0 引言
目前, 我國電力企業(yè)主要采用濕法脫硫技術(shù)控制燃煤電廠煙氣中的SO2, 由于煙囪設(shè)計(jì)選型以及施工等方面的不完善, 導(dǎo)致煙囪腐蝕滲漏事例逐漸增多, 影響機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)的特點(diǎn)[1]是脫硫系統(tǒng)位于除塵器之后, 經(jīng)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(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象, 煙流抬升高度降低, 煙囪內(nèi)正壓范圍擴(kuò)大等。采用濕法脫硫技術(shù)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(shè)備的腐蝕, 但GGH的造價(jià)及運(yùn)行成本高, 且GGH運(yùn)行中差壓上升較快, 易發(fā)生堵塞。為降低成本并提高機(jī)組運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性, 目前部分機(jī)組采用濕法脫硫技術(shù)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(yīng)按強(qiáng)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(dāng)燃煤火電廠采用濕法脫硫技術(shù)但不設(shè)GGH時(shí), 進(jìn)入煙囪的煙氣具有以下特點(diǎn):脫硫后仍然含有少量SO2和大部分的SO3等腐蝕介質(zhì), 煙氣濕度大, 溫度為40~50℃, 煙囪將抵抗來自煙氣的化學(xué)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(jié)構(gòu)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(jù), 相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)程[3]中規(guī)定, 濕法脫硫后的濕煙氣應(yīng)按強(qiáng)腐蝕性等級考慮。電廠煙囪安全運(yùn)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(nèi)筒在運(yùn)行期間能盡可能地抗煙氣腐蝕, 因此, 濕煙囪的 方案應(yīng)是排煙筒與承重筒分開布置的多管式煙囪。從材料的抗?jié)B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(nèi)筒優(yōu)于磚砌內(nèi)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(guī)則、對稱的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)受力方面, 圓形截面煙囪的風(fēng)荷載體型系數(shù) 小, 結(jié)構(gòu)對稱從而扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 小, 對抗震有利;在設(shè)計(jì)周期方面, 塔架煙囪、方筒 (包括H型) 需額外增加一定的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)間;在施工工期方面, 異形煙囪比圓形煙囪工期長;在技術(shù)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(gè)方面, 對煙囪外筒形式進(jìn)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(yuǎn)離大城市, 對煙囪外形的環(huán)境適應(yīng)性沒有特殊要求, 因而煙囪承重結(jié)構(gòu)的選取, 主要考慮在滿足功能要求的前提下造價(jià) 。外筒為圓形的多管式煙囪在國內(nèi)外大型火電廠的煙囪方案中占絕大多數(shù), 而且設(shè)計(jì)、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(nèi)筒防腐方案可行性分析
燃煤機(jī)組采用濕法脫硫技術(shù)并且不設(shè)旁路及不設(shè)GGH時(shí), 進(jìn)入煙囪的煙氣溫度為40~50℃, 屬于濕煙囪, 按強(qiáng)腐蝕性等級考慮。煙囪結(jié)構(gòu)選型及防腐內(nèi)襯材料的選擇, 必須考慮以下幾個(gè)方面:技術(shù)可行, 滿足煙囪在復(fù)雜化學(xué)環(huán)境下的防腐要求;經(jīng)濟(jì)合理, 具有較低的建設(shè)成本;施工條件好, 質(zhì)量易控制, 施工周期短;運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低, 檢修方便。需注意的是, 材料的選擇不僅應(yīng)考慮初期成本, 還應(yīng)綜合考慮裝置的可靠運(yùn)行周期 (即大修周期) 和總使用壽命等相關(guān)問題。
濕煙氣環(huán)境下, 1 000 MW燃煤機(jī)組采用2臺爐合用1座雙管內(nèi)筒煙囪的方式, 選用普通圓形鋼筋混凝土外筒, 內(nèi)設(shè)2個(gè)排煙筒, 每爐各1個(gè)。針對濕煙囪的運(yùn)行條件, 煙囪內(nèi)筒需要采取防腐措施, 下文為內(nèi)筒各防腐方案的可行性比較。
3.1 鈦鋼復(fù)合板內(nèi)筒
鈦板由于具有特定的化學(xué)性能, 因此防腐效果非常好, 脫硫后的強(qiáng)腐蝕性煙氣對鈦板的腐蝕性較小。此種內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不必預(yù)留腐蝕富裕度, 鈦板是國際工業(yè)煙囪協(xié)會推薦的, 脫硫系統(tǒng)不設(shè)GGH情況下煙囪防腐內(nèi)襯材料之一。
目前國內(nèi)已有多家電廠采用鈦鋼復(fù)合板鋼套筒煙囪, 鈦鋼復(fù)合板是以低碳鋼為基材, 以鈦板為復(fù)層的2層金屬復(fù)合板。鈦鋼復(fù)合板[5-6]是一種成熟的組合材料, 有專門的 標(biāo)準(zhǔn), 但焊接工藝比較復(fù)雜, 保證焊接質(zhì)量比較困難, 焊縫和劃痕處是腐蝕的薄弱環(huán)節(jié), 極易出現(xiàn)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(chǎn)生脆性的金屬間化合物而使焊縫變脆。因此鋼內(nèi)筒鈦板可采用現(xiàn)場掛貼或爆炸復(fù)合2種工藝, 因掛貼工藝可能會導(dǎo)致鈦板發(fā)生“呼吸”現(xiàn)象以至疲勞破壞, 故推薦采用爆炸復(fù)合工藝。
近幾年來, 鈦板價(jià)格持續(xù)下降, 并且施工工藝也有很大進(jìn)步。目前在國內(nèi)許多新建電廠或煙囪改造項(xiàng)目中, 大多考慮采用鈦鋼復(fù)合板內(nèi)筒方案, 而在國外十幾年前 已采用鈦鋼復(fù)合板作為煙囪內(nèi)筒, 應(yīng)用起步較早。
3.2 鎳基合金內(nèi)襯鋼內(nèi)筒
鎳基合金內(nèi)襯是國際工業(yè)煙囪協(xié)會推薦的脫硫系統(tǒng)不設(shè)GGH情況下另一種煙囪防腐內(nèi)襯。用于煙囪內(nèi)襯的鎳基合金是C276, 在鎳基中同時(shí)加入Cr、Mo。據(jù)了解美國國內(nèi)認(rèn)證的煙囪內(nèi)筒金屬復(fù)合材料均是鎳基合金復(fù)合板 (鋼號C276+Q235) , 沒有關(guān)于鈦鋼復(fù)合板的認(rèn)證[5]。有資料表明, 對于大多數(shù)腐蝕介質(zhì)而言鎳合金材料具有優(yōu)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(nèi)襯造價(jià)太高, 國內(nèi)電廠目前還沒有采用鎳基合金材料作為煙囪防腐內(nèi)襯的先例。
3.3 賓高德防腐玻璃磚內(nèi)襯鋼內(nèi)筒
玻璃磚分國產(chǎn)和進(jìn)口2種, 比較有代表性的是美國Henkel公司開發(fā)的賓高德玻璃磚。江蘇利港電廠、陜西霍洲電廠的煙囪鋼內(nèi)筒均采用賓高德玻璃磚內(nèi)襯[5]。以泡沫硼硅玻璃結(jié)合人造橡膠技術(shù)制成的這種磚, 作為防腐襯里, 在暴露于脫硫系統(tǒng)酸冷液環(huán)境中具有較高的抗腐蝕性能。
粘結(jié)料的防腐、耐久性是關(guān)鍵, 它的老化、開裂都會直接影響整體內(nèi)襯系統(tǒng)的防腐性能。施工中應(yīng)保證磚縫及膠的密實(shí), 缺陷部位可導(dǎo)致冷凝液滲漏而腐蝕鋼內(nèi)筒。不論是國產(chǎn)還是進(jìn)口玻璃磚, 都有一個(gè)適應(yīng)煙囪運(yùn)行溫度改變的問題, 當(dāng)溫度變化時(shí)都可能造成防腐層開裂或脫落, 因此須定期進(jìn)行檢修維護(hù)。
防腐玻璃磚的吸水率是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo), 常采用浸泡稱重法進(jìn)行檢測, 吸水率不合格的磚塊在實(shí)際運(yùn)行中易吸收酸液, 會浸泡腐蝕內(nèi)筒金屬材料。
3.4 玻璃鋼內(nèi)筒
玻璃鋼是由高強(qiáng)度的玻璃纖維和樹脂復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)性和功能性均優(yōu)的新型復(fù)合材料, 玻璃纖維提供強(qiáng)度和剛性, 樹脂提供耐腐性和韌性。玻璃鋼復(fù)合材料集中了玻璃纖維和合成樹脂的特性, 具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn), 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(shè)備的優(yōu)良選材。成型后的增強(qiáng)樹脂結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度與普通鋼材相當(dāng), 但其容重僅為鋼材的 (1/4) ~ (1/5) 。應(yīng)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(shù)但不設(shè)GGH的煙囪運(yùn)行條件[7]。
由調(diào)研及相關(guān)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(nèi)筒[8], 玻璃鋼煙囪有超過30多年的持續(xù)安全應(yīng)用業(yè)績;國內(nèi)電廠新建濕煙囪中, 有部分已采用玻璃鋼內(nèi)筒。
4 濕煙囪內(nèi)筒防腐方案經(jīng)濟(jì)性比較
基于某燃煤電廠2臺1 000 MW超超臨界機(jī)組, 在采用濕法脫硫技術(shù)但不設(shè)旁路及不設(shè)GGH的條件下, 對3種煙囪方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)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(nèi)電廠采用, 故在此不納入經(jīng)濟(jì)對比方案。
表2 不同煙囪方案的經(jīng)濟(jì)比較Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes 下載原表
表2 不同煙囪方案的經(jīng)濟(jì)比較Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes
注:3種方案內(nèi)筒支承方式均為懸掛式;玻璃鋼內(nèi)筒價(jià)格按88 000元/m考慮;鈦鋼復(fù)合板內(nèi)筒價(jià)格按20 700元/t考慮;Henkel防腐磚價(jià)格按2 000元/m2考慮。
由表2可知, 鋼內(nèi)筒內(nèi)襯賓高德防腐玻璃磚方案的造價(jià) , 鈦鋼復(fù)合板內(nèi)筒方案的造價(jià)居中, 玻璃鋼內(nèi)筒造價(jià)相對 , 但煙囪總造價(jià), 后兩者在價(jià)格方面未體現(xiàn)明顯的差別, 其中進(jìn)口玻璃磚價(jià)格市場波動較大。玻璃鋼復(fù)合材料作為一種可設(shè)計(jì)的各向異性材料, 加工制造、施工安裝的質(zhì)量對其力學(xué)性能有很大影響, 其上述價(jià)格是參考某國外煙囪玻璃鋼內(nèi)筒施工單位的報(bào)價(jià)。
5 濕煙囪防腐方案比較結(jié)果
對于腐蝕性強(qiáng)的濕煙囪, 要采用耐腐蝕材料制作或在排煙筒中內(nèi)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(jié)構(gòu)形式, 腐蝕較嚴(yán)重的煙囪可根據(jù)腐蝕介質(zhì)和工況條件而采用玻璃鋼、不銹鋼、合金鋼、鈦復(fù)合板等防腐方案。
根據(jù)上述對各種方案的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性的分析, 并結(jié)合多年的國外應(yīng)用實(shí)例, 認(rèn)為整體玻璃鋼內(nèi)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(yè)中脫硫后濕煙囪防腐) , 是今后煙囪防腐蝕的重要發(fā)展方向。與其他形式相比, 整體玻璃鋼內(nèi)筒形式具有以下優(yōu)點(diǎn):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(yùn)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(shè)計(jì)規(guī)范[10]中指出, 煙囪的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)煙氣的分類和腐蝕等級確定, 表4據(jù)此對各種工況下的煙囪防腐方案進(jìn)行了總結(jié)歸納。
6 結(jié)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(jīng)過上述濕煙囪內(nèi)筒防腐方案的綜合討論, 可以得出如下結(jié)論:
(1) 1 000 MW燃煤機(jī)組采用濕法脫硫技術(shù)但不設(shè)旁路不設(shè)GGH時(shí), 煙囪煙氣濕度大, 屬于濕煙囪, 應(yīng)按強(qiáng)腐蝕性等級考慮。煙囪結(jié)構(gòu)形式的 方案應(yīng)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(nèi)設(shè)2個(gè)排煙筒, 每爐各1個(gè)。
表4 各種工況下煙囪防腐方案比較結(jié)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(jié)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(yīng)采用的方案。 (2) 選擇表中所列方案時(shí), 其材料的性能應(yīng)與實(shí)際煙囪運(yùn)行工況相適應(yīng), 當(dāng)煙氣溫度較高時(shí), 內(nèi)襯材料應(yīng)滿足長期耐高溫要求。
(2) 經(jīng)過技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性對比分析后可知, 鎳基合金材料由于成本太高, 國內(nèi)電廠中目前還沒有被采用的先例;鋼內(nèi)筒內(nèi)襯賓高德防腐玻璃磚煙囪其造價(jià) , 但是玻璃磚和粘結(jié)劑的質(zhì)量和施工工藝要求極高;鈦鋼復(fù)合板煙囪是被認(rèn)為目前國內(nèi)用于濕煙囪防腐的 可靠方案, 焊接施工比較復(fù)雜, 保證焊接質(zhì)量比較困難, 其造價(jià)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(yīng)用已比較成熟, 其工程造價(jià)略高于鈦鋼復(fù)合板煙囪方案的造價(jià)。
(3) 由于目前對玻璃鋼排煙筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(nèi)目前還沒有推廣采用此煙筒。如果1 000 MW燃煤機(jī)組采用玻璃鋼內(nèi)筒煙囪, 在招標(biāo)和施工過程中必須對原材料、現(xiàn)場施工環(huán)境和產(chǎn)品質(zhì)量等采取嚴(yán)格控制和監(jiān)管措施。
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