新型自立式鋼煙囪的技術(shù)應(yīng)用

王 泳

(云白環(huán)境集團(tuán)公司，江蘇 蘇州 215000)

0 前言

工業(yè)煙囪作為石油化工、金屬冶煉、電力、固廢處理等行業(yè)重要的尾氣排煙裝置，其作用舉足輕重。環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，以及工業(yè)規(guī)模大型化的要求，促使工業(yè)煙囪的發(fā)展趨向更加環(huán)保、安全、施工便捷、節(jié)約成本。

煙囪的發(fā)展也從傳統(tǒng)的磚煙囪、混凝土煙囪過渡到了鋼制煙囪階段。鋼制煙囪解決了混凝土煙囪腐蝕、老化快、占地面積大、施工周期長(zhǎng)等問題，并且能夠更好的二次回收利用，減少了對(duì)環(huán)境的污染。利用云白的專有技術(shù)還可以對(duì)鋼制煙囪進(jìn)行跟蹤檢測(cè)和安全使用評(píng)估，滿足企業(yè)對(duì)設(shè)備的安全要求。

工業(yè)煙囪作為工業(yè)尾氣處理設(shè)備，首先要滿足工藝需求，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)選擇上首先要考慮防止煙氣的腐蝕，其次要考慮設(shè)備的造價(jià)和壽命，最后還要考慮安裝方便。

1 傳統(tǒng)混凝土煙囪應(yīng)用中的常見問題

混凝土煙囪是工業(yè)尾氣排放煙囪中最常見的一類，其最大的優(yōu)勢(shì)是高度較高可達(dá)250 m以上，但隨著工業(yè)的快速發(fā)展，混凝土煙囪暴露出了其使用功能上和建造上的諸多缺點(diǎn)。

1.1 混凝土被腐蝕開裂

以某垃圾焚燒發(fā)電廠的鋼筋混凝土煙囪為例，由于垃圾焚燒發(fā)電燃料中包含很多氯化物，燃燒過程中，氯化物轉(zhuǎn)化為自由氯離子，與水蒸氣結(jié)合形成鹽酸，煙囪很快被腐蝕出多道裂縫。

圖1 混凝土煙囪被腐蝕后產(chǎn)生裂縫

1.2 混凝土煙囪內(nèi)壁澆注料抗?jié)B性差

內(nèi)壁涂刷澆注料是混凝土煙囪施工中一種常見的防腐方法，澆注料的抗?jié)B性差是最主要的問題，產(chǎn)生此問題與材料自身特點(diǎn)有關(guān)。目前市場(chǎng)的耐酸澆注料是由水玻璃和硬化劑組成，由于水玻璃與硬化劑反應(yīng)生成物的基質(zhì)是硅酸凝膠，此類材料不能抵抗堿和呈堿性反應(yīng)介質(zhì)的腐蝕。其次耐酸凝膠從彈性膠體向具有固體性能的凝膠轉(zhuǎn)變的過程中，要不斷脫水和縮聚，從而形成無(wú)數(shù)細(xì)小的細(xì)孔，導(dǎo)致水玻璃材料的孔隙率很大，抗?jié)B透能力一般僅為0.2 MPa。

1.3 混凝土煙囪施工復(fù)雜難保質(zhì)量

由于設(shè)備體積巨大，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)占地面積大，施工人員眾多，大量消耗水電，現(xiàn)場(chǎng)不可控因素多無(wú)法保證施工進(jìn)度。

施工質(zhì)量受天氣、人員等各種因素影響大，施工材料質(zhì)量參差不齊，施工周期(尤其冬季)較長(zhǎng)，二次維護(hù)時(shí)間要求高，不能保證施工質(zhì)量。

設(shè)備體型龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)層與防腐層結(jié)合為一體，一旦腐蝕產(chǎn)生，維護(hù)難度系數(shù)增加。拆除或更換都需要大量資金投入。

2 新型自立式鋼煙囪的應(yīng)用

鑒于混凝土煙囪的缺點(diǎn)較多，自立式鋼煙囪的使用愈加廣泛。自立式鋼煙囪無(wú)需外部鋼結(jié)構(gòu)或輔助結(jié)構(gòu)支撐，通過精確計(jì)算和阻尼器的配置，可以滿足煙囪強(qiáng)度、剛度、撓度、振動(dòng)和穩(wěn)定性等要求，確保煙囪本體安全可靠。

自立式鋼煙囪在國(guó)外已有長(zhǎng)時(shí)間廣泛應(yīng)用，其鋼材消耗量與塔架式煙囪類似，但在綜合占地指標(biāo)上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，且自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組裝，施工周期極短，對(duì)施工場(chǎng)地要求很少，已經(jīng)成為國(guó)外眾多工程應(yīng)用的首選。但自立式鋼煙囪由于計(jì)算模擬分析復(fù)雜，且目前高度不適合超過120 m，在國(guó)內(nèi)尚未大規(guī)模推廣和應(yīng)用，從2005年問世至今大概有上千套自立式鋼煙囪在應(yīng)用，80米以上的鋼制煙囪也已有20余套。

2.1 結(jié)構(gòu)類型

自立式鋼煙囪從筒體結(jié)構(gòu)類型可分為單筒式和套筒式。二者從結(jié)構(gòu)支撐類型上無(wú)本質(zhì)區(qū)別，套筒式相比單筒式更便于解決溫度和腐蝕問題。應(yīng)針對(duì)不同的煙氣溫度和腐蝕特性，選取合適的筒體結(jié)構(gòu)，兼顧其安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 根據(jù)工況溫度選型

針對(duì)不同介質(zhì)溫度自立式鋼煙囪推薦的結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 不同介質(zhì)溫度下推薦結(jié)構(gòu)形式

注：★為優(yōu)先選形式，☆為次優(yōu)選形式，◇為可選形式。

2.3 根據(jù)腐蝕特性選型

導(dǎo)致煙氣腐蝕性的原因有腐蝕介質(zhì)、煙氣溫度、濕度和流速等。鋼制煙囪腐蝕性選型應(yīng)針對(duì)具體情況，選取適宜的防腐內(nèi)襯。

(1)微腐蝕，煙溫150～350 ℃，腐蝕介質(zhì)含量低，宜選用單筒式或套筒式。

(2)中度腐蝕，煙溫小于150 ℃，有一定腐蝕介質(zhì)，宜選用套筒式。

(3)強(qiáng)腐蝕，煙溫小于100 ℃或大于450 ℃腐蝕介質(zhì)含量高，宜選用套筒式。

2.4 套筒自立式鋼煙囪特點(diǎn)

(1)由于煙氣僅與內(nèi)筒接觸，避免了因煙氣腐蝕外筒所產(chǎn)生的安全隱患，煙囪整體結(jié)構(gòu)安全得到了保障。

(2)套筒式鋼煙囪由于內(nèi)筒外壁有保溫層和空氣層，可以有效阻斷內(nèi)外層之間的溫度傳遞，外筒對(duì)保溫層和內(nèi)筒還起到保護(hù)作用，使之免受外界大氣、雨水的侵蝕，使用壽命明顯增加。

(3)內(nèi)筒主要為排煙功能，無(wú)需復(fù)核強(qiáng)度，僅考慮材料耐腐蝕，壁厚可設(shè)計(jì)的比較薄。根據(jù)不同的煙氣條件，內(nèi)筒材料可選用鈦鋼復(fù)合板、不銹鋼、玻璃鋼等材料。外筒不與煙氣接觸，主要起強(qiáng)度作用，一般選用Q235B、Q345B等材料。

(4)占地面積小，節(jié)約空間，節(jié)約基礎(chǔ)費(fèi)用。

遼寧沈陽(yáng)某熱電公司新建80 m煙囪，因廠區(qū)可使用空間狹窄，傳統(tǒng)的混凝土煙囪無(wú)法施工。在相同的地勘條件下，套筒自立式鋼煙囪因基礎(chǔ)荷載小，外形尺寸小，因此合理地應(yīng)用了土地資源，如圖2所示。

圖2 安裝在夾道內(nèi)的自立式鋼煙囪

(5)煙囪在工廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)，不占用現(xiàn)場(chǎng)空間及時(shí)間，不影響其它項(xiàng)目施工進(jìn)度。鋼煙囪廠內(nèi)加工完成后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，采用大型起吊安裝，現(xiàn)場(chǎng)只需要3～5名安裝人員，安裝時(shí)間短，現(xiàn)場(chǎng)不需要任何焊接操作，對(duì)水電無(wú)需求。安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 鋼煙囪安裝現(xiàn)場(chǎng)

(6)鋼煙囪在工廠內(nèi)預(yù)制，采用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理，質(zhì)量易把控，生產(chǎn)過程不受天氣原因影響，容易把控工期。

2.5 新型自立式鋼煙囪的安全保障技術(shù)

2.5.1 阻尼器技術(shù)的應(yīng)用

自立式鋼煙囪對(duì)風(fēng)載荷較為敏感，煙囪在風(fēng)誘導(dǎo)共振作用下經(jīng)常發(fā)生大幅度擺動(dòng)，會(huì)造成局部開裂，甚至設(shè)備損壞的危險(xiǎn)情況。誘導(dǎo)振動(dòng)在設(shè)計(jì)中經(jīng)常被忽視，由于其機(jī)理復(fù)雜，國(guó)內(nèi)開展這方面的研究?jī)H 10 多年，多數(shù)情況下忽略了可能存在的誘導(dǎo)振動(dòng)，造成設(shè)計(jì)不完善。JB/T 4710—2005發(fā)布后，增加了附錄 A“橫風(fēng)向的風(fēng)力和風(fēng)彎矩計(jì)算”，計(jì)算軟件SW6中也據(jù)此增加了橫風(fēng)力計(jì)算的功能，但還不能稱其為完整的振動(dòng)分析，計(jì)算書中沒有給出明確的提示和結(jié)論。

云白環(huán)境的自立式鋼煙囪可通過精密的計(jì)算，在煙囪頂部安裝調(diào)頻阻尼器。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)作用在煙囪表面時(shí)，阻尼器可以通過自身慣性力來(lái)降低煙囪加速度響應(yīng)，從而減小煙囪擺動(dòng)幅度，增加使用壽命和安全性能。

2.5.1.1 阻尼器的分類

煙囪頂部安裝的阻尼器分為固體調(diào)頻阻尼器和液體調(diào)頻阻尼器，需根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境條件不同來(lái)選擇。

圖4 固體調(diào)頻阻尼器

圖5 液體調(diào)頻阻尼器

2.5.1.2 阻尼器的應(yīng)用

煙囪頂部增加了阻尼器，可通過自身慣性力來(lái)降低煙囪加速度響應(yīng)，減小煙囪擺動(dòng)幅度，從而可以降低煙囪的基礎(chǔ)荷載，減輕煙囪重量，節(jié)約鋼材用量和基礎(chǔ)費(fèi)用。

(1)甘肅白銀有色銅冶煉煙氣凈化100 m煙塔合一工程，由于場(chǎng)地原因，原煙塔方案和基礎(chǔ)無(wú)法匹配需要進(jìn)行整改，重新修建基礎(chǔ)，但此舉會(huì)增加大量基礎(chǔ)費(fèi)用和延長(zhǎng)工期。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算和論證決定對(duì)煙塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，維持基礎(chǔ)不變。專業(yè)煙囪廠家云白環(huán)境通過綜合計(jì)算，在原有煙囪頂部增加配套的阻尼器，從而成功解決了此困難，既保障了工期，又節(jié)約了成本。

圖6 煙囪上部新增的阻尼器

(2)赤峰云銅有色金屬有限公司環(huán)保搬遷項(xiàng)目的100 m和90 m兩根煙囪，均采用了套筒自立式鋼煙囪。赤峰地區(qū)常年多大風(fēng)天氣，通過煙囪頂部設(shè)置配套阻尼器，減少煙囪振幅，既減小了煙囪基礎(chǔ)，又保障煙囪的使用壽命。

(3)陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司煉化公司120 m套筒自立式鋼煙囪由云白環(huán)境集團(tuán)所建，目前為“亞洲第一高度自立式鋼煙囪”。

圖7 120 m高帶阻尼器煙囪全景

(4)集束式結(jié)構(gòu)，即多根煙囪(煙筒)采用一定的幾何結(jié)構(gòu)形式排列，相互之間通過抱箍結(jié)構(gòu)連接為一個(gè)整體，形成組合式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)煙囪頂部也可增設(shè)配套阻尼器，從而增加煙囪整體的剛度，滿足設(shè)計(jì)條件下風(fēng)載荷和地震載荷的要求。圖8為錦江環(huán)保垃圾焚燒項(xiàng)目80 m雙管集束式鋼煙囪，頂部采用液體調(diào)頻阻尼器。

圖8 集束式帶阻尼器煙囪全景

2.5.2 在線位移監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

在線位移監(jiān)測(cè)主要是保證煙囪的安全而建。該裝置采用位移檢測(cè)，每秒檢測(cè)煙囪運(yùn)動(dòng)四貞，采用無(wú)線發(fā)射器，設(shè)置三級(jí)預(yù)警，信息傳送至大數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，同時(shí)可以直接發(fā)送至客戶手機(jī)客戶端起到安全預(yù)警作用。

圖9 客戶端監(jiān)測(cè)畫面

2.5.3 安全防墜落爬梯的應(yīng)用

云白煙囪在各平臺(tái)之間設(shè)置安全防墜落爬梯，為環(huán)保監(jiān)測(cè)人員及維修人員提供更有利的保護(hù)措施，當(dāng)發(fā)生打滑或墜落時(shí)，能夠瞬間鎖住人員，確保人員安全。

2.5.4 煙囪的安全驗(yàn)收

自立式鋼煙囪從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)和安裝均依據(jù)相關(guān)國(guó)家規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行，在保障滿足生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，增加了阻尼器、在線位移監(jiān)測(cè)和安全防墜落爬梯等安全措施的應(yīng)用，更加強(qiáng)化了自立式鋼煙囪的安全使用。相關(guān)設(shè)備質(zhì)量和安裝質(zhì)量驗(yàn)收，可參照以下相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，《GB 50051—2013煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》、《GB 50078—2008煙囪工程施工驗(yàn)收規(guī)范》、《GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3 結(jié)論

綜上所述，自立式鋼制煙囪在降低成本、提高質(zhì)量、縮短施工周期和使用安全性方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)，在今后的工業(yè)項(xiàng)目中會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。