0 引言
目前, 我國電力企業主要采用濕法脫硫技術控制燃煤電廠煙氣中的SO2, 由于煙囪設計選型以及施工等方面的不完善, 導致煙囪腐蝕滲漏事例逐漸增多, 影響機組安全、可靠運行。石灰石-石膏濕法脫硫技術的特點[1]是脫硫系統位于除塵器之后, 經過濕法脫硫后煙溫下降較大。由此帶來一些不良的影響, 如煙囪內部出現結露現象, 煙流抬升高度降低, 煙囪內正壓范圍擴大等。采用濕法脫硫技術后, 可以加裝煙氣再熱器 (gas-gas heater, GGH) , 以提升煙氣溫度, 減輕下游設備的腐蝕, 但GGH的造價及運行成本高, 且GGH運行中差壓上升較快, 易發生堵塞。為降低成本并提高機組運行的安全、穩定性, 目前部分機組采用濕法脫硫技術但不加裝GGH的工藝。不加裝GGH的煙囪煙氣濕度大, 屬于濕煙囪, 應按強腐蝕性等級考慮。本文比較分析濕煙囪的各種防腐方案, 以期找出 方案。
1 新建濕煙囪的防腐要求
當燃煤火電廠采用濕法脫硫技術但不設GGH時, 進入煙囪的煙氣具有以下特點:脫硫后仍然含有少量SO2和大部分的SO3等腐蝕介質, 煙氣濕度大, 溫度為40~50℃, 煙囪將抵抗來自煙氣的化學腐蝕, 以及壓力、溫度等各種變化工況帶來的影響。因此, 對煙囪的結構選型和防腐提出了更高的要求[2]。
煙氣腐蝕性等級是煙囪選型的主要依據, 相關的設計規程[3]中規定, 濕法脫硫后的濕煙氣應按強腐蝕性等級考慮。電廠煙囪安全運行的必要條件是承重的鋼筋混凝土外筒不被煙氣腐蝕, 排煙內筒在運行期間能盡可能地抗煙氣腐蝕, 因此, 濕煙囪的 方案應是排煙筒與承重筒分開布置的多管式煙囪。從材料的抗滲密閉性、耐久性以及施工周期等方面來看, 脫硫煙囪采用鋼內筒優于磚砌內筒[4]。
2 煙囪外筒形式比較
圓形截面的煙囪與異形截面的相比, 具有簡單、規則、對稱的特點。在結構受力方面, 圓形截面煙囪的風荷載體型系數 小, 結構對稱從而扭轉效應 小, 對抗震有利;在設計周期方面, 塔架煙囪、方筒 (包括H型) 需額外增加一定的結構試驗時間;在施工工期方面, 異形煙囪比圓形煙囪工期長;在技術方面, 圓筒、方筒 (包含H型) 和塔架煙囪都是完全可行的。表1為基于煙囪選型的5個方面, 對煙囪外筒形式進行對比分析[5]。
表1 各種外筒形式的煙囪選型對比Tab.1 Comparison of chimney’s outer sleeve type 下載原表
表1 各種外筒形式的煙囪選型對比Tab.1 Comparison of chimney’s outer sleeve type
目前新建的燃煤火電廠一般遠離大城市, 對煙囪外形的環境適應性沒有特殊要求, 因而煙囪承重結構的選取, 主要考慮在滿足功能要求的前提下造價 。外筒為圓形的多管式煙囪在國內外大型火電廠的煙囪方案中占絕大多數, 而且設計、施工等均已很成熟。由表1可見, 普通圓形鋼筋混凝土外筒是新建煙囪外筒的 選擇。
3 濕煙囪內筒防腐方案可行性分析
燃煤機組采用濕法脫硫技術并且不設旁路及不設GGH時, 進入煙囪的煙氣溫度為40~50℃, 屬于濕煙囪, 按強腐蝕性等級考慮。煙囪結構選型及防腐內襯材料的選擇, 必須考慮以下幾個方面:技術可行, 滿足煙囪在復雜化學環境下的防腐要求;經濟合理, 具有較低的建設成本;施工條件好, 質量易控制, 施工周期短;運行維護費用低, 檢修方便。需注意的是, 材料的選擇不僅應考慮初期成本, 還應綜合考慮裝置的可靠運行周期 (即大修周期) 和總使用壽命等相關問題。
濕煙氣環境下, 1 000 MW燃煤機組采用2臺爐合用1座雙管內筒煙囪的方式, 選用普通圓形鋼筋混凝土外筒, 內設2個排煙筒, 每爐各1個。針對濕煙囪的運行條件, 煙囪內筒需要采取防腐措施, 下文為內筒各防腐方案的可行性比較。
3.1 鈦鋼復合板內筒
鈦板由于具有特定的化學性能, 因此防腐效果非常好, 脫硫后的強腐蝕性煙氣對鈦板的腐蝕性較小。此種內筒結構設計時不必預留腐蝕富裕度, 鈦板是國際工業煙囪協會推薦的, 脫硫系統不設GGH情況下煙囪防腐內襯材料之一。
目前國內已有多家電廠采用鈦鋼復合板鋼套筒煙囪, 鈦鋼復合板是以低碳鋼為基材, 以鈦板為復層的2層金屬復合板。鈦鋼復合板[5-6]是一種成熟的組合材料, 有專門的 標準, 但焊接工藝比較復雜, 保證焊接質量比較困難, 焊縫和劃痕處是腐蝕的薄弱環節, 極易出現腐蝕問題。
鈦板與碳鋼不宜直接焊接, 因直接互相熔合后會產生脆性的金屬間化合物而使焊縫變脆。因此鋼內筒鈦板可采用現場掛貼或爆炸復合2種工藝, 因掛貼工藝可能會導致鈦板發生“呼吸”現象以至疲勞破壞, 故推薦采用爆炸復合工藝。
近幾年來, 鈦板價格持續下降, 并且施工工藝也有很大進步。目前在國內許多新建電廠或煙囪改造項目中, 大多考慮采用鈦鋼復合板內筒方案, 而在國外十幾年前 已采用鈦鋼復合板作為煙囪內筒, 應用起步較早。
3.2 鎳基合金內襯鋼內筒
鎳基合金內襯是國際工業煙囪協會推薦的脫硫系統不設GGH情況下另一種煙囪防腐內襯。用于煙囪內襯的鎳基合金是C276, 在鎳基中同時加入Cr、Mo。據了解美國國內認證的煙囪內筒金屬復合材料均是鎳基合金復合板 (鋼號C276+Q235) , 沒有關于鈦鋼復合板的認證[5]。有資料表明, 對于大多數腐蝕介質而言鎳合金材料具有優異的耐腐蝕性, 是比鈦板防腐性能更好的材料。但由于鎳合金內襯造價太高, 國內電廠目前還沒有采用鎳基合金材料作為煙囪防腐內襯的先例。
3.3 賓高德防腐玻璃磚內襯鋼內筒
玻璃磚分國產和進口2種, 比較有代表性的是美國Henkel公司開發的賓高德玻璃磚。江蘇利港電廠、陜西霍洲電廠的煙囪鋼內筒均采用賓高德玻璃磚內襯[5]。以泡沫硼硅玻璃結合人造橡膠技術制成的這種磚, 作為防腐襯里, 在暴露于脫硫系統酸冷液環境中具有較高的抗腐蝕性能。
粘結料的防腐、耐久性是關鍵, 它的老化、開裂都會直接影響整體內襯系統的防腐性能。施工中應保證磚縫及膠的密實, 缺陷部位可導致冷凝液滲漏而腐蝕鋼內筒。不論是國產還是進口玻璃磚, 都有一個適應煙囪運行溫度改變的問題, 當溫度變化時都可能造成防腐層開裂或脫落, 因此須定期進行檢修維護。
防腐玻璃磚的吸水率是一項重要的性能指標, 常采用浸泡稱重法進行檢測, 吸水率不合格的磚塊在實際運行中易吸收酸液, 會浸泡腐蝕內筒金屬材料。
3.4 玻璃鋼內筒
玻璃鋼是由高強度的玻璃纖維和樹脂復合而成的結構性和功能性均優的新型復合材料, 玻璃纖維提供強度和剛性, 樹脂提供耐腐性和韌性。玻璃鋼復合材料集中了玻璃纖維和合成樹脂的特性, 具有質量輕、強度高、耐化學腐蝕等優點, 已成為燃煤電廠煙氣脫硫排煙冷卻塔煙道、漿液管道、煙囪等設備的優良選材。成型后的增強樹脂結構層強度與普通鋼材相當, 但其容重僅為鋼材的 (1/4) ~ (1/5) 。應用玻璃鋼排煙筒可以取消保溫層, 特別適合燃煤電廠采用濕法脫硫技術但不設GGH的煙囪運行條件[7]。
由調研及相關資料可知, 目前美國電廠新建濕煙囪中, 有90%以上選擇玻璃鋼煙囪內筒[8], 玻璃鋼煙囪有超過30多年的持續安全應用業績;國內電廠新建濕煙囪中, 有部分已采用玻璃鋼內筒。
4 濕煙囪內筒防腐方案經濟性比較
基于某燃煤電廠2臺1 000 MW超超臨界機組, 在采用濕法脫硫技術但不設旁路及不設GGH的條件下, 對3種煙囪方案進行了經濟比較[7], 如表2所示。由于鎳基合金材料成本太高, 目前還沒有被國內電廠采用, 故在此不納入經濟對比方案。
表2 不同煙囪方案的經濟比較Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes 下載原表
表2 不同煙囪方案的經濟比較Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes
注:3種方案內筒支承方式均為懸掛式;玻璃鋼內筒價格按88 000元/m考慮;鈦鋼復合板內筒價格按20 700元/t考慮;Henkel防腐磚價格按2 000元/m2考慮。
由表2可知, 鋼內筒內襯賓高德防腐玻璃磚方案的造價 , 鈦鋼復合板內筒方案的造價居中, 玻璃鋼內筒造價相對 , 但煙囪總造價, 后兩者在價格方面未體現明顯的差別, 其中進口玻璃磚價格市場波動較大。玻璃鋼復合材料作為一種可設計的各向異性材料, 加工制造、施工安裝的質量對其力學性能有很大影響, 其上述價格是參考某國外煙囪玻璃鋼內筒施工單位的報價。
5 濕煙囪防腐方案比較結果
對于腐蝕性強的濕煙囪, 要采用耐腐蝕材料制作或在排煙筒中內襯耐腐蝕材料。針對不同的工況, 可以采用不同的防腐蝕材料和煙囪結構形式, 腐蝕較嚴重的煙囪可根據腐蝕介質和工況條件而采用玻璃鋼、不銹鋼、合金鋼、鈦復合板等防腐方案。
根據上述對各種方案的技術可行性及經濟性的分析, 并結合多年的國外應用實例, 認為整體玻璃鋼內筒形式不失為一種良好的煙囪防腐方案 (尤其是用于電力等行業中脫硫后濕煙囪防腐) , 是今后煙囪防腐蝕的重要發展方向。與其他形式相比, 整體玻璃鋼內筒形式具有以下優點:玻璃鋼能提供更寬范圍的耐腐蝕性能;使用壽命更長;玻璃鋼材料成本相對較低;玻璃鋼密度小, 使其更易運輸。表3[9]列出了幾種目前在電廠濕煙囪中適用材料的比較情況。
表3 電廠煙囪中幾種適用材料的比較Tab.3 Comparison of chimney materials in coal-fired plants 下載原表
表3 電廠煙囪中幾種適用材料的比較Tab.3 Comparison of chimney materials in coal-fired plants
2013年新出臺的煙囪設計規范[10]中指出, 煙囪的結構形式應根據煙氣的分類和腐蝕等級確定, 表4據此對各種工況下的煙囪防腐方案進行了總結歸納。
6 結論
燃煤火電廠采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前脫硫的主流, 經過上述濕煙囪內筒防腐方案的綜合討論, 可以得出如下結論:
(1) 1 000 MW燃煤機組采用濕法脫硫技術但不設旁路不設GGH時, 煙囪煙氣濕度大, 屬于濕煙囪, 應按強腐蝕性等級考慮。煙囪結構形式的 方案應是排煙筒與承重筒分開布置的雙管式煙囪, 采用普通圓形鋼筋混凝土外筒, 內設2個排煙筒, 每爐各1個。
表4 各種工況下煙囪防腐方案比較結果Tab.4 Comparison of anti-corrosion schemes for chimney under various conditions 下載原表
表4 各種工況下煙囪防腐方案比較結果Tab.4 Comparison of anti-corrosion schemes for chimney under various conditions
注: (1) “○”為建議采用的方案;“□”為可采用的方案;“△”為不宜采用的方案;“×”為不應采用的方案。 (2) 選擇表中所列方案時, 其材料的性能應與實際煙囪運行工況相適應, 當煙氣溫度較高時, 內襯材料應滿足長期耐高溫要求。
(2) 經過技術可行性和經濟性對比分析后可知, 鎳基合金材料由于成本太高, 國內電廠中目前還沒有被采用的先例;鋼內筒內襯賓高德防腐玻璃磚煙囪其造價 , 但是玻璃磚和粘結劑的質量和施工工藝要求極高;鈦鋼復合板煙囪是被認為目前國內用于濕煙囪防腐的 可靠方案, 焊接施工比較復雜, 保證焊接質量比較困難, 其造價在3種比較方案里居中;玻璃鋼排煙筒煙囪是一種較為理想的防腐方案, 耐腐蝕性能好, 在國外的應用已比較成熟, 其工程造價略高于鈦鋼復合板煙囪方案的造價。
(3) 由于目前對玻璃鋼排煙筒的結構強度、耐溫性、防火安全性、耐久性和安裝工藝方面有所顧慮, 所以國內目前還沒有推廣采用此煙筒。如果1 000 MW燃煤機組采用玻璃鋼內筒煙囪, 在招標和施工過程中必須對原材料、現場施工環境和產品質量等采取嚴格控制和監管措施。
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