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(gè)重要的不可缺少的構(gòu)筑物，同時(shí)也是一個(gè)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(gè)工廠的安全運(yùn)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(huì)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(huì)增加設(shè)備腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，甚至對結(jié)構(gòu)安全形成重大威脅。保證煙囪安全運(yùn)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\(yùn)行也具有重要意義[1]。

1 脫硫煙氣的特點(diǎn)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(huì)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(yùn)行檢修周期將會(huì)變短，檢修維護(hù)、甚至補(bǔ)修修復(fù)的工程量將會(huì)增大，煙囪的安全運(yùn)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(huì)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(diǎn)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(yùn)行時(shí)，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(dòng)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(huì)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(yùn)行時(shí)，這些液體在自然干燥下生成結(jié)晶鹽，同時(shí)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(dòng)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(shí)，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(jì)過雙管式的，但是設(shè)計(jì)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(dú)立承受各項(xiàng)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(jì)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(huì)使這種腐蝕現(xiàn)象加重；另外由于煙氣溫度的變化會(huì)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(diǎn)，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(jì)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(shí)，一般采用單筒式煙囪。

但當(dāng)煙氣屬強(qiáng)腐蝕性時(shí)，宜采用套筒式煙囪，即在承重外筒內(nèi)，另做獨(dú)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(jì)很難做到完全適應(yīng)這些頻繁變化的運(yùn)行條件。從防腐蝕設(shè)計(jì)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(jià)高；所以對于煙囪的防腐蝕設(shè)計(jì)，需要根據(jù)不同時(shí)期的各項(xiàng)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(diǎn)。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(jì)方案時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)行后出現(xiàn)腐蝕狀況需檢修維護(hù)或加固所需的投資費(fèi)用，即煙囪投資應(yīng)是煙囪使用壽命全周期內(nèi)的投資費(fèi)用，它包括初期的直接投資和正常運(yùn)行期間由于腐蝕危及安全帶來的檢修維護(hù)及加固費(fèi)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(shí)，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(shí)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(diǎn)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(jià)格很昂貴。鈦的優(yōu)點(diǎn)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(huì)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(diǎn)是價(jià)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(dú)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(huì)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(shí)，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(shí)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。基體相對于纖維來說，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(shí)一般不做內(nèi)襯使用，而是直接采用玻璃鋼煙囪。

3.4 密實(shí)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(shí)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(shí)踐證明，防腐效果良好。且投資費(fèi)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(shí)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(jiān)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(jiān)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(cuò)，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(shí)際情況考慮適宜的防腐內(nèi)襯。