火电厂烟囱选型分析

　　摘要：烟囱脱硫是一种新型烟囱技术，即利用旋涡流动的空气动力学特点，妥善地解决了湿法脱硫后烟囱内壁的腐蚀问题。同时，新型烟囱还具有更好的节能、环保效果。本文介绍湿法脱硫后烟气的特点和火电厂常见烟囱结构形式及其特点，比较烟气脱硫(FGD)系统设置与不设置烟气加热系统的优劣，从技术和经济两方面分析论证了排烟筒的材质选择及防腐处理措施，经比较推荐采用国产泡沫玻化砖钢套筒式烟囱。
　　关键词：火电厂；烟囱；结构
　　
　　随着我国环保标准的逐步提高和公众环境意识的增强，新建火电厂都要求进行烟气脱硫。选择一个适合此运行工况的烟囱，对于电厂的安全经济运行至关重要。
　　一、脱硫烟气的特点及腐蚀性
　　烟气采用湿法脱硫工艺的脱硫效率≥90%，虽然烟气中SO2的含量大大减少，但对烟气造成腐蚀的主要成分SO3脱除效率不高，仅约20%左右。此外，由于FGD系统不设置GGH时占地面积较小、投入及运营效益明显，现大多火力发电厂均采用FGD系统不设GGH，但这也带来一些负面影响，湿法脱硫系统且不设GGH的烟气相较设置GGH的烟气其腐蚀性更强。不设GGH，脱硫后烟气温度仅有50℃左右，且湿度很大并处于饱和状态。由于低于酸露点温度，烟气含水量增大，在烟气上升过程中，烟囱内壁会出现结露现象；同时，烟气密度增加，烟囱自拔力减小，烟囱内的烟气压力升高；脱硫后的烟气中含低温高湿稀酸型腐蚀水液。改变了烟囱的运行状况。当FGD系统设置GGH，可使脱硫处理后排放的烟气温度提高到80℃左右，以减缓烟气冷凝结露产生的腐蚀性液体，但烟囱内壁上仍会呈微湿状态。
　　以上因素造成了烟囱的运行条件较差，使烟囱处于腐蚀状况，加剧了腐蚀性烟气对内衬及承重筒的腐蚀。因此，烟囱结构的选型是否合理，将直接影响到烟囱的造价、施工、运行及寿命。
　　二、相关标准
　　我国烟气脱硫还处于起步阶段，大多是新建工程，运行时间短，因此烟气脱硫后烟囱腐蚀的调查和研究资料较少。在现行国家和电力行业关于烟囱的设计标准中，均未对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作出了要求。
　　1.“国际工业烟囱协会(CICIND)”的设计标准。“国际工业烟囱协会(CICIND)”的设计标准指出：“（1）烟气冷凝物中氯化物或氟化物的存在，极大增加了烟气的腐蚀性、（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。（3）确定含硫氧化物的烟气腐蚀等级是以SO3的含量值作为确定依据。（4）烟气中氯离子遇水蒸汽形成氯酸，它的化合温度约为60℃，低于氯酸露点温度时，将会产生严重腐蚀，即使是化合中很少量的氯化物也是如此。”燃煤电厂脱硫烟囱虽然在脱硫过程中已除去了大部分的二氧化硫，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，故烟囱应按强腐蚀性类型设计。
　　2.《火力发电厂土建结构设计技术规定》的设计标准。按照电力行业标准DL5022－1993《火力发电厂土建结构设计技术规定》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，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。
　　3.在行将出版的《火力发电厂风煤风管道设计技术规程》中对湿法脱硫后不设GGH的湿烟气定为强腐蚀等级烟气。中国电力顾问集团公司于2005年在上海召开的“火力发电厂烟囱设计技术交流会”中指出：“湿法脱硫烟囱的设计可按强腐蚀性考虑；烟囱的结构选型宜综合考虑烟囱的安全耐久性、运行维护条件和施工等方面的因素，宜采用钢筋混凝土外筒和排烟筒脱开布置的套管式或多管式烟囱。”
　　三、火电厂常见烟囱结构及特点
　　1.钢筋混凝土锥形单筒式烟囱
　　钢筋混凝土锥形单筒式烟囱是在火力发电厂未设置烟气脱硫装置（其烟气温度在130℃以上）时普遍采用的一种结构形式。该结构为隔热层及防腐内衬组成的排烟筒，其排烟筒紧贴钢筋混凝土承重外筒并支撑在外筒壁环向牛腿上。其内衬多采用普通耐酸砖，隔热层多采用膨胀珍珠岩或岩棉板等。此形式的烟囱结构安全、构造简单、施工方便，造价相对较低，在我国从设计到施工均积累了丰富的经验。
　　在设GGH装置的脱硫烟囱中，也有工程从节省投资角度出发，采用了钢筋混凝土单筒式烟囱，但在设计过程中，一般都对单筒烟囱做了如下改进：a.改变常规烟囱体型线和直径，使其烟气全程负压，减少气体腐蚀性；b.对筒身混凝土提出相关要求，使其密实性、抗渗性更好；c.在烟囱筒壁内侧贴三布四涂呋喃玻璃钢，形成防腐抗渗隔离保护层，进一步保护烟囱筒壁本体不受损坏；d.隔热层采用憎水性材料，采用现浇发泡聚氨酯，阻止液体的渗透；e.内衬砖与烟气接触表面釉化处理，改进外形，使砖与砖之间契口咬合；f.采用揉挤法施工耐酸胶泥，且对砌筑方式和胶泥性能提出明确要求。但由于砌体的灰缝(尤其是垂直灰缝)不可能完全密闭，而采用湿法脱硫工艺的烟气温度降低，含水量增大，烟囱内的烟气压力升高，筒内的烟气基本上处于正压运行工况。在烟气压力和湿度的作用下，极易渗透到砌体内部，使烟囱结构内部遭受腐蚀，而由于排烟筒紧贴承重外筒，会直接影响到承重外筒的安全，对电厂的正常运行可能带来较大影响。
　　2.钢筋混凝土套筒式烟囱
　　钢筋混凝土套筒式烟囱是将钢筋混凝土承重外筒与排烟筒功能分开的结构形式。承重外筒的直径及线型根据结构自身自振周期及变位限值，考虑风荷载与地震作用和检修空间、排烟内筒直径共同决定。由于其承重外筒与排烟筒脱开，承重外筒不直接受烟气的高温和腐蚀作用，而且具有检查、维修方便，可靠性高等特点，是火力发电厂烟气设置脱硫装置后较多采用的结构型式，目前被广泛地应用。
　　从套筒的材质上可分为:砖套筒和钢套筒烟囱。砖套筒结构与钢套筒结构在支撑体系上有较大差别，砖内筒为分段支承结构，分段支承在各层平台的环梁上。钢内筒为自承重结构，设置一定数量的侧向支撑和检修平台（吊装平台）。采用套筒烟囱具有检修和维护空间，一旦需要，可随时方便地对排烟筒实施维护和补强，更为安全可靠。在正常运行条件下，钢筋混凝土筒身承重结构不直接与烟气接触，基本处于常温条件下工作，其温度应力显著减少，避免了筒体由于温差过大造成裂缝的产生和腐蚀，延长烟囱寿命，保证电厂的安全运行。而且由于温度应力的显著减少，承重外筒钢筋用量相对低于单筒式烟囱。
　　砖排烟筒采用耐酸胶泥砌筑耐火砖，外表面作耐酸水泥封闭层和保温层，保温层采用岩棉或超细玻璃丝棉毡。砖排烟筒中的砖体本身耐腐蚀性和经济性都较好，但形成砌体后的抗渗密闭性和整体性较差，自重大。
　　钢套筒为自承重结构，钢内筒由于封闭性好、整体性强、无连接接头，其优势相对砖砌内筒就较为突出。钢排烟内筒外采用玻璃棉毡作保温层外包镀锌钢丝网，其防腐内衬主要可分为以下几种：
　　a.内衬贴玻璃砖
　　排烟筒采用Q235B作钢筒，内部贴玻璃砖。玻璃砖分国产和进口两类，进口玻璃砖比较有代表性的是美国宾高德玻璃砖。宾高德砖通过宾高德胶粘材料牢固地粘在基底上，从而提供有弹性的耐酸隔离层以保护基底。特种玻璃砖具有耐酸腐蚀、高绝热、耐高温、低热膨胀系数、多用途、质量轻、安装简便的优点。但这种材料是进口的，成本昂贵，投资费用较高。
　　b.内衬钛板
　　钛板有非常好的防腐效果，脱硫后的强腐蚀性烟气对钛板的腐蚀性很小，是国际工业烟囱协会推荐的不设置GGH情况下烟囱防腐内衬之一。
　　钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在许多介质中很稳定。因为钛和氧的亲和力很大，在空气中或含氧介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在恶劣环境中的耐蚀性。由于钛的表面钝化膜的性质决定了钛对中性、氧化性、弱还原性的介质具有较好的耐蚀性。
　　目前国内已有多家电厂采用钛钢复合板钢套筒的烟囱。钛钢复合板是以低碳钢Q235B为基材，以钛板为复层的两层金属复合板，并将Q235B基材作为排烟筒受力支撑结构。钛钢复合板是一种成熟的组合材料，有专门的国家标准，但造价较高。
　　c.国产泡沫玻化砖内衬
　　排烟筒采用Q235B作钢筒，内部贴国产泡沫玻化砖。国产泡沫玻化砖是以碎玻璃为主要原料，加入发泡济、外渗济，高温发泡成型制成的一种轻质多孔玻璃材料。泡沫玻璃内部形成独立的封闭微小气孔结构，集传统隔热保温于一体，它不吸水、导热系数小、耐酸碱(氢氟酸除外)，是良好的内衬材料。与之配套的特种耐酸耐高温胶粘济，耐高温，粘接强度高，有较强的耐酸性和韧性。目前看来，此类烟囱适用于各种形式湿法脱硫工艺的套筒烟囱，安全可靠、技术合理，造价较低。该种烟囱已在国内得到了较为广泛的应用。
　　d.耐候钢内衬材料
　　各种钢材在不同温度和酸液浓度下抗腐蚀性能是变化的。普通碳素钢板在80℃以下时，钢板受酸腐蚀速度甚快；耐候钢抗酸腐蚀性能好于普通碳素钢，为普通钢材的2~4倍。所以可采用耐候钢增加钢板防腐蚀厚度，使钢内筒在使用期间，不因腐蚀而影响其安全使用。
　　国内设计中常采用的耐候钢一般选用“NS1耐硫酸露点防腐蚀钢板”，NS1耐候钢热轧板带试样在硫酸浓度50%，温度70℃环境下的腐蚀实验表明：其抗硫酸腐蚀能力是同等实验条件下CORTEN钢的1.5～2.0倍，1Cr18Ni9Ti的6.58倍，Q235A的6.21倍，20#钢的3.58倍。从使用期间的抗硫酸腐蚀能力看，可以满足火电工程烟囱的需要。
　　e.镍基合金内衬
　　镍基合金是国际工业烟囱协会推荐的FGD系统不设GGH情况下另一种烟囱防腐内衬。据了解美国配用的均是镍基合金复合板（材料C276+Q235）钢烟囱。用于烟囱内衬的镍基合金是C276，Ni基中同时加入Cr、Mo。镍铬钼合金具有单相奥氏体结构，显示出优异的耐蚀性能。不仅在氧化性介质，而且在还原性介质中均具有很好的抗腐蚀能力，特别是在有F-、Cl-等离子的氧化性酸中、在有氧或氧化剂存在的还原性酸中、在氧化性酸加还原性酸的混合酸中、在湿氯和含氯气的水溶液中均具有其它耐蚀合金难以相比的耐蚀性。
　　根据资料表明，镍合金是最能适应各种严酷环境的优良耐蚀材料，是比钛板防腐性能更好的材料。但由于造价太高目前国内电厂还没有采用镍基合金作为烟囱防腐内衬的先例。
　　四、用烟囱结构方案技术经济性比较
　　采用不同的烟囱型式，其相应的费用也不同，涉及到工程的整体投资。本着“安全可靠，经济适用”的原则，在各种烟囱的结构型式比较的基础上，还应对各型烟囱的技术经济性能进行了进一步的分析比较。以下以某300MW工程采取湿法脱硫的烟囱为例（高度210m，出口内径6.0m），进行技术经济性对比。
　　
　　
　　
　　序号 结构形式 估计工程造价
　　（万元） 结构特点 适用工况
　　1 钢筋混凝土
　　单筒烟囱 950 构造简单，方便施工，无检修条件，不利于排烟筒的维护检修，防腐性能相对较差，造价低 适用于不设置湿法脱硫的烟囱
　　3 改进型耐酸砖
　　套筒烟囱 1650 内筒分段支承，利于烟气抬升，维护检修相对方便，防腐性能较好，价格适中 适用于设置GGH的湿法脱硫烟囱
　　4 耐候钢-钢内筒
　　套筒烟囱 2050 内筒独立支承，自重轻，全高等直径布置，利于烟气抬升排出，维修方便，防腐性能好，价格适中 适用于设置GGH的湿法脱硫烟囱
　　5 Q235B钢内衬玻璃砖
　　套筒烟囱 2090 内筒独立支承，自重轻，全高等直径布置，利于烟气抬升排出，维修方便，防腐性能好，价格适中 适用于未设置GGH的湿法脱硫烟囱
　　6 Q235B钢内衬国产泡沫玻化砖
　　套筒烟囱 2030 内筒独立支承，自重轻，全高等直径布置，利于烟气抬升排出，维修方便，防腐性能好，价格适中 适用于未设置GGH的湿法脱硫烟囱
　　7 钛合金板-钢内筒
　　套筒烟囱 3000 内筒独立支承，自重轻，全高直布置，利于烟气抬升排出，维修方便，防腐性能好，价格贵 适用于未设置GGH的湿法脱硫烟囱
　　
　　五、结论
　　通过以上分析可以看出，采用湿法脱硫工艺的火力发电厂，不宜采用钢筋混凝土单筒式烟囱，应采用钢筋混凝土套筒烟囱。
　　从现有的应用经验和技术成熟方面来讲，砖内筒烟囱和钛合金板或内衬玻璃砖、玻化砖的钢内筒作为湿法脱硫烟囱应用比较多。从防腐等级和耐久性方面来看，采用钛钢合金板或内衬玻璃砖、玻化砖钢套筒烟囱比砖套筒烟囱优势较明显，但在经济方面而言砖套筒烟囱却有着较大的优势。
　　从国内的实际应用来看，无论是砖内筒还是钢内筒在一定条件下均能有效地防止脱硫后烟气结露产生的腐蚀性稀酸液对承重外筒的腐蚀，利于烟囱排烟、便于维修，减少正压影响的烟气侵蚀等问题。但从耐久性和可靠性方面来看，钢内筒较砖内筒具有较好的优势，其后期维护费用较低，而砖内筒需要必要的维护甚至更换，后期维护费用比较高。
　　从使用要求方面看，如设置GGH，钢筋混凝土砖内筒套筒烟囱能基本满足湿法脱硫后的烟气防腐要求；但如不设GGH，由于砖套筒采用分段支撑的结构，考虑到外筒的受力要求，其下部烟气进口处内筒无法形成直筒，加上烟气温度的降低，整个锥形结构的内筒难以保证烟气全程负压，其防腐效果将受到制约，钢内筒套筒烟囱在防腐技术的耐久性和可靠性方面更有利更合适。
　　经上述各方面论证比较，从利于烟囱排烟、减少环境污染、便于维修、减少内筒烟气压力从而减少烟气侵蚀出发，对于湿法脱硫后，不设置GGH的工程，根据“国际工业烟囱协会（CICIND）”的设计标准及《烟囱设计规范》GB50051-2002和电力行业标准《火发电厂土建结构设计技术规定》的规定，本着“安全可靠，经济适用”的原则，推荐采用Q235B钢内筒内衬国产泡沫玻化砖钢筋混凝土套筒式烟囱。