烟囱的设计

[摘要]结合工程设计的实践经验,谈谈城市生活垃圾焚烧工程中烟囱设计的体会,内容包括与烟囱设计有关的工艺设计、结构设计、烟气腐蚀机理分析及相应的防腐蚀措施。
[关键词]垃圾焚烧厂　烟囱　设计　防腐蚀
引言　　近几年来,国内建设的垃圾焚烧厂不断增多。除了极少数焚烧特殊垃圾(例如医疗垃圾)的焚烧厂外,对于绝大多数城市生活垃圾焚烧厂,烟囱都是必不可少的设施。目前,国内外建设的很多火力发电厂以及一些自用锅炉的大中型厂矿企业,也都需建设烟囱。过往的烟囱设计,大多比较成功,但也存在一些问题。这些经验和教训,为近几年来开始兴建的城市生活垃圾焚烧厂的烟囱设计,提供了宝贵的借鉴。与火力发电厂的烟气相比,垃圾焚烧产生的烟气成份不同、排放标准不同、烟囱的运行方式也不一样,垃圾焚烧厂的烟囱设计有自身的特点。本文结合多个工程的设计实践经验,谈谈城市生活垃圾焚烧工程中烟囱设计的体会。
1　工艺设计
烟囱的作用是将燃烧尾气排向大气,利用大气的扩散作用将尾气扩散稀释。工艺专业设计的内容含:烟囱的高度、排气筒管径、烟气流速、烟气温度、排气筒的布置形式。
1•1烟囱高度
烟囱高度越高,尾气扩散稀释的效果越好,同时,建设费用亦越高,因此,烟囱高度应根据环境影响评价要求,在满足国家环境保护要求的前提下,适当考虑
1•2排气筒管径、烟气流速
尾气从烟囱口排出的速度越大,扩散稀释的效果越好。但是,速度越过30m/s,会发生笛音现
象,所以尾气排放速度不能大于这个值。如果烟气流速过低,又会增加烟气对排气筒腐蚀的可能,也降低烟气的扩散稀释效果,通常的烟气流速控制在10~20m/s。确定了烟气流速,根据产生的烟气总量,便能确定出排气筒管径。烟囱(排气筒)出口内径d(单位:m)由下式确定:
d=ndVy3600×0.785w0
式中　nd—由一个烟囱(排气筒)负担的蒸汽数值(单位:t/h);
Vy—每小时产生1t蒸气的烟气量(单位:m3/h);
w0—烟囱出口处的烟气流速(单位:m/s)。圆形烟囱(排气筒)的出口内径,一般不小于
0•8m,内表面无须防护处理且无须人员入内维护的钢制烟囱(排气筒)不受此限。
1•3烟气温度
烟气温度取决于烟气净化设备出口的烟气温度,但不能低于烟气露点,以避免烟气在排气筒内
结露,对排气筒造成腐蚀。
1•4排气筒的布置形式
垃圾焚烧设施的尾气排放量与垃圾热值和焚烧负荷有关,同时运行的垃圾焚烧炉台数对尾气
排放量有很大影响。如果多台焚烧炉的尾气从一只烟囱(排气筒)排出,焚烧的运行状况不同(例如,其中一台或几台焚烧炉停炉维修),尾气排放量及排放速度均不同,使烟气在烟囱排气筒内的流度、流量、温度难以控制在设计允许的范围内。一台焚烧炉一个排气筒,能够有效地利用尾气自身拥有的能量,较为方便地控制烟气的流速、温度。但是,如果一个排气筒设一只烟囱,建设及维护费用都很高。目前,国内外通常的做法,是采用组合式烟囱,即一台焚烧炉设一个排气筒,多个排气筒组合在一起,形成一只烟囱,换而言之,即在一只烟囱内,设多个排气筒,各排气筒相互独立。上海垃圾焚烧厂采用一只组合式钢筋混凝土烟囱,内设3个钢排气筒,每台焚烧炉一个排气筒;其烟囱的高度:80m,排气筒管径:1800mm,烟气流速:15m/s,烟气温度120~140℃(排气筒出口温度)。
2　结构设计
尽管实际工程中,组合式烟囱、集中式烟囱(多炉共用1个排气筒)和独立式烟囱(1炉1个
排气筒1只烟囱)都存在,但本文仅讨论在城市生活垃圾焚烧厂工程中常用的组合式烟囱。从结构受力的角度,组合式烟囱可粗分为三种形式:混合式烟囱:外筒为钢筋混凝土结构,作
为受力结构,排气筒为钢制大直径圆形管道,仅作为烟气排放的通道,不作为受力构件;塔架式钢烟囱:塔架独立承担外荷载作用,钢制排气筒为非受力构件,依附于塔架,钢制排气筒的荷载(包括自重及外荷载),由塔架承担;排气筒受力塔架式钢烟囱:钢制排气筒作为塔架中的受力构件(肢柱),参与塔架整体受力分析。确定适当的结构受力体系后,选用恰当的程序进行计算分析。有关规定,按照《烟囱设计规范》GB50051执行。本文不作赘述。五洲工程设计研究院设计的一些实例为:上海江桥城市生活垃圾焚烧厂烟囱:三管集束式组合烟囱,外筒为钢筋混凝土墙体作为受力结构,内设3根普通碳素钢制排气筒,悬挂式受力形式;河北灵达垃圾转化热电站烟囱,四管集束式组合烟囱,结构同上,仅排气筒为4根;广东东莞横沥垃圾转化热电站烟囱,为单筒集中式烟囱,钢筋混凝土筒体结构,内砌防护砌体墙。
3　烟囱的防护设计
烟囱的防腐蚀设计,应考虑下列因素:烟囱内烟气的腐蚀等级;结构重要性;烟囱的运行方式
(经常性或间隙性运行方式);烟囱内是否有结露现象;技术经济比较;检修条件。
烟囱的腐蚀,主要包括自然环境腐蚀和排气筒内的烟气腐蚀,烟囱的防护设计,也主要是针对这两种腐蚀的防护。自然环境的腐蚀,主要是雨雪、空气中有害成分(大多来源于工业生产的排放物)的腐蚀等,对这种腐蚀,有许多有效的防护措施,较为常见,本文不作赘述,本文主要讨论烟囱排气筒内壁针对烟气腐蚀的防护设计。谈到排气筒内壁的防护,有必要讨论烟气成分、烟气腐蚀的机理、烟气净化的工艺与防护的关系。
3•1烟气的成分
烟气的成分比较复杂,不过,无论采用何种烟气净化工艺,正常生产状态下,从烟囱出口排出的烟气的成分,必须达到国家标准(或国际标准)。
上海垃圾焚烧厂执行的标准(含氧量为11%的干气体)。
　　除了上表中列出的成份以外,烟气中还有排放标准中不控制但对排气筒腐蚀有影响的成分,例如水汽、CO2。
3•2烟气对钢材腐蚀的机理
从烟气成分分析,烟气中对钢有腐蚀作用的成分主要是HCl、HF及SOx、CO2、水汽等。干燥的HCl、HF、SOx气体对钢材的腐蚀作用非常轻微。据有关资料,200℃的干燥的HCl气体,300℃的干燥的SO2气体,对碳钢的腐蚀深度在0•1~1mm/a,按照均匀腐蚀10级苏联标准判断,为6~7级(尚耐腐蚀),按照均匀腐蚀3级标准判断,为2级(可用);CO2气体对钢材几乎没有
如果烟气中含有足够的水份,并且出现了结露,那么,排气筒筒壁上将会出现酸性液体,对排
气筒产生严重的腐蚀作用,HCl、HF酸性液体能直接与钢材发生化学反应。烟气中的SO2,通常先与水H2O反应生成H2SO3,也可能同时与水汽H2O和氧气O2反应,生成H2SO4,而H2SO3、H2SO4再与钢材反应,从而对钢材产生腐蚀作用。烟气中的CO2,会与水H2O反应生成H2CO3,也会对钢材产生一定的腐蚀。此外,还有其它腐蚀。碳钢在无氧酸(如盐酸、氢氟酸等)中能被强烈腐蚀,被腐蚀的速度随酸的浓度增加而加快;碳钢在含氧酸(如硫酸等),被腐蚀的速度取决于酸的氧化能力。因此,工艺专业应选择合适的烟气流速及温度,采用适当的烟气净化工艺,以降低烟气湿度;建筑专业在排气筒外壁采取适当的保温措施,以确保烟气在排气筒流动过程中不结露或尽可能少结露。在工程设计中,采取这些措施后,可以认为正常生产状态下产生的烟气,对钢材的腐蚀作用,可以得到有效控制。
3•3烟气净化工艺与排气筒防护
烟气净化工艺形式较多,按吸收剂的状态及其系统中是否有废水排出,可分为湿法、半干法和
干法三种。对于采用湿法烟气净化工艺,其处理后的烟气中,含水量相对较大,对排气筒的腐蚀作用也较大,一般都需要对排气筒采取防护措施。在日本、欧洲,有一些针对性防护作法,可供
参照。在国内普通火力发电厂工程中,常常采用砖砌烟囱或者钢筋混凝土烟囱,内设耐火砖衬里的做法,这样成功的工程实例很多,可供参照;近些年,采用钢管烟囱的工程实例也逐渐增多。对于采用半干法或干法烟气净化工艺,其处理后的烟气中,含水量相对较少,对排气筒的腐蚀作用也较小。若采用砖砌烟囱或钢筋混凝土烟囱,其防护做法可以参照用于湿法烟气净化工艺的烟囱防护做法。本文主要讨论钢制烟囱(排气筒)及钢筋混凝土组合式烟囱中的钢制排气筒,对经过半干法或干法工艺处理过的烟气的防护问题进行探讨。通常,对于采用半干法或干法烟气净化工艺,在正常生产状态下产生的烟气,排气筒钢管采用普通碳素钢,排气筒内壁不采取任何防护措施,排气筒壁外裹隔热保温层。隔热保温材料多为矿棉或玻璃纤维,厚度根据热工计算确定,应能使排气筒内烟气温度在设计允许的范围内,排气筒隔热保温层外的温度不高于45℃。采用半干法或干法烟气净化工艺,在非正常生产状态下(如试运行、启动、停炉等时期)烟气的成分、温度、流速等诸参数可能达不到设计指标,尽管这种状态不会持续很长时间,但由此导致的烟气对排气筒的腐蚀的可能性是存在的。因此,还需要采取一些辅助防护措施。辅助防护措施的第一种方法:依据烟气对排气筒的腐蚀作用的大小,在结构计算所需排气筒钢管壁厚的基础上,增加一定厚度,即“腐蚀厚度裕度”,使烟囱在结构设计使用年限内,扣除因烟气腐蚀而损失的钢管壁厚度后,所剩下的钢管壁厚度,依然能使钢管具有足够的强度、刚度、稳定性,能满足结构安全使用的需要。目前,国内外尚没有充分的烟气对排气筒钢管壁的腐蚀数据,通常对于结构设计使用年限为50年的排气筒,考虑烟气腐蚀而增加的最小腐蚀厚度裕度取为2-3mm,有隔热层时取为2mm,无隔热层时取为3mm。对于“非正常生产状态”经常发生,例如某些垃圾焚烧炉每隔2~3年停炉检修一次的情况,应适当增加“腐蚀厚度裕度”到3~4mm,有隔热层时取为3mm,无隔热层时取为4mm;钢材为普通碳素钢的“腐蚀厚度裕度”偏上限取值,钢材采用可焊接低合金耐候钢的,“腐蚀厚度裕度”可偏下限取值。
辅助防护措施的第二种方法:在排气筒钢管内壁,涂能耐160℃高温的耐酸性防护涂料,做法可参照用于湿法净化工艺的排气筒防护做法。综合考虑两种方法的费用,以及第二种方法
中涂料老化、日常维护困难的原因,作者建议采用第一种方法为宜。除以上两种方法外,烟气管道还可以用不锈钢制作,但费用较高,考虑到我国国情,笔者不建议采用这种方法。另外,排气筒筒首部分,是最易腐蚀的部位,设计时应采取专门的防护措施,一般宜采用不锈钢制造,高度为1•5倍左右的排气筒出口直径。
4　关于《烟囱设计规范》GB50051-2002的一点建议《烟囱设计规范》(GB50051-2002)第10•1•1条规定,“烟囱内的烟气温度低于150℃,且燃煤的含硫量大于0•75%时,烟囱的防腐蚀设计应符合本章的有关规定。”;第10•1•2条规定,根据燃煤含硫量的不同,将烟气划分为不同的腐蚀等级。笔者认为这样欠妥,理由如下:
1•无论燃煤含硫量多少,其排放出的烟气都应该符合国家的烟气排放标准,对于不符合标准
的,应该采取诸如增加脱硫设施等净化措施,以使其达标排放。不能说:因为购进的燃煤含硫量高,就有充分的理由超标排放。
2•烟气腐蚀作用的大小,与烟气中腐蚀性成
份的含量、烟气含水量、烟气的流速、外界环境、结露情况等因素有关;再者,含硫量相同的燃煤,燃烧后的烟气,经过不同的烟气净化工艺处理后,烟气的成份也存在差异,因此,不能简单地以燃煤的含硫量作为判定腐蚀等级的唯一依据。
3•实际工程中,除了以燃煤作燃料的锅炉外,还有以燃油(重油、渣油、柴油、煤油等)、燃气、
垃圾等作为燃料的。对于不是以燃煤作燃料的锅炉,其产生的烟气的腐蚀等级,缺少判断的依据。作为国家规范,应照顾全面。笔者建议:不要以燃料的成分作为判断烟气腐蚀等级的依据,而应以烟气自身的成份作为判断的依据,并且要综合考虑烟气的流速、含水量、外界环境、结露情况等相关因素。目前,先进的烟气在线检测技术已经得到广泛应用,可以较为方便地得到诸如烟气成分、流速等检测数据,使综合判定腐蚀等级的方法的制定和实施,具备了数据条件。
5　结束语
提高烟囱的设计质量,关键在于做好烟囱的防腐蚀设计。而烟气的腐蚀,与烟气的成份、温度、湿度、流速,烟囱的高度、受力形式、保温措施、辅助防护措施、运行方式等等诸多因素有关。
因此,在设计过程中,需要参加设计的工艺专业、建筑专业、结构专业等密切配合。每个专业,如果能多了解其他专业相关的专业知识,对提高本专业的设计质量和综合设计质量,是十分有益的。致谢　在撰写本文的过程中,得到教授级高工程平、高级工程师陈恩富和朱先年的大力支持和帮助,特此表示感谢!