湿法脱硫改造后单筒烟囱防腐存在的问题及建议

湿法脱硫改造后单筒烟囱防腐存在的问题及建议

(1)北极星电力网技术频道 作者:李明，马锋，何文俊，徐小丽 2011-5-6 15:48:03 (阅716次)

所属频道: 火力发电 关键词: 湿法脱硫 单筒烟囱 防腐

　　湿法脱硫改造后单筒烟囱防腐存在的问题及建议

　　李明，马锋，何文俊，徐小丽

　　【摘 要】 介绍火力发电厂单筒烟囱脱硫后的腐蚀状况，分析现有单筒烟囱脱硫改造的优缺点，提出单筒烟囱改造的新思路，确保烟囱结构安全，保证电厂的安全运行。

　　【关键词】单筒烟囱;脱硫;改造

　　0 引 言

　　二氧化硫排放是造成我国大气污染及酸雨不断加剧的主要原因，燃煤电厂二氧化硫排放量约占全国二氧化硫排放量的50%。根据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》的要求：“十一五”期间，全国二氧化硫排放总量减少10%，对现有燃煤电厂明确提出了加快脱硫设施建设，增加脱硫能力的要求;对新建燃煤电厂提出了必须根据排放标准安装脱硫装置。

　　近阶段新建电厂多数都同步配备烟气脱硫系统，烟囱的结构形式已按照运行时的烟气工况进行合理选择，大多采用钢套筒烟囱或其他型式的烟囱。而早期(2003 年以前)建设的燃煤电厂大多数都没有配备有效的脱硫系统，其烟囱以普通的单筒钢筋混凝土烟囱为主，燃用高硫煤的火电厂，多数也是采用负压式单筒烟囱来解决其较为严重的烟气腐蚀问题[1]。

　　根据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》的要求，在“十一五”期间，大批电厂进行了脱硫改造。石灰石—湿法脱硫工艺具有适用的煤种范围广、脱硫效率高(脱硫效率大于90%)、吸收剂利用率高(可大于90%)、设备运转率高(可达90%以上)、工作的可靠性高(目前最成熟的烟气脱硫工艺)、脱硫剂—石灰石来源丰富且廉价等特点，在我国燃煤火电厂脱硫系统中得到了广泛的应用。

　　安装湿法脱硫设施之后，烟囱入口烟气的成份、温度、湿度与原设计相差较大，此工况对单筒烟囱结构安全性的影响在原设计中未曾考虑。

　　所以在安装脱硫设施后，须定期对原有单筒烟囱结构进行检测，对其安全性进行鉴定和评估，保证脱硫改造后电厂的安全运行。

　　1 湿法脱硫对烟囱的影响

　　在电厂脱硫改造前，烟囱排放的是未经脱硫的烟气，进入烟囱的烟气温度在130℃左右，单筒烟囱也是基于此种工况条件下设计。1991-1998年，西北电力设计院在有关单位的配合下对10个电厂的16 座普通单筒钢筋混凝土烟囱进行了调查，取得了大量的实际资料及相关数据，得出以下几个

方面的结论[1]：

　　(1)烟气温度低

于150℃，烟囱内部均存在不同程度腐蚀现象，主要与煤质含硫量有关。

　　(2)烟气处于正压运行的烟囱，烟囱内部腐蚀较重，内衬及保温层密闭性效果较差的烟囱，钢筋混凝土外壁有不同程度的腐蚀现象。

　　(3)由于沿烟囱高度方向烟气压力不同，筒身混凝土腐蚀沿烟囱高度方向则分布并不均匀，烟囱中上部腐蚀较为严重。

　　(4)一般烟囱筒壁内表面都结露，保温层很潮湿。

　　可以看出，脱硫前烟气对烟囱的腐蚀主要与煤质含硫量、内衬及保温层的密闭性、筒身局部正压等有关，我们可以通过降低煤质含硫量、增强内衬及保温层的密闭性、增大烟囱出口直径降低烟气流速、减小烟囱外表面坡度、减小内衬表面粗糙度、在烟囱顶部做烟气扩散装置等方法解决[2]。

　　在配备湿法脱硫系统后，烟气经过预处理、吸收、净化后，在吸收塔出口温度一般为45~50℃(视烟气入口温度和湿度而定)，达到饱和含水量，产生如下的影响：

(1)实施烟气湿法脱硫后，烟气温度降低，重度增大，浮力减小，相应的上抽力减小，流速变慢，容易产生烟气聚集，使烟囱筒内部出现正压区，对内衬产生渗透压力，使有腐蚀性的烟气向内衬渗入，致使内衬腐蚀，进一步导致钢筋混凝土外筒壁的腐蚀，影响烟囱结构的耐久性，对烟囱的结构安全造成威胁。

　　(2)实施了烟气脱硫后，烟气脱硫对烟气中的二氧化硫脱除效率很高(一般脱除效率在95%以上)，但对烟气中的三氧化硫脱除效率较低(一般脱除效率在60%左右)。在低温状态下，这些少量的三氧化硫会和烟气中的水结合，在低温下析出形成稀硫酸，对裂纹中的钢筋形成腐蚀。由于稀硫酸会使混凝土膨胀，还会使裂纹进一步延伸，最终穿透烟囱筒壁。这种情况下，烟气就会不断渗透，不断腐蚀，最终造成烟囱整个断面的钢筋被切断，破坏烟囱的承载能力。

　　(3)烟气冷凝物中除含有硫酸和亚硫酸外，还含有少量氯化物和氟化物，这些物质的存在将大大提高烟气的腐蚀性。

　　(4)由于电厂的运行工况较复杂，烟囱内的烟气温度可能会在40℃到130℃之间变化，在锅炉事故状态下，烟囱内烟气的温度将达到180℃甚至更高。处于这种温度交变状态下的烟囱，容易在烟囱内衬上产生裂隙，加快内衬及外筒壁的腐蚀。

　　可以看出，实施了烟气脱硫后，烟气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)使腐蚀状况进一步加剧，脱硫系统下游的烟囱处于强腐蚀性烟气的环境中;烟气腐蚀的类型包括硫酸、

亚硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等等;基于对整个电厂安全运行及烟囱自身结构安全

考虑，对烟囱防腐必须慎重处理。

　　2 常规单筒烟囱脱硫改造后存在的问题

　　随着近些年脱硫设施的不断投运，对湿法脱硫后烟气腐蚀的严重性有了更多的认识，行业内基本上形成了共识：湿法脱硫后的烟气为强腐蚀性烟气，湿法脱硫改造后，需要对烟囱进行相应的改造，以保证烟囱主体结构的安全。湿法脱硫后，常规单筒烟囱改造的方法主要有：贴耐酸砖、刷玻璃鳞片、涂耐酸胶泥、刷防腐涂料等。这些方法是在清理原烟囱内衬表面后，在内衬上增加防腐层，以达到将强腐蚀性烟气与混凝土外筒隔

　　绝的目的。这些改造方法工期快(通常在机组大修期间就可以完成)、投资省，在很多电厂改造中得到了应用。

　　然而很多电厂的烟囱经过上述改造后，在实际运行过程中还是出现了耐酸砖脱落、涂层老化剥落、酸液渗透到烟囱外筒等现象，这些都严重影响烟囱的结构安全。河北某电厂一、二期烟囱在安装湿法脱硫设施后，对烟囱采取贴泡沫玻璃砖的方式处理，一年后发现二期烟囱外有酸液渗出，即对一、二期烟囱进行检测，发现二期烟囱混凝土腐蚀50mm，一期烟囱腐蚀更为严重，腐蚀159mm。

　　可以看出，经过常规改造后的烟囱并不能保证烟囱结构的安全性，究其原因，是因为常规改后的造烟囱仍然是单筒烟囱。在温度交替变化的环境中，内衬材料由于胀缩、施工等原因，不可避免的会产生裂缝。处于正压环境中的强腐蚀性烟气，会沿着缝隙逐渐渗透到内衬内部，到达钢筋混凝土筒壁，遇到温度较低的混凝土筒壁后会迅速冷凝成酸液，聚集在内衬和钢筋混凝土外筒之间，腐蚀钢筋混凝土筒壁。部分烟气在低温高

　　湿环境下，在烟囱内直接形成酸液，沿烟囱内衬流下，顺着裂缝，渗透到内衬和钢筋混凝土外筒之间，直接腐蚀钢筋混凝土筒壁。这些酸液，会在内衬和钢筋混凝土筒壁之间形成一个酸液聚集区，一方面腐蚀内衬，加快裂缝的发展，破坏隔离层，加快烟气和酸液渗入内衬与钢筋混凝土外筒之间的进度;另一方面酸液又与外筒混凝土作用，腐蚀外筒的混凝土及钢筋，对烟囱结构安全造成巨大的隐患。

　　另外，脱硫后的烟囱改造施工条件比较恶劣，工期一般比较紧，而且虽然中国脱硫产业发展迅速，但低价中标、恶性竞争一直与脱硫产业相伴相随[3]，造成脱硫后烟囱改造的材料、施工质量都很难保证，都给脱硫后的烟囱留下巨大隐患。

　　混凝土烟囱在湿烟气状态下的腐蚀问题，东

南大学、江苏苏源环保等公司相关研究表明，当烟囱内壁稀硫酸的浓缩在中等状态时(此时硫酸的浓度为15%，最大浓缩浓

度可达40%)对混凝土的腐蚀速率为[4]：

　　对 C25混凝土的腐蚀速率为8.0mm/10 天;

　　对 C30混凝土的腐蚀速率为2.4mm/10 天;

　　对 C50混凝土的腐蚀速率为2.4mm/10 天。

　　对于普通的单筒烟囱，一般采用C30混凝土，经常规改造后，如果材料、施工、运行管理等任何一个环节出现问题，就可能导致烟囱在短期(几个月)内遭到腐蚀破坏，直接影响到烟囱的结构安全，因此对湿法脱硫后的烟囱改造应该谨慎。

　　3 单筒烟囱脱硫改造后的建议

　　烟囱设计规范(GB50051-2002)10.2.2 条第一款规定：当排放强腐蚀性烟气时，宜采用套筒式或多管式烟囱。

火力发电厂土建结构设计技术规定(DL5022-93) [5]7.4.7 条规定：当排放强腐蚀性烟气时，宜采用多管式或套筒式烟囱结构。即把承重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。

　　火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程(DL/T 5121-2000)[6]3.0.6 条文说明规定：当排放强腐蚀性烟气时，应采用多管式或套筒式烟囱(直筒型内筒)。

　　根据以上规程规范的规定，湿法脱硫后的强腐蚀烟气，应该采用多管式或套筒式烟囱。而由于历史的原因，以往烟囱一般设计为单筒烟囱。

　　鉴于单筒烟囱存在的致命缺陷，常规的改造无法消除强腐蚀性烟气对单筒烟囱结构安全产生的威胁。

　　火力发电厂设备一般经济运行年限大约为25 年，设计使用年限一般为35 年，烟囱结构设计使用年限一般为50年。旧机组脱硫改造带来烟囱防腐改造问题，首先应明确改造后的机组还可能运行多少年，以此来决定烟囱的防腐标准和防腐设计寿命。

　　对于还需要运行较长年限的烟囱，可以采用在单筒烟囱内增设一个钢排烟筒的方法，把承重外筒和排烟内筒分开，使外筒受力结构不与湿法脱硫后强腐蚀性烟气相接触，对脱硫后的烟囱进行根本性的改造，以保证烟囱混凝土外筒的结构安全。

　　增设钢排烟筒后，钢排烟筒直径减小，阻力增大。如何消除烟囱出口直径减小后对环保、设备运行的不利影响，克服增大的阻力，保证系统锅炉及脱硫系统正常运行是一个关键点。环保的计算需要环保单位重新核算，烟囱直径减小后带来的阻力，可以通过单独增加引风机或增压风机压升，或者同时增加二者压升的方法来解决。根据环保及烟气系统的核算，选取合适的钢排烟筒的直径。湖北某电厂脱硫改造后，为彻底消除湿

　　法脱硫后强腐蚀性烟

气对烟囱安全性的威胁，采用增设钢排烟筒的方法，现已通过专家论证，进入实施阶段。

　　对于还需要运行较短年限的烟囱，从经济性方面考虑，可以采用传

统的防腐方法，但必须对烟囱常规改造的材料、施工、运行管理等进行严格的监督管理，对烟囱外筒进行定期的检测，确保湿法脱硫改造后烟囱的结构安全。

　　参考文献：

　　[1] 夏宏君，张兰春. 湿法脱硫改造中原有烟囱防腐问题的探讨. 高耸建构筑物设计，2006;

　　[2] 烟囱设计规范(GB50051-2002)，中国计划出版社，2002;

　　[3] 丁士. 低价中标脱硫受伤. 中国招标，2010年第11期

　　[4] 张大厚. 火力发电厂烟囱防腐存在的问题及建议.高科技与产业化，2009年第1期

　　[5] 火力发电厂土建结构设计技术规定(DL 5022-93)，水利电力出版社，1993;

　　[6] 火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程(DL/T5121-2000)，中国电力出版社，2000

　　*作者简介：李明，工程师，发电分公司结构专业。