燃煤電廠煙氣濕法脫硫煙囪防腐技術(shù)創(chuàng)新的思路及其應(yīng)用

張慶虎

（浙江順豪新材料有限公司，浙江 杭州 311121）

0 前言

燃煤電廠煙氣中含有對(duì)大氣環(huán)境污染的二氧化硫（SO2）和三氧化硫（SO3）以及少量的含氯、含氟、含硝等腐蝕性化學(xué)成份。早期燃煤電廠煙氣是經(jīng)煙囪直排到大氣層，排放煙氣的溫度大約為90～140℃，煙囪內(nèi)壁只是受到氣體的侵蝕和沖刷，通過襯砌耐高溫防腐蝕磚就可輕而易舉地解決煙囪的腐蝕問題。但是隨著國家環(huán)保大政方針的不斷強(qiáng)化，燃煤電廠煙氣必須經(jīng)過脫硫后才能進(jìn)入煙囪排放。加裝濕法脫硫裝置后，進(jìn)入煙囪的煙氣溫度在80℃以下，低于酸（H2SO4、HNO3、HCl、HF等）蒸汽的露點(diǎn)，煙囪內(nèi)壁將會(huì)有酸液流淌，對(duì)煙囪有很強(qiáng)的腐蝕性。國內(nèi)曾經(jīng)有過這樣的案例，某燃煤電廠雖然在原有的排煙系統(tǒng)加裝了脫硫裝置，但對(duì)煙囪未進(jìn)行防腐改造，5年之內(nèi)煙囪內(nèi)壁嚴(yán)重腐蝕，幾乎危機(jī)到整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，由此可見，燃煤電廠脫硫煙囪的防腐極為重要。

室溫硫化丁基橡膠防腐襯里是上世紀(jì)90年代由杭州順豪橡膠工程公司最早在國內(nèi)開發(fā)出來的第四代橡膠防腐襯里，多年來被成功地用于石油、化工、冶金、電力、食品、醫(yī)藥及環(huán)境保護(hù)等行業(yè)的防腐工程。尤其是將其應(yīng)用于煙氣濕法脫硫系統(tǒng)的吸收塔、事故漿液箱、管道等設(shè)備，至今設(shè)備運(yùn)行良好。

本文旨在通過對(duì)燃煤電廠煙氣濕法脫硫煙囪防腐技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀的綜合分析，探討排放系統(tǒng)脫硫防腐失效的基本原因，結(jié)合防腐工程施工的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上提出濕法脫硫煙囪防腐的技術(shù)創(chuàng)新思路，簡要介紹了自硫化丁基橡膠防腐襯里應(yīng)用于濕法脫硫煙囪防腐的可行性和工程應(yīng)用案例。

1 國內(nèi)燃煤電廠脫硫煙囪防腐現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)行防腐技術(shù)方案

目前對(duì)于燃煤電廠脫硫煙囪的防腐處理通常采用防腐磚加膠粘劑、防腐涂料和耐腐蝕金屬內(nèi)筒等3種方案[1,2]，其它還有諸如整體玻璃鋼煙囪、耐酸膠泥與耐酸磚板內(nèi)襯、耐酸混凝土等方案，但在國內(nèi)應(yīng)用極少。

磚砌內(nèi)襯防腐密封層：包括襯砌各種耐酸磚、發(fā)泡玻璃磚、板，是傳統(tǒng)的防腐手段。砌塊之間用粘合劑粘合，并采用粘合材料對(duì)砌塊間的縫隙勾縫,阻斷煙氣對(duì)煙筒內(nèi)壁的腐蝕。其特點(diǎn)是材料耐腐蝕，耐高溫，施工簡單易行。但整體防腐性能差，襯體層受熱脹冷縮應(yīng)力影響，勾縫易產(chǎn)生開裂，造成滲漏腐蝕。為此，就出現(xiàn)了以泡沫硼硅玻璃與合成橡膠復(fù)合而成的泡沫玻璃磚，雖有改善，但尚未達(dá)到預(yù)期效果。

涂覆各種防腐涂料：這類防腐技術(shù)因材料和工藝的不同而出現(xiàn)幾種衍生技術(shù)。

其一是噴涂或涂刷耐腐蝕玻璃鱗片樹脂防腐涂層，其優(yōu)點(diǎn)是耐酸、耐高溫。但易起皮、龜裂或脫落；其二是噴涂耐酸混凝土，表面再加抹一層乙烯基玻璃鱗片樹脂，其工藝是在鋼套筒內(nèi)壁焊上短錨筋，掛上鋼絲網(wǎng)，然后噴涂50～70mm厚耐熱耐酸混凝土，混凝土表面加抹一層乙烯基玻璃鱗片樹脂。其工藝較復(fù)雜，而且增加了鋼筒的壁厚和基礎(chǔ)荷載。材料損耗大，煙氣溫度過高，防腐層易產(chǎn)生細(xì)小裂縫，若煙氣回到低溫潮濕狀態(tài)，冷凝的酸液易通過裂縫，滲透到鋼套筒內(nèi)壁，造成腐蝕。

內(nèi)襯高性能的耐腐蝕金屬鈦板：鈦及鈦合金強(qiáng)度高，鈍化能力強(qiáng)，耐腐蝕性能好。采用爆炸復(fù)合、爆炸軋制復(fù)合工藝將鈦及鈦合金與鋼板結(jié)合成鈦鋼復(fù)合板，能抵御多種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，耐久性很好。但缺點(diǎn)工程造價(jià)高，焊接技術(shù)要求高。在長期腐蝕環(huán)境中，焊縫腐蝕滲透容易出現(xiàn)。

1.2 設(shè)備運(yùn)行狀況

由于我國火電廠大規(guī)模推廣脫硫技術(shù)起步較晚，對(duì)于實(shí)施濕法脫硫（WFGD）后的煙囪防腐技術(shù)研究和應(yīng)用也處于起步階段，雖然在設(shè)計(jì)和施工過程中部分借鑒了國外經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)際效果并未達(dá)到設(shè)計(jì)初衷（煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命50年；排煙功能設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命30年要求）。部分發(fā)電集團(tuán)、設(shè)計(jì)院以及行業(yè)協(xié)會(huì)曾對(duì)火電廠實(shí)施煙氣脫硫后煙囪的防腐方案及防護(hù)效果進(jìn)行了調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，基本上能代表目前國內(nèi)火力電廠煙囪的防腐狀況。

（1）調(diào)查結(jié)果之一：2010年對(duì)廣東省11家火電廠的脫硫系統(tǒng)及煙囪的腐蝕情況進(jìn)行了調(diào)研和分析[3]，其中11個(gè)電廠的煙囪均為半濕煙囪工況，即脫硫系統(tǒng)均設(shè)有煙氣加熱裝置（GGH或蒸汽加熱）。采用防腐磚加膠粘劑或防腐涂料對(duì)煙囪進(jìn)行防腐處理后，運(yùn)行情況比較理想。歸其原因是流經(jīng)煙囪的煙氣介質(zhì)溫度仍在85～90℃之間，未出現(xiàn)煙氣介質(zhì)的冷凝情況，即所謂的半濕煙囪實(shí)際運(yùn)行的工況還是干態(tài)的。有人做過估算加裝GGH的脫硫系統(tǒng)投資要高出7%左右，運(yùn)行和維護(hù)成本也比較高一些。雖然之前德國、日本設(shè)計(jì)的脫硫系統(tǒng)都加裝GGH，但20世紀(jì)80年代以后美國設(shè)計(jì)的脫硫系統(tǒng)大多數(shù)都不在加裝GGH；

（2）調(diào)查結(jié)果之二：經(jīng)過調(diào)查，收集了12項(xiàng)工程的13座煙囪以及全國各地10余項(xiàng)煙氣濕法脫硫機(jī)組不設(shè)GGH的煙囪工程腐蝕滲漏資料[4]。結(jié)果表明，不設(shè)GGH的磚內(nèi)襯層煙囪或單筒式煙囪腐蝕滲漏情況十分嚴(yán)重，鋼內(nèi)襯層加防腐層的腐蝕滲漏情況也不是很理想，具體表現(xiàn)為，砌體結(jié)構(gòu)的排煙內(nèi)襯層或內(nèi)襯，由于煙氣正壓運(yùn)行，煙氣冷凝結(jié)露，滲漏非常突出，出現(xiàn)腐蝕狀況的速度很快，最快者在脫硫系統(tǒng)投運(yùn)后不到1個(gè)月就發(fā)生煙氣泄漏；鋼內(nèi)襯層結(jié)構(gòu)的排煙內(nèi)襯層，由于局部防腐層的脫落導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)鋼內(nèi)襯層腐蝕穿透和滲漏；外接煙道及與煙囪內(nèi)煙道相連接處的腐蝕滲漏突出，設(shè)GGH的磚內(nèi)襯層煙囪腐蝕滲漏狀況較少，個(gè)別磚套筒煙囪的磚砌體有微裂縫現(xiàn)象出現(xiàn)顯著；

（3）調(diào)查結(jié)果之三：2009年曾對(duì)之前5年各有關(guān)發(fā)電企業(yè)建成投運(yùn)和正在建設(shè)的226個(gè)火力發(fā)電廠脫硫煙囪（道）防腐工程開展了函調(diào)[5]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前我國脫硫煙囪所采用的13種防腐方案中有10種方案由于防腐方案設(shè)計(jì)不合理、防腐材料質(zhì)量不過關(guān)、施工過程質(zhì)量控制不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仍?，造成煙囪防腐出現(xiàn)過不同程度的損壞現(xiàn)象；函調(diào)煙囪總數(shù)的20%及以上出現(xiàn)了防腐層開裂、沖刷或脫落、酸液滲漏等問題；更為嚴(yán)重的是發(fā)現(xiàn)最短的防腐體系竟然僅僅維持了2個(gè)月時(shí)間，就發(fā)現(xiàn)防腐層脫落，對(duì)煙囪造成嚴(yán)重腐蝕。

2 脫硫煙囪工況條件及其防腐失效原因探討

2.1 工況條件

如表1所示，為某36OMW機(jī)組煙氣脫硫前后的煙氣負(fù)荷數(shù)據(jù)（單臺(tái)機(jī)組、單臺(tái)FGO運(yùn)行時(shí)）[6]?？梢姼蔁煔饨?jīng)過脫硫處理之后，溫度只有50℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于酸溶液的露點(diǎn)，煙氣中的SO2、SO3冷凝后形成稀硫酸，沿?zé)煹辣谙蛳铝魈?，期間酸液又反復(fù)蒸發(fā)濃縮，這就導(dǎo)致煙囪內(nèi)壁長期被酸溶液所蝕。同時(shí)，由于煙囪內(nèi)部具有一定壓差，將會(huì)加劇酸溶液向襯里層滲透。除此之外，煙氣的高速流動(dòng)對(duì)煙囪內(nèi)壁長期的磨蝕和沖刷。

值得關(guān)注的是，一般煙囪的底部直徑會(huì)超過10m，高度大約在100～200m，氣候和煙氣溫度變化引起的煙囪塔體熱脹冷縮所產(chǎn)生的變形不可低估，煙氣氣流湍動(dòng)或風(fēng)力也會(huì)引起其結(jié)構(gòu)震顫或者搖擺，也就是說襯里材料在工作狀態(tài)下也應(yīng)當(dāng)具有良好的彈性，以適應(yīng)煙囪塔體的局部或整體變形。

2.2 防腐失效的基本原因探討

造成脫硫煙囪防腐失效的因素多種多樣，襯里材料、施工工藝以及襯貼面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都有可能導(dǎo)致防腐失效。但仔細(xì)探究防腐失效的根源，顯然不是材料本身不耐腐蝕而造成。應(yīng)當(dāng)說，常用的各種耐酸磚、發(fā)泡玻璃磚/板、防腐樹脂涂料、玻璃鱗片等等，就其本身性能而言都具有良好的防腐蝕、耐流體磨蝕和沖刷性能，但實(shí)際上防腐失效的最直接的因素是工程施工工藝和防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，而并非所用的防腐材料問題所造成，也就是說所采用的防腐材料不能完全適應(yīng)脫硫煙囪的實(shí)際工況條件。如：磚砌內(nèi)襯產(chǎn)生裂縫，玻璃鱗片涂層的脫層、裂縫，鈦復(fù)合板的焊縫應(yīng)力和電腐蝕等均因應(yīng)力集中、振動(dòng)、晃動(dòng)、內(nèi)外層材料的線脹系數(shù)不協(xié)調(diào)等因素，而致使煙囪防腐早期損壞產(chǎn)生失效。

表1 360MW機(jī)組煙氣脫硫前后的煙氣負(fù)荷數(shù)據(jù)（單臺(tái)機(jī)組、單臺(tái)FGO運(yùn)行時(shí)）

而這些原因均直接與煙囪本身結(jié)構(gòu)高而大、施工工藝要求高這一特點(diǎn)關(guān)聯(lián)。煙囪塔體高而大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在運(yùn)行中必然會(huì)受到晃動(dòng)、振動(dòng)和應(yīng)力集中等力學(xué)作用，施工過程的工藝不到位等物理的和人為因素也會(huì)致使防腐層的完整性受到破壞。至此，不難得出解決煙囪防腐失效的技術(shù)方案，即：既要減少、吸收和化解煙囪結(jié)構(gòu)震顫和變形所引起的應(yīng)力破壞作用，又要解決高空施工困難所帶來的人為隱患，以獲得良好和持久的防腐效果。

3 脫硫煙囪防腐的技術(shù)創(chuàng)新思路

3.1 防腐材料選擇

防腐襯里專用自硫化丁基橡膠QH-90具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能、耐介質(zhì)性能和工藝性能（如表2所示），在煙氣脫硫設(shè)施防腐工程實(shí)際應(yīng)用過程中經(jīng)歷了長期的考驗(yàn)，獲得了令人滿意的效果。基于上述的分析和討論，防腐襯里專用自硫化丁基橡膠應(yīng)該說是燃煤電廠煙氣濕法脫硫煙囪防腐的首選材料，它既可以在室溫下自然硫化，又可以高溫?zé)釅毫蚧尚?，適應(yīng)各種施工工藝。

表2 防腐襯里專用自硫化丁基橡膠性能

3.2 防腐工程和施工工藝設(shè)計(jì)方案

脫硫煙囪是一個(gè)體積高大的特殊設(shè)施，防腐施工面為半封閉空間，高空作業(yè)物料投送、施工作業(yè)比較困難。更重要的是由于煙囪對(duì)空氣的虹吸作用（亦稱為“煙囪效應(yīng)”），使塔體內(nèi)部氣流不穩(wěn)定，由此造成現(xiàn)場施工時(shí)粘合劑溶劑揮發(fā)不穩(wěn)定，襯貼膠板施工工藝就很難把握。所以，可將模塊化技術(shù)（Modular Technology）應(yīng)用于脫硫煙囪防腐工程，其中包括：模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊制造和模塊集成安裝等技術(shù)環(huán)節(jié)。根據(jù)脫硫設(shè)施防腐的特殊工況條件（強(qiáng)腐蝕、熱沖擊和動(dòng)態(tài)力學(xué)狀態(tài)等）和施工特點(diǎn)（施工期短—防腐是主體工程交工前的最后工序，防腐施工工期很短；養(yǎng)護(hù)期短—業(yè)主和施工總包方施工完之后總希望設(shè)備盡快運(yùn)營）來看，這種模塊化防腐施工技術(shù)應(yīng)該是最佳選擇。

具體可按如下方案實(shí)施：

（1）防腐工程設(shè)計(jì)：防腐工程設(shè)計(jì)可與煙囪主體設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，根據(jù)煙囪內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，在主體工程的防腐工作面上預(yù)埋防腐橡膠復(fù)合模塊的安裝接口（掛鉤），由此確定。防腐橡膠復(fù)合模塊的結(jié)構(gòu)和尺寸；

（2）防腐橡膠復(fù)合模塊設(shè)計(jì)：防腐橡膠復(fù)合模塊采用金屬板作為骨架材料，外部用防腐橡膠包覆，橡膠與金屬界面采用熱硫化粘合，并在模塊的金屬骨架上設(shè)有與煙囪內(nèi)壁預(yù)埋的掛鉤相配的安裝接口（掛口）；

（3）防腐橡膠復(fù)合模塊制造：可與煙囪主體工程施工同步在工廠采用模壓硫化成型工藝制造完成；

（4）防腐橡膠復(fù)合模塊集成安裝：將工廠預(yù)制的防腐橡膠復(fù)合模塊運(yùn)到施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝集成，拼裝縫隙用自硫化丁基橡膠膠泥勾縫。

4 防腐工程應(yīng)用結(jié)果

自硫化丁基橡膠防腐襯里技術(shù)自90年代發(fā)明至今天已走過30個(gè)年頭，在國內(nèi)各行業(yè)的防腐施工面積超過200萬平方米，其中脫硫設(shè)施最長應(yīng)用接近20多年，至今防腐襯里運(yùn)行情況良好。

目前，煙囪防腐采用自硫化丁基橡膠襯里這一技術(shù)已有成功先例，其中：山東淄博某電廠（如圖6所示）的脫硫煙囪防腐采用自硫化丁基橡膠襯里技術(shù)已安全運(yùn)行7年，多次例檢未見有任何不良現(xiàn)象。良好的工程業(yè)績已深受用戶歡迎，煙囪橡膠襯里的成功案例是開創(chuàng)煙囪防腐技術(shù)先河，無疑也是煙囪防腐技術(shù)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用的一次技術(shù)革命。

圖6 某電廠脫硫煙囪橡膠防腐襯里

綜上所述，自硫化丁基橡膠襯里無論從技術(shù)上還是實(shí)踐上已經(jīng)是目前煙囪防腐最理想的技術(shù)和解決方案，特別是對(duì)于濕式脫硫又不設(shè)置GGH的燃煤機(jī)組煙囪防腐工程來說，采用這種專業(yè)化、精益化生產(chǎn)和制造技術(shù)方案是值得大力推崇的先進(jìn)理念。