1 新建湿烟囱的防腐要求
烟气腐蚀性等级是烟囱选型的主要依据, 相关的设计规程[3]中规定, 湿法脱硫后的湿烟气应按强腐蚀性等级考虑。电厂烟囱安全运行的必要条件是承重的钢筋混凝土外筒不被烟气腐蚀, 排烟内筒在运行期间能尽可能地抗烟气腐蚀, 因此, 湿烟囱的 方案应是排烟筒与承重筒分开布置的多管式烟囱。从材料的抗渗密闭性、耐久性以及施工周期等方面来看, 脱硫烟囱采用钢内筒优于砖砌内筒[4]。
圆形截面的烟囱与异形截面的相比, 具有简单、规则、对称的特点。在结构受力方面, 圆形截面烟囱的风荷载体型系数 小, 结构对称从而扭转效应 小, 对抗震有利;在设计周期方面, 塔架烟囱、方筒 (包括H型) 需额外增加一定的结构试验时间;在施工工期方面, 异形烟囱比圆形烟囱工期长;在技术方面, 圆筒、方筒 (包含H型) 和塔架烟囱都是完全可行的。表1为基于烟囱选型的5个方面, 对烟囱外筒形式进行对比分析[5]。
目前新建的燃煤火电厂一般远离大城市, 对烟囱外形的环境适应性没有特殊要求, 因而烟囱承重结构的选取, 主要考虑在满足功能要求的前提下造价 。外筒为圆形的多管式烟囱在国内外大型火电厂的烟囱方案中占绝大多数, 而且设计、施工等均已很成熟。由表1可见, 普通圆形钢筋混凝土外筒是新建烟囱外筒的 选择。
燃煤机组采用湿法脱硫技术并且不设旁路及不设GGH时, 进入烟囱的烟气温度为40~50℃, 属于湿烟囱, 按强腐蚀性等级考虑。烟囱结构选型及防腐内衬材料的选择, 必须考虑以下几个方面:技术可行, 满足烟囱在复杂化学环境下的防腐要求;经济合理, 具有较低的建设成本;施工条件好, 质量易控制, 施工周期短;运行维护费用低, 检修方便。需注意的是, 材料的选择不仅应考虑初期成本, 还应综合考虑装置的可靠运行周期 (即大修周期) 和总使用寿命等相关问题。
3.1 钛钢复合板内筒
目前国内已有多家电厂采用钛钢复合板钢套筒烟囱, 钛钢复合板是以低碳钢为基材, 以钛板为复层的2层金属复合板。钛钢复合板[5-6]是一种成熟的组合材料, 有专门的 标准, 但焊接工艺比较复杂, 保证焊接质量比较困难, 焊缝和划痕处是腐蚀的薄弱环节, 极易出现腐蚀问题。
近几年来, 钛板价格持续下降, 并且施工工艺也有很大进步。目前在国内许多新建电厂或烟囱改造项目中, 大多考虑采用钛钢复合板内筒方案, 而在国外十几年前 已采用钛钢复合板作为烟囱内筒, 应用起步较早。
镍基合金内衬是国际工业烟囱协会推荐的脱硫系统不设GGH情况下另一种烟囱防腐内衬。用于烟囱内衬的镍基合金是C276, 在镍基中同时加入Cr、Mo。据了解美国国内认证的烟囱内筒金属复合材料均是镍基合金复合板 (钢号C276+Q235) , 没有关于钛钢复合板的认证[5]。有资料表明, 对于大多数腐蚀介质而言镍合金材料具有优异的耐腐蚀性, 是比钛板防腐性能更好的材料。但由于镍合金内衬造价太高, 国内电厂目前还没有采用镍基合金材料作为烟囱防腐内衬的先例。
玻璃砖分国产和进口2种, 比较有代表性的是美国Henkel公司开发的宾高德玻璃砖。江苏利港电厂、陕西霍洲电厂的烟囱钢内筒均采用宾高德玻璃砖内衬[5]。以泡沫硼硅玻璃结合人造橡胶技术制成的这种砖, 作为防腐衬里, 在暴露于脱硫系统酸冷液环境中具有较高的抗腐蚀性能。
防腐玻璃砖的吸水率是一项重要的性能指标, 常采用浸泡称重法进行检测, 吸水率不合格的砖块在实际运行中易吸收酸液, 会浸泡腐蚀内筒金属材料。
玻璃钢是由高强度的玻璃纤维和树脂复合而成的结构性和功能性均优的新型复合材料, 玻璃纤维提供强度和刚性, 树脂提供耐腐性和韧性。玻璃钢复合材料集中了玻璃纤维和合成树脂的特性, 具有质量轻、强度高、耐化学腐蚀等优点, 已成为燃煤电厂烟气脱硫排烟冷却塔烟道、浆液管道、烟囱等设备的优良选材。成型后的增强树脂结构层强度与普通钢材相当, 但其容重仅为钢材的 (1/4) ~ (1/5) 。应用玻璃钢排烟筒可以取消保温层, 特别适合燃煤电厂采用湿法脱硫技术但不设GGH的烟囱运行条件[7]。
4 湿烟囱内筒防腐方案经济性比较
表2 不同烟囱方案的经济比较Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes 下载原表
表2 不同烟囱方案的经济比较Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes
由表2可知, 钢内筒内衬宾高德防腐玻璃砖方案的造价 , 钛钢复合板内筒方案的造价居中, 玻璃钢内筒造价相对 , 但烟囱总造价, 后两者在价格方面未体现明显的差别, 其中进口玻璃砖价格市场波动较大。玻璃钢复合材料作为一种可设计的各向异性材料, 加工制造、施工安装的质量对其力学性能有很大影响, 其上述价格是参考某国外烟囱玻璃钢内筒施工单位的报价。
对于腐蚀性强的湿烟囱, 要采用耐腐蚀材料制作或在排烟筒中内衬耐腐蚀材料。针对不同的工况, 可以采用不同的防腐蚀材料和烟囱结构形式, 腐蚀较严重的烟囱可根据腐蚀介质和工况条件而采用玻璃钢、不锈钢、合金钢、钛复合板等防腐方案。
表3 电厂烟囱中几种适用材料的比较Tab.3 Comparison of chimney materials in coal-fired plants 下载原表
表3 电厂烟囱中几种适用材料的比较Tab.3 Comparison of chimney materials in coal-fired plants
6 结论
(1) 1 000 MW燃煤机组采用湿法脱硫技术但不设旁路不设GGH时, 烟囱烟气湿度大, 属于湿烟囱, 应按强腐蚀性等级考虑。烟囱结构形式的 方案应是排烟筒与承重筒分开布置的双管式烟囱, 采用普通圆形钢筋混凝土外筒, 内设2个排烟筒, 每炉各1个。
注: (1) “○”为建议采用的方案;“□”为可采用的方案;“△”为不宜采用的方案;“×”为不应采用的方案。 (2) 选择表中所列方案时, 其材料的性能应与实际烟囱运行工况相适应, 当烟气温度较高时, 内衬材料应满足长期耐高温要求。
(3) 由于目前对玻璃钢排烟筒的结构强度、耐温性、防火安全性、耐久性和安装工艺方面有所顾虑, 所以国内目前还没有推广采用此烟筒。如果1 000 MW燃煤机组采用玻璃钢内筒烟囱, 在招标和施工过程中必须对原材料、现场施工环境和产品质量等采取严格控制和监管措施。
