐蝕，如圖2所示。由圖3可以看出，懸掛式鋼內(nèi)筒筒間發(fā)生了大量磚塊脫落，說明未充分對關(guān)鍵節(jié)點位置進行合理的設計，導致運行過程中節(jié)點位置磚塊發(fā)生擠壓導致脫落。由圖4可以看出，部分磚體產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生磚體開裂脫落。

3.2 涂料類防腐體系失效原因

涂料類內(nèi)襯發(fā)生滲漏的原因經(jīng)分析主要有以下幾方面。

（1）機組運行過程中煙氣溫度波動幅度較大，涂料類內(nèi)襯受此影響易出現(xiàn)裂紋。某電廠采用雜化聚合物對煙囪進行防腐，煙囪內(nèi)脫落的雜化聚合物防腐層如圖5所示。經(jīng)分析，大范圍的溫度波動以及施工處理不到位是導致涂層脫落的主要原因。

圖1 驗收情況

圖2 表面清理后鋼內(nèi)筒情況

圖3 鋼筒結(jié)合位置脫落情況

圖4 磚體情況

（2）施工工藝處理不到位。施工過程中存在煙囪內(nèi)筒表面預處理不合規(guī)、工人噴涂工藝參數(shù)不穩(wěn)定、涂層養(yǎng)護流程控制不嚴等現(xiàn)象。圖6為某電廠煙囪雜化聚合結(jié)構(gòu)層情況，可以看出，焊縫位置施工處理不到位導致涂層發(fā)生開裂。圖7為某電廠煙囪雜化聚合結(jié)構(gòu)層開裂情況，可以看出基底處理不到位是導致該廠雜化聚合結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生缺陷的主要原因。

（3）節(jié)點等關(guān)鍵部位施工設計不合理，關(guān)鍵節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)漏點現(xiàn)象較多。某電廠由于牛腿處設計存在缺陷，導致運行過程中牛腿位置出現(xiàn)故障。

圖5 某電廠雜化聚合結(jié)構(gòu)層殘片

圖6 某電廠煙囪焊縫處雜化聚合結(jié)構(gòu)層開裂情況

圖7 某電廠雜化聚合結(jié)構(gòu)層失效情況

4 新形勢下煙囪防腐改造技術(shù)要求

影響防腐技術(shù)成功應用的主要因素有：防腐材料本身性能，防腐設計，防腐技術(shù)施工以及煙囪煙氣的運行狀況。在新形勢下，煙囪部分運行條件將發(fā)生變化，新變化對防腐提出新要求具有重要意義。

4.1 材料性能的要求

由于煙氣溫度范圍趨于穩(wěn)定，防腐材料的高溫性能顯得不再重要，同時材料對溫度大范圍交變的敏感性要求也有所降低，所以在這種情況下防腐材料的選擇范圍也有所擴大。

選擇材料時，首先應著重考慮材料在較低溫度范圍內(nèi)的防腐能力、材料與基體間的結(jié)合強度、材料與基體間的熱膨脹系數(shù)差以及材料在小范圍溫度內(nèi)的熱交變敏感性；其次，煙囪結(jié)構(gòu)也是材料選擇必須考慮的重要因素之一，對于懸掛式鋼筒煙囪、磚套筒煙囪以及單筒式煙囪，應在考慮機組運行情況下選擇以往表現(xiàn)更穩(wěn)定的技術(shù)。而對于自立式鋼筒煙囪，由于結(jié)構(gòu)簡單，材料選擇可在考慮機組運行情況的前提下選擇符合上述要求的性價比較高的防腐技術(shù)［6］。

4.2 防腐設計的要求

防腐設計過程與防腐材料的選擇是相輔相成的，在設計過程中應主要依據(jù)材料自身的防腐性能、機組運行狀況、煙囪結(jié)構(gòu)形式、尾部設施的配備及煙囪剩余壽命等選擇合適的防腐技術(shù)。

設計前應對防腐材料的性能特點有充分的了解，并嚴格規(guī)定在施工過程中選用材料的性能參數(shù)與用量，盡量避免火電廠在招標或施工過程中由于材料把關(guān)不嚴及用量不明導致施工用材的先天性缺陷。同時應充分考慮材料與煙囪基體間的結(jié)合特性，重點對煙囪牛腿、膨脹節(jié)以及陰陽角處等異形結(jié)構(gòu)進行合理設計。

4.3 防腐施工過程的要求

在防腐施工過程中嚴格按照施工設計方案進行，確保施工工藝滿足防腐材料的工藝要求，同時應最大限度地限制施工單位對方案進行變更。

不管是新建煙囪防腐工程還是煙囪防腐改造工程，做好配套的防腐設計和施工過程管理工作是工程實施的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

經(jīng)過近10年的發(fā)展，火電廠脫硫濕煙囪的安全、穩(wěn)定運行對電廠整體安全經(jīng)濟運行越來越重要，而防腐內(nèi)襯的可靠性好壞又是脫硫濕煙囪安全運行的關(guān)鍵，隨著電廠尾部設施運行的規(guī)范化，煙囪中煙氣的運行狀況有所好轉(zhuǎn)，但腐蝕環(huán)境仍然惡劣，所以對脫硫濕煙囪的防腐工作應保持相當?shù)闹匾暋?/p>

在進行濕煙囪防腐改造過程中，應首先對改造煙囪的結(jié)構(gòu)、煙氣參數(shù)、冷凝液參數(shù)等情況進行深入分析后，再選擇適合的防腐技術(shù)；其次應格外重視防腐技術(shù)的實施方案，特別是重要節(jié)點處的實施方案的科學性，同時對施工過程進行全方位的監(jiān)控，保證材料的質(zhì)量以及設計方案的落實。

［1］王恒，袁霖，王杰，等.火力發(fā)電廠濕煙囪腐蝕環(huán)境評定方法［J］.發(fā)電與空調(diào)，2013，34（6）：22-24.

［2］唐志永，金保升，孫克勤，等.濕法脫硫后凈煙氣酸露點計算公式的比較和評估［C］//中國動力工程學會青年學術(shù)年會，2005.

［3］王勇強，張凌偉，李興利，等.濕法脫硫煙囪防腐方案選擇［J］.熱力發(fā)電，2014，43（2）：5-8.

［4］白學利，鄭曉永，張瑾.濕法脫硫煙囪腐蝕現(xiàn)狀及防腐方案的選擇［J］.熱力發(fā)電，2011，40（2）：84-87.

［5］楊杰，宋曉紅.濕法煙氣脫硫機組煙囪防腐措施［J］.河北電力技術(shù)，2007，25（1）：33-34.

［6］周雷靖.燃煤電廠脫硫煙囪3種設計方案的比較［J］.電力建設，2005，26（1）：62-63.

（本文責編：劉炳鋒）

TG 179

B

1674-1951（2016）11-0060-04

王杰（1982—），男，山西聞喜人，工程師，從事火電廠鍋爐及環(huán)保方面技術(shù)及管理方面的工作（E-mail：iea＠qq.com）。

2016-03-11；

2016-09-05