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燃煤电厂湿烟囱防腐方案

0 引言
目前, 我国电力企业主要采用湿法脱硫技术控制燃煤电厂烟气中的SO2, 由于烟囱设计选型以及施工等方面的不完善, 导致烟囱腐蚀渗漏事例逐渐增多, 影响机组安全、可靠运行。石灰石-石膏湿法脱硫技术的特点[1]是脱硫系统位于除尘器之后, 经过湿法脱硫后烟温下降较大。由此带来一些不良的影响, 如烟囱内部出现结露现象, 烟流抬升高度降低, 烟囱内正压范围扩大等。采用湿法脱硫技术后, 可以加装烟气再热器 (gas-gas heater, GGH) , 以提升烟气温度, 减轻下游设备的腐蚀, 但GGH的造价及运行成本高, 且GGH运行中差压上升较快, 易发生堵塞。为降低成本并提高机组运行的安全、稳定性, 目前部分机组采用湿法脱硫技术但不加装GGH的工艺。不加装GGH的烟囱烟气湿度大, 属于湿烟囱, 应按强腐蚀性等级考虑。本文比较分析湿烟囱的各种防腐方案, 以期找出最佳方案。
1 新建湿烟囱的防腐要求
当燃煤火电厂采用湿法脱硫技术但不设GGH时, 进入烟囱的烟气具有以下特点:脱硫后仍然含有少量SO2和大部分的SO3等腐蚀介质, 烟气湿度大, 温度为40~50℃, 烟囱将抵抗来自烟气的化学腐蚀, 以及压力、温度等各种变化工况带来的影响。因此, 对烟囱的结构选型和防腐提出了更高的要求[2]。
烟气腐蚀性等级是烟囱选型的主要依据, 相关的设计规程[3]中规定, 湿法脱硫后的湿烟气应按强腐蚀性等级考虑。电厂烟囱安全运行的必要条件是承重的钢筋混凝土外筒不被烟气腐蚀, 排烟内筒在运行期间能尽可能地抗烟气腐蚀, 因此, 湿烟囱的首选方案应是排烟筒与承重筒分开布置的多管式烟囱。从材料的抗渗密闭性、耐久性以及施工周期等方面来看, 脱硫烟囱采用钢内筒优于砖砌内筒[4]。
2 烟囱外筒形式比较
圆形截面的烟囱与异形截面的相比, 具有简单、规则、对称的特点。在结构受力方面, 圆形截面烟囱的风荷载体型系数最小, 结构对称从而扭转效应最小, 对抗震有利;在设计周期方面, 塔架烟囱、方筒 (包括H型) 需额外增加一定的结构试验时间;在施工工期方面, 异形烟囱比圆形烟囱工期长;在技术方面, 圆筒、方筒 (包含H型) 和塔架烟囱都是完全可行的。表1为基于烟囱选型的5个方面, 对烟囱外筒形式进行对比分析[5]。
表1 各种外筒形式的烟囱选型对比Tab.1 Comparison of chimney’s outer sleeve type     下载原表
表1 各种外筒形式的烟囱选型对比Tab.1 Comparison of chimney’s outer sleeve type
目前新建的燃煤火电厂一般远离大城市, 对烟囱外形的环境适应性没有特殊要求, 因而烟囱承重结构的选取, 主要考虑在满足功能要求的前提下造价最低。外筒为圆形的多管式烟囱在国内外大型火电厂的烟囱方案中占绝大多数, 而且设计、施工等均已很成熟。由表1可见, 普通圆形钢筋混凝土外筒是新建烟囱外筒的最优选择。
3 湿烟囱内筒防腐方案可行性分析
燃煤机组采用湿法脱硫技术并且不设旁路及不设GGH时, 进入烟囱的烟气温度为40~50℃, 属于湿烟囱, 按强腐蚀性等级考虑。烟囱结构选型及防腐内衬材料的选择, 必须考虑以下几个方面:技术可行, 满足烟囱在复杂化学环境下的防腐要求;经济合理, 具有较低的建设成本;施工条件好, 质量易控制, 施工周期短;运行维护费用低, 检修方便。需注意的是, 材料的选择不仅应考虑初期成本, 还应综合考虑装置的可靠运行周期 (即大修周期) 和总使用寿命等相关问题。
湿烟气环境下, 1 000 MW燃煤机组采用2台炉合用1座双管内筒烟囱的方式, 选用普通圆形钢筋混凝土外筒, 内设2个排烟筒, 每炉各1个。针对湿烟囱的运行条件, 烟囱内筒需要采取防腐措施, 下文为内筒各防腐方案的可行性比较。
3.1 钛钢复合板内筒
钛板由于具有特定的化学性能, 因此防腐效果非常好, 脱硫后的强腐蚀性烟气对钛板的腐蚀性较小。此种内筒结构设计时不必预留腐蚀富裕度, 钛板是国际工业烟囱协会推荐的, 脱硫系统不设GGH情况下烟囱防腐内衬材料之一。
目前国内已有多家电厂采用钛钢复合板钢套筒烟囱, 钛钢复合板是以低碳钢为基材, 以钛板为复层的2层金属复合板。钛钢复合板[5-6]是一种成熟的组合材料, 有专门的国家标准, 但焊接工艺比较复杂, 保证焊接质量比较困难, 焊缝和划痕处是腐蚀的薄弱环节, 极易出现腐蚀问题。
钛板与碳钢不宜直接焊接, 因直接互相熔合后会产生脆性的金属间化合物而使焊缝变脆。因此钢内筒钛板可采用现场挂贴或爆炸复合2种工艺, 因挂贴工艺可能会导致钛板发生“呼吸”现象以至疲劳破坏, 故推荐采用爆炸复合工艺。
近几年来, 钛板价格持续下降, 并且施工工艺也有很大进步。目前在国内许多新建电厂或烟囱改造项目中, 大多考虑采用钛钢复合板内筒方案, 而在国外十几年前就已采用钛钢复合板作为烟囱内筒, 应用起步较早。
3.2 镍基合金内衬钢内筒
镍基合金内衬是国际工业烟囱协会推荐的脱硫系统不设GGH情况下另一种烟囱防腐内衬。用于烟囱内衬的镍基合金是C276, 在镍基中同时加入Cr、Mo。据了解美国国内认证的烟囱内筒金属复合材料均是镍基合金复合板 (钢号C276+Q235) , 没有关于钛钢复合板的认证[5]。有资料表明, 对于大多数腐蚀介质而言镍合金材料具有优异的耐腐蚀性, 是比钛板防腐性能更好的材料。但由于镍合金内衬造价太高, 国内电厂目前还没有采用镍基合金材料作为烟囱防腐内衬的先例。
3.3 宾高德防腐玻璃砖内衬钢内筒
玻璃砖分国产和进口2种, 比较有代表性的是美国Henkel公司开发的宾高德玻璃砖。江苏利港电厂、陕西霍洲电厂的烟囱钢内筒均采用宾高德玻璃砖内衬[5]。以泡沫硼硅玻璃结合人造橡胶技术制成的这种砖, 作为防腐衬里, 在暴露于脱硫系统酸冷液环境中具有较高的抗腐蚀性能。
粘结料的防腐、耐久性是关键, 它的老化、开裂都会直接影响整体内衬系统的防腐性能。施工中应保证砖缝及胶的密实, 缺陷部位可导致冷凝液渗漏而腐蚀钢内筒。不论是国产还是进口玻璃砖, 都有一个适应烟囱运行温度改变的问题, 当温度变化时都可能造成防腐层开裂或脱落, 因此须定期进行检修维护。
防腐玻璃砖的吸水率是一项重要的性能指标, 常采用浸泡称重法进行检测, 吸水率不合格的砖块在实际运行中易吸收酸液, 会浸泡腐蚀内筒金属材料。
3.4 玻璃钢内筒
玻璃钢是由高强度的玻璃纤维和树脂复合而成的结构性和功能性均优的新型复合材料, 玻璃纤维提供强度和刚性, 树脂提供耐腐性和韧性。玻璃钢复合材料集中了玻璃纤维和合成树脂的特性, 具有质量轻、强度高、耐化学腐蚀等优点, 已成为燃煤电厂烟气脱硫排烟冷却塔烟道、浆液管道、烟囱等设备的优良选材。成型后的增强树脂结构层强度与普通钢材相当, 但其容重仅为钢材的 (1/4) ~ (1/5) 。应用玻璃钢排烟筒可以取消保温层, 特别适合燃煤电厂采用湿法脱硫技术但不设GGH的烟囱运行条件[7]。
由调研及相关资料可知, 目前美国电厂新建湿烟囱中, 有90%以上选择玻璃钢烟囱内筒[8], 玻璃钢烟囱有超过30多年的持续安全应用业绩;国内电厂新建湿烟囱中, 有部分已采用玻璃钢内筒。
4 湿烟囱内筒防腐方案经济性比较
基于某燃煤电厂2台1 000 MW超超临界机组, 在采用湿法脱硫技术但不设旁路及不设GGH的条件下, 对3种烟囱方案进行了经济比较[7], 如表2所示。由于镍基合金材料成本太高, 目前还没有被国内电厂采用, 故在此不纳入经济对比方案。
表2 不同烟囱方案的经济比较Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes     下载原表
表2 不同烟囱方案的经济比较Tab.2 Economic comparison of different chimney schemes
注:3种方案内筒支承方式均为悬挂式;玻璃钢内筒价格按88 000元/m考虑;钛钢复合板内筒价格按20 700元/t考虑;Henkel防腐砖价格按2 000元/m2考虑。
由表2可知, 钢内筒内衬宾高德防腐玻璃砖方案的造价最低, 钛钢复合板内筒方案的造价居中, 玻璃钢内筒造价相对最高, 但烟囱总造价, 后两者在价格方面未体现明显的差别, 其中进口玻璃砖价格市场波动较大。玻璃钢复合材料作为一种可设计的各向异性材料, 加工制造、施工安装的质量对其力学性能有很大影响, 其上述价格是参考某国外烟囱玻璃钢内筒施工单位的报价。
5 湿烟囱防腐方案比较结果
对于腐蚀性强的湿烟囱, 要采用耐腐蚀材料制作或在排烟筒中内衬耐腐蚀材料。针对不同的工况, 可以采用不同的防腐蚀材料和烟囱结构形式, 腐蚀较严重的烟囱可根据腐蚀介质和工况条件而采用玻璃钢、不锈钢、合金钢、钛复合板等防腐方案。
根据上述对各种方案的技术可行性及经济性的分析, 并结合多年的国外应用实例, 认为整体玻璃钢内筒形式不失为一种良好的烟囱防腐方案 (尤其是用于电力等行业中脱硫后湿烟囱防腐) , 是今后烟囱防腐蚀的重要发展方向。与其他形式相比, 整体玻璃钢内筒形式具有以下优点:玻璃钢能提供更宽范围的耐腐蚀性能;使用寿命更长;玻璃钢材料成本相对较低;玻璃钢密度小, 使其更易运输。表3[9]列出了几种目前在电厂湿烟囱中适用材料的比较情况。
表3 电厂烟囱中几种适用材料的比较Tab.3 Comparison of chimney materials in coal-fired plants     下载原表
表3 电厂烟囱中几种适用材料的比较Tab.3 Comparison of chimney materials in coal-fired plants
2013年新出台的烟囱设计规范[10]中指出, 烟囱的结构形式应根据烟气的分类和腐蚀等级确定, 表4据此对各种工况下的烟囱防腐方案进行了总结归纳。
6 结论
燃煤火电厂采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺是目前脱硫的主流, 经过上述湿烟囱内筒防腐方案的综合讨论, 可以得出如下结论:
(1) 1 000 MW燃煤机组采用湿法脱硫技术但不设旁路不设GGH时, 烟囱烟气湿度大, 属于湿烟囱, 应按强腐蚀性等级考虑。烟囱结构形式的首选方案应是排烟筒与承重筒分开布置的双管式烟囱, 采用普通圆形钢筋混凝土外筒, 内设2个排烟筒, 每炉各1个。
表4 各种工况下烟囱防腐方案比较结果Tab.4 Comparison of anti-corrosion schemes for chimney under various conditions    下载原表
表4 各种工况下烟囱防腐方案比较结果Tab.4 Comparison of anti-corrosion schemes for chimney under various conditions
注: (1) “○”为建议采用的方案;“□”为可采用的方案;“△”为不宜采用的方案;“×”为不应采用的方案。 (2) 选择表中所列方案时, 其材料的性能应与实际烟囱运行工况相适应, 当烟气温度较高时, 内衬材料应满足长期耐高温要求。
(2) 经过技术可行性和经济性对比分析后可知, 镍基合金材料由于成本太高, 国内电厂中目前还没有被采用的先例;钢内筒内衬宾高德防腐玻璃砖烟囱其造价最低, 但是玻璃砖和粘结剂的质量和施工工艺要求极高;钛钢复合板烟囱是被认为目前国内用于湿烟囱防腐的最可靠方案, 焊接施工比较复杂, 保证焊接质量比较困难, 其造价在3种比较方案里居中;玻璃钢排烟筒烟囱是一种较为理想的防腐方案, 耐腐蚀性能好, 在国外的应用已比较成熟, 其工程造价略高于钛钢复合板烟囱方案的造价。
(3) 由于目前对玻璃钢排烟筒的结构强度、耐温性、防火安全性、耐久性和安装工艺方面有所顾虑, 所以国内目前还没有推广采用此烟筒。如果1 000 MW燃煤机组采用玻璃钢内筒烟囱, 在招标和施工过程中必须对原材料、现场施工环境和产品质量等采取严格控制和监管措施。
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