脱硫烟囱内筒防腐设计

1 有关烟囱设计标准的说明
　　近年来，随着国家环保标准的逐步提高和大众环境意识的增强，国内新建火力发电厂工程都要求进行烟气脱硫处理。但在我国，烟气脱硫处理还属于起步阶段，已建成投运、且完全按烟气脱硫处理运行的火力发电厂工程项目不多，且大多是新建工程，运行时间较短。因此，烟气脱硫后烟囱腐蚀的调查和研究资料都较少，经验也有限。在国家和电力行业烟囱的现行设计标准中，均未对进行脱硫处理的烟囱防腐设计做出具体规定，只是从烟气的腐蚀性等级对烟囱的防腐设计进行了要求。鉴于目前收集到的国内脱硫烟囱腐蚀方面的研究和调查资料太少，难以对脱硫后烟气的腐蚀机理和腐蚀防范措施的效果做出明确的判断，因此在未成熟的情况下，未将脱硫处理的烟囱防腐设计要求列入规范中。国内各电力设计院主要是依据自己的经验和参考资料进行设计。
　　我院在参编国家标准《烟囱设计规范》GB50051-2002（烟囱防腐蚀设计章节）和主编电力行业标准《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-93（修）的过程中收集了一些国外烟囱设计标准和资料，其中脱硫烟囱方面的设计构造做法作为我们进行工程实践和在脱硫烟囱防腐设计方面的主要参考标准，这一方面是对国内脱硫烟囱资料不足的一个补充，另一方面也为我们今后在修编国家烟囱设计标准和行业设计标准时提供了一个参考依据和工程做法。

    2 脱硫烟气的特点和腐蚀性
　　2.1 脱硫烟气的特点
　　通常进行湿法脱硫处理且不设烟气加热系统GGH的烟气，水份含量高，湿度大，温度低，烟气处于全结露现象。对一台600MW机组来说，烟气中水气结露后形成的具腐蚀性水液理论计算量约40~50吨/每小时，它主要依附于烟囱内侧壁流下来至专设的排液口排到脱硫系统的废液池中。脱硫处理后的烟气一般还含有氟化氢和氯化物等强腐蚀性物质，是一种腐蚀强度高、渗透性强、且较难防范的低温高湿稀酸型腐蚀状况。
　　根据与脱硫工艺设计人员的了解，湿法脱硫工艺对烟气中的SO2脱除效率很高，但对造成烟气腐蚀主要成分的SO3脱除效率不高，约20%左右。因此，烟气脱硫后，对烟囱的腐蚀隐患并未消除；相反地，脱硫后的烟气环境（低温、高湿等）可能使腐蚀状况进一步加剧了。
　　由于国内脱硫烟囱历史较短，专项的腐蚀调查研究资料很少，经验也不多，并且国内烟囱设计标准中对脱硫处理的烟囱防腐设计尚无明确说明。因此，对于脱硫后烟气对烟囱结构的腐蚀性分析我们主要是借鉴国外的资料和做法。国际工业烟囱协会（International Committee On Industrial Chimneys 缩写CICIND）在其发布的《钢烟囱标准规程 Model Code For Steel Chimneys》（1999年第1版）中对脱硫后的烟气腐蚀性能（烟气腐蚀性能对其它类型烟囱同样适用）有这样的说明：（1）烟气冷凝物中氯化物或氟化物的存在将很大提高腐蚀程度。（2）处于烟气脱硫系统下游的浓缩或饱和烟气条件通常被视为高腐蚀等级（化学荷载）。（3）确定含有硫磺氧化物的烟气腐蚀等级（化学荷载）是按SO3的含量值为依据。（4）烟气中的氯离子遇水蒸气形成氯酸，它的化合温度约为60℃，低于氯酸露点温度时，就会产生严重的腐蚀，即使是化合中很少量的氯化物也会造成严重腐蚀。
　　2.2 脱硫烟气的腐蚀性
　　按照“国际工业烟囱协会（CICIND）”的设计标准要求，燃煤电厂脱硫烟囱虽然在脱硫过程中已除去了大部分的氧化硫，但在脱硫后，烟气湿度通常较大，温度很低，且烟气中单位体积的稀释硫酸含量相应增加。因而，处于脱硫系统下游的烟囱，其烟气通常被视为“高”化学腐蚀等级，即强腐蚀性烟气等级，因而烟囱应按强腐蚀性烟气来考虑烟囱结构的安全性设计。
　　2.3 脱硫烟气的腐蚀性对烟囱设计方案的影响
　　2.3.1 国内烟囱设计标准关于腐蚀性烟气对烟囱设计方案的说明
　　按照国家标准《烟囱设计规范》GB50051-2002第10.2.2条和电力行业标准《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-93第7.4.4条的要求：当排放强腐蚀性烟气时，宜采用多管式或套筒式烟囱结构型式，即把承重的钢筋混凝土外筒和排烟内筒分开，使外筒受力结构不与强腐蚀性烟气相接触。
　　电力行业标准《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-93第7.1.2条还要求：600MW机组宜采用一台炉配一座烟囱（一根排烟管）方案。
　　2.3.2 国外烟囱设计资料说明
　　从目前了解的国外烟囱资料看，火电厂烟囱基本上都是套筒式或多管式烟囱，且以钢内筒多管式烟囱为主，单筒式烟囱很少看到。我们认为这可能是套筒式或多管式烟囱具有检修和维护空间，一旦需要，可立即对排烟内筒实施维护和补强；而单筒式烟囱（包括改进型单筒式烟囱）一旦建成投运，便很难再对它进行内部的检修和维护。
　　对套筒式或多管式烟囱，排烟内筒的结构材料选择一般有两种：钢内筒型结构和砖砌内筒型结构；从材料的抗渗密闭性来看，钢内筒优于砖砌内筒，但经济性差些（限于国内条件）。对于钢内筒结构，在烟气湿法脱硫（无GGH装置）的情况下，国际工业烟囱协会（CICIND）在其发布的《钢烟囱标准规程 Model Code For Steel Chimneys》（1999年第1版）中建议采用普通碳钢板在其内侧（与烟气接触侧）增加一层非常薄的合金板或钛板的方法进行处理。对于砖砌内筒结构（加设GGH装置），从美国萨金伦迪（SARGENT & LUNDY）公司设计资料和英国公司为广东沙角C厂设计的240米高烟囱图纸看，都对砖和胶泥提出了很高要求，即特殊的耐酸缸砖用硅酸钾耐酸胶泥砌筑，一般分两层错缝布置，并设封闭层。砖的抗渗性能要求高，主要目的是防止烟气渗透形成冷凝腐蚀和对排烟筒外包裹的保温隔热材料性能带来不利影响。
　　2.3.3 烟气温（湿）度和运行压力与腐蚀性的说明
　　2.3.3.1 烟气温（湿）度与腐蚀性
　　脱硫后的烟气温度一般在40℃～50℃之间，且湿度很大并处于饱和状态。根据前述的烟气特点，它是低于烟气结露的温度，烟气易于冷凝结露并在潮湿环境下产生腐蚀性的水液液体。一般的烟气湿法脱硫处理中是采用加设烟气加热系统（GGH）来提高脱硫处理后排放的烟气温度（约80℃及以上），以减缓烟气冷凝结露产生的腐蚀性水液液体。从理论上讲，采用烟气加热系统（GGH）能有利于减缓烟气的腐蚀（即提高烟气温度，减少结露），但烟气湿度、水分这些诱发腐蚀的因素依然存在，况且GGH的运行能否满足运行温度值的要求，尤其是在发电机组低负荷运行、机组开启和关停期间及其它不利工况时能否满足运行温度值的要求值得关注和重视。
　　烟气温度低、湿度大，烟囱内的烟气上抽力就降低，它影响着烟气的流速和烟气抬升高度及烟气扩散效果，这对排放的烟气满足环保要求（特别是氮氧化物NOX指标）带来不利的因素。
　　2.3.3.2 烟气运行压力与腐蚀性
　　烟气运行压力与烟气的温（湿）度和烟囱结构型式密切相关。烟气温度低，其上抽力就小，流速就低，容易产生烟气聚集并对排烟筒内壁产生压力。
　　锥形烟囱结构型式（如单筒式烟囱）中的烟气基本上是处于正压运行状况，而等直径圆柱状烟囱（如双管和多管式烟囱中的排烟筒）是负压运行状况。烟气正压运行时，易对排烟筒壁产生渗透压力，加快腐蚀进程；负压运行时，烟气渗透和腐蚀速度将大为减缓。
　　2.3.4 烟囱结构材料选用与腐蚀性的说明
　　从对烟气的抗渗防腐考虑，烟囱内筒应选用闭性好，整体性强，自重轻和无连接接头的钢内筒。砖砌内筒由于其分段支承处的接缝及形成砌体后的砖缝抗渗密闭性和整体性较差的原故，都不可避免地存在渗透和腐蚀的问题，存在检修和维护、甚至内筒更换的问题，而这不但导致发电机组的停运，而且内筒更换的施工也相当繁琐和复杂。
　　对于内筒密闭性的要求，我们只要将内筒视作一根流淌结露的腐蚀性水液管道就不难理解了。目前条件下，钢内筒是一种合适的选择，钢内筒的内壁都须进行防腐处理；有烟气加热系统GGH时，内壁可设耐酸砂浆防护层，无烟气加热系统GGH时，按照国外的作法其内壁考虑耐腐蚀金属面层或玻璃砖贴面层，也就是我们常说的钛钢复合板和泡沫玻璃砖。
　　关于经济性，通过几个工程的比较和实践，取消烟气加热系统GGH后采用钛钢复合板或泡沫玻璃砖的烟囱投资均较取消前的烟囱和GGH投资的总和要少几百万～几千万。单纯进行取消GGH前和取消GGH后烟囱的投资比较是不完整的，因为取消GGH后，烟囱结露的腐蚀性水液排放量增加和腐蚀性增强，腐蚀对烟囱的安全运行至关重要。
　　2.4 湿法脱硫烟囱防腐设计的工程实例和学术交流说明
　　2.4.1 采用钛钢材湿法脱硫烟囱的工程实例
　　我院于2003年年初在江苏省常熟市为华润电力常熟第二发电厂设计的3×600MW超临界燃煤发电机组脱硫岛招标中，由于GGH运行的温度要求在发电机组低负荷运行、机组开启和关停状况下难以保证，最后业主舍弃烟气加热系统（GGH）方案，而改用三管烟囱的钢内筒采用普通Q235B钢板与1.2 mm厚钛板复合而成的复合板方案。通过施工招标，整个一座240米高复合钢内筒三管烟囱的费用与省下的三套GGH设备费用相当；而省下的GGH运行费用、每年的检修维护费用和炉后场地布置更是可观，经济性价比较好。
　　台塑集团在福建省漳州后石电厂投资建设6台600MW级燃煤发电机组，由于建有脱硫装置，烟囱设计咨询单位—日本三菱公司要求在二座钢内筒多管式烟囱的钢内筒内表面，都须挂贴1.6毫米的钛钣或镍钣用于抗稀酸液腐蚀，由此使单座烟囱总投资达8000余万元。我国参加投标的单位，曾建议改用价格较为便宜，但仍含有镍、钛成分的美国A-316L特殊钢材，未获三菱公司的同意，只能按挂贴钛钣的方案投标。
　　2.4.2 采用泡沫玻璃砖湿法脱硫烟囱的工程实例
　　2003年末，我院在山西霍州第二发电厂一期工程2×300MW燃煤发电厂210米钢内筒套筒式烟囱设计中，应业主的要求在不设烟气加热系统（GGH）条件下，钢内筒内侧面加设了一层美国宾高得泡沫玻璃砖防腐层（51毫米厚）。
　　国际工业烟囱协会（CICIND）的标准中没有这种防腐设计方案的专门说明，但国外有它的工程实践。
　　2.4.3 脱硫烟囱防腐设计的学术交流
　　2000年年初，电力规划设计总院组织部分电力设计院的设计人员与专程从意大利赶来的哈蒙公司烟囱设计专家、国际工业烟囱学会理事史密斯先生进行了烟囱设计技术交流。在那次交流中，史密斯先生也认为取消烟气加热系统（GGH）后采用钛材面层的脱硫烟囱烟气防腐蚀措施在国际上早有先例，并写入国际烟囱设计标准中。
   
    3 结束语
　　对我们来说，不设烟气加热系统GGH的湿法脱硫烟囱防腐设计是一个新课题，在国内没有试验和检测数据支持、并形成一套成熟的设计方案之前，参照国外的标准和工程实践进行设计无疑是安全的和可靠的。
　　由于烟囱内筒结构的特殊性，烟囱的运行应考虑长期和稳定，不希望中途由于腐蚀严重而进行更换（施工难度大）。因此，从长期运行安全的角度考虑，取消烟气加热系统后，烟囱内筒采用钛钢复合板这种抗渗防腐和耐久的材料是一种理性的选择，经济比较也是合理的。