濕法脫硫后尾氣煙囪結(jié)構(gòu)選型及防腐方案論述

岳煥玲

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

煙囪是工業(yè)企業(yè)一個重要的不可缺少的構(gòu)筑物，同時也是一個排放煙氣的重要設(shè)施，通過煙囪將廢氣排放入周圍大氣。經(jīng)過廢氣在高空中的擴(kuò)散，降低周邊煙氣濃度，使得廠區(qū)周圍的環(huán)境達(dá)標(biāo)。其可靠性直接關(guān)系到整個工廠的安全運行。近年來，為了滿足污染物排放控制要求，工業(yè)企業(yè)都安裝了脫硫裝置以減少SO2的排放，其中濕法脫硫以其脫硫效率高而被廣泛應(yīng)用，濕法脫硫后煙氣溫度降低會導(dǎo)致在煙囪排煙筒內(nèi)表面上的濕氣凝結(jié)增加，這種凝結(jié)具有較強(qiáng)腐蝕性，會增加設(shè)備腐蝕的風(fēng)險，甚至對結(jié)構(gòu)安全形成重大威脅。保證煙囪安全運行，首先必須保證結(jié)構(gòu)的安全性。除此之外，做好煙囪的結(jié)構(gòu)選型、排煙筒的防腐以及防腐隔熱材料的選擇，對保證煙囪結(jié)構(gòu)安全、正?？煽窟\行也具有重要意義[1]。

1 脫硫煙氣的特點和腐蝕性

濕法脫硫工藝對煙氣中的SO2脫除效率很高，但對造成煙氣腐蝕主要成分的SO3脫除效率不高，約20%左右。因此，煙氣脫硫后，對煙囪的腐蝕隱患并未消除，相反脫硫后的煙氣環(huán)境(低溫、高濕、冷凝結(jié)露和正壓狀態(tài)等)會使腐蝕狀況進(jìn)一步加劇。對煙氣濕法脫硫、且不設(shè)置煙氣加熱系統(tǒng)GGH的狀況，由于排放的煙氣溫度低于冷凝結(jié)露溫度，煙氣冷凝結(jié)露突出，煙囪內(nèi)的腐蝕環(huán)境復(fù)雜惡劣，腐蝕情況十分嚴(yán)重，帶來的影響則是煙囪運行檢修周期將會變短，檢修維護(hù)、甚至補(bǔ)修修復(fù)的工程量將會增大，煙囪的安全運行面臨較大的腐蝕滲漏問題。

煙氣腐蝕性機(jī)理分析對于確定煙囪防腐蝕方案有著直接關(guān)系。煙囪腐蝕類型，按其腐蝕機(jī)理可分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕兩大類；按環(huán)境可分為煙氣腐蝕和大氣腐蝕；按防腐蝕狀態(tài)可分為氣態(tài)腐蝕和液態(tài)腐蝕。

(1)化學(xué)腐蝕

煙氣中對鋼有腐蝕作用的成分主要是SO2、SO3、HF、HCl、CO2、水汽等。濕法脫硫后煙氣中含有足夠的水分，煙囪內(nèi)壁產(chǎn)生的酸性液體會與金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性鐵鹽，對煙囪產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用，使金屬部件逐漸被破壞，其部分反應(yīng)方程式如下：

Fe+SO2+H2O=FeSO3+H2
Fe+SO2+O2=FeSO4
2HCl+Fe=FeCl2+H2

(2)電化學(xué)腐蝕

煙氣中殘余的水及電解質(zhì)在煙囪內(nèi)表面形成原電池，存在著陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，并伴有電流產(chǎn)生，使金屬逐漸銹蝕，特別在焊縫接點處更易發(fā)生。電化學(xué)方程式如下：

Fe→Fe2++2e
Fe2++8FeO·OH+2e→3Fe3O4+4H2O

此外，對采用石灰石- 石膏法脫硫后的煙氣還有結(jié)晶腐蝕。石灰石漿液吸收二氧化硫后生成可溶性硫酸鹽或亞硫酸鹽。脫硫系統(tǒng)正常運行時，煙氣中夾帶的大量未經(jīng)除塵或未被除凈的脫硫產(chǎn)物隨高速流動的煙氣進(jìn)入吸收塔出口煙道及煙道與煙囪的連接處，由于慣性作用，這些顆粒會附著于煙囪與煙道連接處的對面，部分液體滲透到防腐表面的毛細(xì)孔內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)停止運行時，這些液體在自然干燥下生成結(jié)晶鹽，同時體積膨脹，破壞防腐材料，使其蛻皮、疏松、破裂損壞。煙道氣中固體顆粒(如灰塵)與煙囪表面發(fā)生湍動摩擦，煙囪不斷被磨損，加速腐蝕過程，使煙囪壁逐漸變薄，造成了磨損腐蝕。

鋼筋混凝土煙囪和磚煙囪主體材料為非金屬材料，其腐蝕屬于化學(xué)腐蝕或物理腐蝕，表現(xiàn)為化學(xué)溶蝕和膨脹腐蝕?；瘜W(xué)溶蝕是材料與介質(zhì)相互作用，生成可溶性化合物或無膠結(jié)性產(chǎn)物的一類腐蝕?；瘜W(xué)介質(zhì)與材料中的一些礦物成份產(chǎn)生化學(xué)作用，使材料產(chǎn)生溶解或分解。對于煙囪主要是煙氣中酸性介質(zhì)與混凝土中堿性材料產(chǎn)生化學(xué)作用，其結(jié)果是煙囪筒壁內(nèi)表面腐蝕剝落，截面日益減小。膨脹腐蝕是由于新產(chǎn)生化合物體積膨脹，對材料產(chǎn)生較大的輻射壓力而導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞的一類腐蝕。引起體積膨脹的原因，主要是由于介質(zhì)與材料反應(yīng)生成的新生物的體積要比參與反應(yīng)的體積更大，或者是由于鹽類溶液滲入多孔材料內(nèi)部，所生成的結(jié)晶物的體積增大。煙囪砌筑類內(nèi)襯最容易發(fā)生該類腐蝕。

2 煙囪的結(jié)構(gòu)選型分析

2.1 煙囪結(jié)構(gòu)型式

按煙囪結(jié)構(gòu)形式一般有單筒式、套筒式、自立式、塔架式和拉索式等。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于煙囪選型的相關(guān)要求，當(dāng)排放強(qiáng)腐蝕性煙氣時，宜采用多管式或套筒式煙囪結(jié)構(gòu)型式，即把承重的鋼筋混凝土外筒和排煙筒分開，使外筒受力結(jié)構(gòu)不與強(qiáng)腐蝕性煙氣相接觸。

按煙囪材質(zhì)分類一般有磚煙囪、鋼筋混凝土煙囪、鋼煙囪和玻璃鋼煙囪等；單筒式煙囪一般有磚單筒式和混凝土單筒式兩種；套筒式煙囪有磚內(nèi)筒、鋼內(nèi)筒和玻璃鋼內(nèi)筒等，也可以分為單管式、雙管式和多管式。目前磚內(nèi)筒套筒式煙囪一般為單管式，現(xiàn)在國內(nèi)也有設(shè)計過雙管式的，但是設(shè)計和施工都非常困難，難以推廣。鋼內(nèi)筒套筒式煙囪單管、雙管和多管都有，目前國內(nèi)最大的有四管。自力式、塔架式和拉索式主要為鋼煙囪。塔架式煙囪也有采用玻璃鋼材質(zhì)的。

按煙囪的基礎(chǔ)受力方式分為自力式和懸吊式。自立式排煙筒結(jié)構(gòu)是其筒體下部是通過錨栓與基礎(chǔ)相連，筒體本身獨立承受各項外部荷載。鋼筋混凝土外筒壁與排煙筒之間均留有不小于1 m的空隙，并沿高度方向設(shè)有數(shù)層用于檢修維護(hù)的平臺，部分平臺設(shè)置制晃裝置，用于鋼筋混凝土外筒壁對排煙筒在水平方向的支承。懸吊式排煙筒結(jié)構(gòu)是在鋼筋混凝土外筒壁與排煙筒之間也都留有不小于1 m的空隙，并沿高度方向設(shè)有數(shù)層用于檢修維護(hù)的平臺，排煙筒則是分段懸吊在這些平臺中的幾層。根據(jù)不同的設(shè)計思想，排煙筒下部段可為自立式坐落在煙囪基礎(chǔ)上，也可懸空直接與水平煙道相連。各段排煙筒之間通過伸縮節(jié)相連，排煙筒的荷載(下部自立式除外)都是通過支撐平臺先傳給鋼筋混凝土外筒壁，再傳遞到基礎(chǔ)上。

2.2 煙囪結(jié)構(gòu)型式選擇原則

由于煙氣脫硫裝置安裝后煙溫下降較大，因此對于煙氣脫硫裝置安裝后的煙囪須考慮煙溫變化帶來的影響。煙囪內(nèi)煙氣溫度變化可能對煙囪帶來的影響主要有：由于煙氣溫度降低出現(xiàn)酸結(jié)露現(xiàn)象，造成煙囪內(nèi)部腐蝕，同樣由于煙溫降低，煙囪抽力下降后造成煙囪內(nèi)正壓區(qū)范圍擴(kuò)大會使這種腐蝕現(xiàn)象加重；另外由于煙氣溫度的變化會使煙囪的熱應(yīng)力發(fā)生改變。

煙氣脫硫裝置安裝后可能使煙氣溫度低于酸露點，造成對煙囪內(nèi)襯料以及鋼筋混凝土筒壁的腐蝕，致使其強(qiáng)度下降。

按照煙囪設(shè)計規(guī)范[2]要求，排放腐蝕性煙氣的煙囪結(jié)構(gòu)形式選擇原則如下：

(1)煙囪高度小于或等于100 m時，一般采用單筒式煙囪。

但當(dāng)煙氣屬強(qiáng)腐蝕性時，宜采用套筒式煙囪，即在承重外筒內(nèi)，另做獨立磚內(nèi)筒，使外筒受力結(jié)構(gòu)不與強(qiáng)腐蝕性煙氣接觸。

(2)煙囪高度大于100 m時，煙囪型式可根據(jù)煙氣腐蝕等級按下列規(guī)定采用：

①當(dāng)排放強(qiáng)腐蝕性煙氣時，宜采用套筒式或多管式煙囪。

②當(dāng)排放中等腐蝕性煙氣時，可根據(jù)煙囪的重要性既可采用套筒式或多管式煙囪，也可以采用防腐型單筒式煙囪。

③當(dāng)排放弱腐蝕性煙氣時，可采用普通單筒式煙囪，但應(yīng)采取有效防腐蝕措施。

3 煙囪防腐內(nèi)襯材料

受煙氣脫硫設(shè)施和爐窯運行狀況變化的影響，煙氣的溫度和濕度也隨之發(fā)生變化，即煙氣干- 濕、高- 低溫狀態(tài)轉(zhuǎn)換難以避免。因此，煙囪的防腐蝕設(shè)計很難做到完全適應(yīng)這些頻繁變化的運行條件。從防腐蝕設(shè)計的角度考慮，選擇的材料優(yōu)劣與煙囪的使用壽命成正比，優(yōu)質(zhì)的材料使用壽命長，但造價高；所以對于煙囪的防腐蝕設(shè)計，需要根據(jù)不同時期的各項條件統(tǒng)籌控制好煙囪安全可靠性與經(jīng)濟(jì)性的平衡點。一般情況下，當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)因素、降低本期工程直接投資、選用常規(guī)防腐蝕設(shè)計方案時，還應(yīng)考慮運行后出現(xiàn)腐蝕狀況需檢修維護(hù)或加固所需的投資費用，即煙囪投資應(yīng)是煙囪使用壽命全周期內(nèi)的投資費用，它包括初期的直接投資和正常運行期間由于腐蝕危及安全帶來的檢修維護(hù)及加固費用。

煙囪內(nèi)襯可分為有機(jī)內(nèi)襯和無機(jī)內(nèi)襯兩大類。在溫度超過149 ℃時，大多數(shù)的有機(jī)內(nèi)襯的彈性和耐酸性能力都要降低或失效。對于強(qiáng)腐蝕性煙氣內(nèi)襯方案的選擇上，要綜合考慮其技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性和施工方面等因素。目前可供選擇的方案主要有：鎳基復(fù)合鋼板或鈦基復(fù)合鋼板；泡沫玻璃磚內(nèi)襯；玻璃鋼排煙筒；密實型耐酸混凝土內(nèi)襯；玻璃鱗片、OM等防腐蝕涂料；賓高德玻璃磚內(nèi)襯；ECTFE內(nèi)襯等。

3.1 采用鎳基復(fù)合鋼板或鈦基復(fù)合鋼板內(nèi)襯

金屬合金鋼內(nèi)襯一般為鎳基合金板和鈦板耐腐蝕性能較好。鎳基合金是一種含鎢的鎳一鉻一鉬合金，其硅、碳的含量極低，在氧化和還原狀態(tài)下，對大多數(shù)腐蝕介質(zhì)具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、出色的耐點腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能；鉬、鉻含量較高，能夠耐氯離子的侵蝕；而鎢元素的存在，進(jìn)一步提高了其耐腐蝕性。鈦的強(qiáng)度高，耐蝕性能良好，密度介于鋼和鋁之間，為4.5 t/m3，其價格很昂貴。鈦的優(yōu)點就是鈍化能力強(qiáng)，很容易與氧結(jié)合成氧化膜。鈦的氧化膜因機(jī)械損傷破壞后，會很快愈合。因此，鈦對海水和其他氯化物鹽溶液、次氯酸鹽和濕氯氣、硝酸均有很好的耐蝕性。鈦及鈦合金的耐蝕性取決于是否保持鈍化。在不能鈍化的條件下，化學(xué)活性很高，不僅不耐蝕，甚至發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。

使用鎳基復(fù)合鋼板或鈦基復(fù)合鋼板做防腐內(nèi)襯，防腐、耐溫、耐磨性能都非常好，使用壽命長。缺點是價格昂貴、焊接技術(shù)有一定的特殊性。

3.2 采用輕質(zhì)發(fā)泡玻璃磚內(nèi)襯

泡沫玻璃是一種以玻璃為主要原料，加入適量發(fā)泡劑，通過高溫遂道窯爐加熱焙燒和退火冷卻加工處理后制得，具有均勻的獨立密閉氣隙結(jié)構(gòu)的新型無機(jī)絕熱材料。由于它完全保留了無機(jī)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，具有容重低、導(dǎo)熱系數(shù)小、不透濕、不吸水、不燃燒、不霉變、不受鼠嚙、機(jī)械強(qiáng)度高卻又易加工，能耐除氟化氫以外所有的化學(xué)侵蝕。泡沫玻璃不但本身無毒，化學(xué)性能穩(wěn)定，以及能在超低溫到高溫的廣泛溫度范圍內(nèi)不會變質(zhì)的良好隔熱性能，而且本身又起到防潮、防火、防腐的作用。它在低溫深冷、地下、露天、易燃、易潮以及化學(xué)侵蝕等苛刻環(huán)境下使用時，不但安全可靠，而且經(jīng)久耐用，被譽(yù)為“不需更換的永久隔熱材料”。所以被廣泛應(yīng)用于石油、化工、建筑、冷庫、地下工程、造船、國防軍工等永久性工程的隔熱保冷。

泡沫玻璃磚做為煙囪防腐內(nèi)襯系統(tǒng)分為三重保護(hù)：第一層為底層耐溫涂料，該涂料由雙組份構(gòu)成，其主要成分為環(huán)氧樹脂，其具有極強(qiáng)的附著力和耐溫性，耐溫可達(dá)200 ℃，且干燥時間快，強(qiáng)度大，抗摩擦，施工簡便。第二層為耐溫粘膠劑，其主要成分為硅橡膠，主要由高分子量的線性聚硅氧烷與填料及其它添加劑混合而成。按固化溫度不同可分為高溫固化、室溫固化和低溫固化三類，其中室溫固化型由含端羥基的聚硅氧烷加入填料、鉸鏈劑及其它添加劑組成，其操作簡單，使用方便而被廣泛應(yīng)用。第三層為泡沫玻璃磚，由于泡沫玻璃磚以玻璃為原料，經(jīng)窯爐高溫發(fā)泡燒制的無機(jī)材料，因此具有很好的穩(wěn)定性和耐溫性，抗老化性能優(yōu)良。

3.3 玻璃鋼

玻璃鋼別名玻璃纖維增強(qiáng)塑料，俗稱FRP(Fiber Reinforced Plastics)，即纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料。根據(jù)采用的纖維不同分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(GFRP)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(CFRP)，硼纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料等。它是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強(qiáng)材料，以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和基體組成。纖維(或晶須)的直徑很小，一般在10 μm以下，缺陷較少又較小，斷裂應(yīng)變約為千分之三十以內(nèi)，是脆性材料，易損傷、斷裂和受到腐蝕?；w相對于纖維來說，強(qiáng)度、模量都要低很多，但可以經(jīng)受住大的應(yīng)變，往往具有粘彈性和彈塑性，是韌性材料。采用玻璃鋼做煙囪材料時一般不做內(nèi)襯使用，而是直接采用玻璃鋼煙囪。

3.4 密實型耐酸混凝土內(nèi)襯

通常耐酸混凝土是指普通的水玻璃耐酸混凝土，它雖然有較高的力學(xué)強(qiáng)度和良好的耐酸穩(wěn)定性，但由于材料的孔隙率大，抗?jié)B性差，因而不耐結(jié)晶鹽的腐蝕，特別不耐水和稀硫酸的腐蝕，使用范圍受到很大限制。所謂密實性耐酸混凝土，就是在普通水玻璃耐酸混凝土中加入一些外加劑，如抗?jié)B劑、滲透劑等，用于改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，可大幅度提高水玻璃耐酸混凝土的密度和遏制酸液的滲透能力，因而它適用范圍越來越廣，從單純的用于濃硫酸場合而發(fā)展成為用于稀、濃硫酸并且和水交替的場合。實踐證明，防腐效果良好。且投資費用較低。

3.5 玻璃鱗片內(nèi)襯

玻璃鱗片樹脂襯里是以樹脂為主要基料，以薄片狀填料(10%～40%片徑不等的玻璃鱗片)為骨料，添加各種功能添加劑混配成膠泥狀或涂料狀防腐材料，再經(jīng)專用設(shè)備或人工按一定施工規(guī)程凃覆在被防護(hù)基體表面而形成的防腐蝕保護(hù)層。鱗片膠泥的耐溫性及耐腐蝕性主要取決于樹脂的性能，目前應(yīng)用最多的乙烯基樹脂耐溫、耐腐蝕性較高。玻璃鱗片涂層抗?jié)B透性好，膠泥在施工完畢后，重疊排列的扁平玻璃鱗片構(gòu)成致密的防滲層結(jié)構(gòu)，形成迷宮效應(yīng)，腐蝕介質(zhì)在固化后的膠泥中的滲透須經(jīng)過較長時間和復(fù)雜的路徑，從而能夠有效地抑制腐蝕介質(zhì)的滲透速度。鱗片膠泥內(nèi)襯有較好的防腐性能，但適應(yīng)溫度較低，使用壽命較短，需要定期進(jìn)行檢查、修復(fù)。

3.6 OM防腐蝕涂料內(nèi)襯

OM防腐涂料是一種高效防腐涂料，有效成分為一種高分子滲透聚合物添加防腐顏料，耐候性好，防腐性能優(yōu)異。漆膜堅硬，附著力好，光亮豐滿。有較好的耐磨、 耐酸、耐水、耐油、耐熱等性能。漆膜堅硬耐磨致密性好，漆膜對一氧化碳、二氧化硫等腐蝕干熱潮濕氣體均具有承耐性，該類型涂料常溫自干。目前做為煙囪內(nèi)壁防腐涂料應(yīng)用較多。

3.7 賓高德玻璃磚內(nèi)襯

賓高德玻璃磚是具有一定厚度的塊體材料，分為國產(chǎn)賓高德玻璃磚和進(jìn)口玻璃磚，目前在國內(nèi)常見的是國產(chǎn)賓高德玻璃磚，它由與之配套的粘結(jié)劑粘貼在排煙筒與煙氣接觸的內(nèi)表面，形成防護(hù)層。對排煙筒來說，不但起到防腐防滲的作用，還起到隔熱保溫作用，是目前較常采用的排煙筒防腐蝕方案，玻璃磚防護(hù)層的厚度一般考慮50 mm厚。賓高德玻璃磚方案的優(yōu)點是：施工相對便利，容易檢查，排煙筒可選用常規(guī)的Q235B鋼，其外表面不需要再設(shè)置專門的隔熱保溫層，可靠性和耐久性相對較好，但已運行煙囪中也出現(xiàn)過國產(chǎn)玻璃磚防護(hù)層溫度變化開裂、局部脫落和腐蝕滲漏狀況；缺點是施工周期較長，施工質(zhì)量控制難度大，宜出現(xiàn)施工方面材料選取的人為差錯，需有效控制玻璃磚的耐濕變性能、耐氣流沖刷性能和粘結(jié)耐久性能的要求和措施。

3.8 ECTFE內(nèi)襯

ECTFE由乙烯與三氟氯乙烯以等摩爾比共聚物制得的交替共聚物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和不燃性，以及良好的電性能和機(jī)械性能，可用于一般熱塑性塑料的成型方法加工?？稍?50～170 ℃的范圍內(nèi)使用，其強(qiáng)度、耐磨性、抗蠕變性大大高于PTEE、FEP和PFA，它在室溫和高溫下耐大多數(shù)腐蝕性化學(xué)品和有機(jī)溶劑，不著火，可防止火焰擴(kuò)散。用于煙囪內(nèi)襯比較合適。

4 結(jié)束語

濕法脫硫后煙氣由于溫度降低，且煙氣基本處于飽和狀態(tài)，煙氣中的SO3與水蒸汽結(jié)合形成硫酸，使煙氣的腐蝕性能大大增加，造成對煙囪內(nèi)襯材料以及鋼筋混凝土筒壁的腐蝕，致使其強(qiáng)度下降。因此排放脫硫后煙氣的煙囪必須根據(jù)工程實際情況考慮適宜的防腐內(nèi)襯。