湿法脱硫烟囱防腐渗漏原因及国外解决方案.doc

脱硫烟囱防腐渗漏的根本原因及解决方案: 组装式大直径玻璃钢烟囱夏群美国泰邦得公司Tenabond LLC摘要：大量的脱硫烟囱的酸水泄漏问题，危害高空结构的安全，制约了中国的烟气排放和环保的发展。本文揭示了其泄漏的根本原因。总结西方国家和中国脱硫烟囱防腐蚀的经验，本文提出了针对技改和新建脱硫烟囱有效的技术方案：组装式大直径玻璃钢烟囱。关键词：脱硫，烟囱，防腐，渗漏，结构，安全，组装式，玻璃钢Fundamental Causes of Acidic Leaking on FGD Stacks in China and Solutions: Large Diameter Modular FRP FluesAbstract:The article discloses fundamental causes of widespread acidic water leaking problems and structural threats on stacks operating with FGD in China, that impact flue gas emission and environmental conservation in general. Summarizing stack anti-corrosion practices in western countries and China, a practical solution on refurbished and newly constructed FGD stacks is presented：large diameter modular FRP flues.Key Words: FGD, stack, anti-corrosion, leaking, structure, safety, FRP, modular, flue中国大规模脱硫和脱硝已经进行了近10年时间，有效地控制了向大气中排放硫化物和氮化物的总量和酸雨的形成。解决了大气污染中最为紧迫的问题。中国脱硫行业广为采用的技术也是目前世界上流行的石灰石石膏湿法脱硫。湿法脱硫效率高，技术成熟，运行成本可以接受，应用得普遍比较成功。湿法脱硫完全改变了排放烟气的特征，从脱硫前的130C左右的高温烟气变为低于60C的低温烟气，从干烟气变成了含有大量凝结水的湿烟气。湿烟气夹带着脱硫后残余的少量二氧化硫和三氧化硫，在氧气作用下变成稀硫酸和亚硫酸溶液，也就是通常我们所说的湿法脱硫后的湿烟气中夹带的稀硫酸或者酸水。与干烟气不同的是，湿烟气和酸水具有很强腐蚀性，腐蚀烟囱和烟道。所以脱硫后的烟囱和烟道都采用防腐措施加以保护。中国脱硫烟囱和其防腐蚀形式有以下几种：1. 原有的干烟气钢筋混凝土烟囱脱硫技改后，直接用来排放低温湿烟气。烟囱筒壁结构是：钢筋混凝土外筒、保温层、耐火砖和防腐蚀衬里粘贴在一起。2. 钢筋混凝土烟囱外筒，耐火砖内筒套筒，内表面粘贴防腐蚀衬里。3. 钢筋混凝土烟囱外筒，钢内筒套筒，内表面粘贴或焊接防腐蚀衬里。4. 钢筋混凝土烟囱外筒，玻璃钢内筒套筒。混凝土耐火砖结构的老式烟囱的结构复杂性包括圈梁（牛腿）部位的密封，烟道与烟囱的连接部分，及其它连接部位的密封等。脱硫烟囱的高度都在100米以上，最高的烟囱可达240米。防腐蚀衬里的施工和维护需要进行高空作业，防腐面积大，周期长，人员多，危险系数高，大大增加了保证质量和避免缺陷的难度。混凝土耐火砖结构的烟囱，还涉及在停炉、开机、故障等因素的影响下，温度和压力变化及受风力影响摆动时，混凝土及耐火砖的位移和勾缝的开裂，直接造成对粘贴在内壁上防腐层的破坏，形成更多的防腐衬里缺陷。即使防腐蚀衬里上有了少量的缺陷点，日积月累也会造成酸水渗透过防腐层和耐火砖。由于腐蚀性强，酸水渗透量不断增加，最终浸湿烟囱保温层和耐火砖，进入钢筋混凝土烟囱外筒。pH值超过13的碱性混凝土逐渐酸化，pH值大幅度降低。导致混凝土酥松，钢筋锈蚀，钢筋与混凝土紧密的粘接力失效，抗剪切强度下降。原有的高强度结构整体逐渐变成危险的高空建筑。烟囱的位置一般距离生产区、厂房、发电或蒸汽发生设备较近。具有相当高度的烟囱结构一旦出现安全事故，威胁到庞大的固定资产投资和正常生产，以及人员的生命安全。常见的粘贴在耐火砖表面的防腐衬里材料包括：玻璃砖，玻化砖，贴片，胶泥，浇注料，涂层，涂料等。如图1所示，脱硫技改的老式混凝土烟囱，由于酸水和防腐层与外筒在空间上没有隔离，而是粘贴在耐火砖、保温层和混凝土壳体上，各种缺陷和漏点又难以避免，所以酸水直接从烟囱内表面泄漏到钢筋混凝土壳体内，造成结构危害。 图1另一种常见的脱硫烟囱设计是独立的碳钢或钢内筒套筒，钢筒与烟囱混凝土外筒在空间上隔离。钢筒的内表面粘贴或焊接防腐衬里。由于钢内筒套筒与钢筋混凝土在空间上已经隔离开来，因此阻断了酸水直接泄漏到烟囱外筒的路径，也的确起到了保护钢筋混凝土烟囱外筒的作用。但是在钢筒内壁上的防腐衬里整体面积大，防腐蚀衬里的施工和维护同样涉及高空作业，周期长，人员多，危险系数高等因素，质量保证和避免缺陷的难度较大。比如砌筑类防腐衬里的勾缝数量庞大；钛合金类的防腐衬里的焊缝数量多，总焊接长度长；粘接类的防腐材料与钢体之间的热膨胀系数的差异；防腐衬里在钢筒内大面积的施工质量一致性等问题，都很容易造成防腐衬里的缺陷。酸水和防腐衬里在空间上与钢板没有隔离，从而导致酸水泄漏流淌到钢筒筒体上。稀硫酸对碳钢等钢材腐蚀性强，速度快。腐蚀面积不断扩大，防腐衬里的缺陷点大量增多，钢体出现减薄，孔洞，大面积开口等问题。结果出现了钢内筒套筒自身的结构安全问题，严重的发生了坍塌事故。焊接或粘接在钢板内筒套筒表面的防腐层包括：钛钢复合板，玻璃鳞片涂料，防腐涂层，玻璃砖，玻化砖，贴片，浇注料等。钢内筒套筒与烟囱混凝土外筒有间隙，在空间上隔离了酸水与钢筋混凝土的接触，避免了烟囱外筒的结构危害。实际运行的效果明显好于脱硫技改的老式混凝土烟囱。如图2所示，由于无法在空间上把酸水及防腐层与钢体隔离开来，酸水从防腐层缺陷泄漏到钢的筒体上，危害其结构安全。图2从以上分析可以看出，中国在脱硫烟囱上酸水泄漏和危害烟囱结构的根本原因在于：酸水和防腐蚀衬里与烟囱筒体没有在空间上隔离；烟囱筒体材料本身不防腐。防腐层的局部缺陷就会导致酸水直接泄漏到混凝土或钢板的筒体上。腐蚀不断扩大，最终威胁到烟囱钢筋混凝土外筒或者钢筒的整体结构安全。美国等西方国家在脱硫早期也经历了脱硫烟囱防腐保护和各种方案的使用验证过程。发现只要防腐衬里接触或粘贴在耐火砖和混凝土内壁上或者在钢板内壁上，酸水就有可能泄漏到烟囱钢筋混凝土或钢板上。针对脱硫湿烟囱酸水泄漏的解决方案，美国等西方国家得出的结论是：1. 必须采用独立的内筒套筒，在空间上隔离酸液与烟囱混凝土外筒的接触。2. 内筒的所有材料必须抗稀硫酸的腐蚀和耐烟气的温度。如图3所示，采用优质的乙烯基酯树脂制作的玻璃钢内筒套筒式烟囱可以保障在酸水泄漏的时候，酸水不会流淌接触到混凝土外筒上。即使酸液泄漏从玻璃钢外壁流淌下来，也可在底部集中回收处理。它满足了以上脱硫烟囱两个必要条件：与外筒的隔离和自身的抗腐蚀性。实际使用中玻璃钢烟囱的酸水泄漏问题已很少发生。 图3玻璃钢内筒套筒式烟囱到目前已经有安全使用达30年以上的记录。图4显示了EPRI（美国电力研究院）各种脱硫烟囱形式的统计结果，玻璃钢烟囱占绝对主流。近年来，美国80%以上的新建烟囱采用了玻璃钢独立内筒套筒式设计。美国等西方国家脱硫烟囱的酸水泄漏问题已经成为历史。 图4但是由于大直径玻璃钢的每一节圆筒的直径都在4米以上，受到了道路交通运输宽度和高度的限制。所以大直径玻璃钢每一节园筒是在烟囱现场的附近搭建临时厂房，进行立式模具上的玻璃纤维的整筒式缠绕和树脂喷淋，完成固化、脱模等的生产过程。整筒式的玻璃钢圆筒的筒壁大致在1.4cm至2.0cm厚，每节筒高6米左右。每节筒体上下之间采用内外化学粘接的方式连接，以及膨胀节连接。玻璃钢筒依靠烟囱外筒结构，纵向设置多点悬挂支撑和止晃点。为了应对筒内湿烟气的正负压力和变化，玻璃钢筒体的外部设置了环形加强圈。整筒式的大直径玻璃钢烟囱在原有的脱硫技改混凝土烟囱上也遇到了挑战：烟囱外筒没有足够大的开口，可以将大直径的玻璃钢每节圆筒吊装进烟囱壳体内。比如：吊装直径7米和高6米的整筒玻璃钢圆筒时，就要求在地面附近的烟囱外筒上打出8米见方的开口。考虑到老式混凝土烟囱的结构安全，在外筒上开口并不可行。相对而言，组装式玻璃钢烟囱的圆筒是由分段园弧片在烟囱壳体内组装而成。各段园弧片的宽度有限，不需要在烟囱外筒上大面积开口。它解决了大直径玻璃钢烟囱在老式混凝土烟囱内使用的一个关键性技术难题。图5中的內筋/内法兰式连接的玻璃钢弧片，通过螺钉紧固和化学粘接，在混凝土烟囱壳体内组装成大直径玻璃钢圆筒。组装后逐节提升玻璃钢圆筒，圆筒上下之间通过化学粘接和膨胀节连接，最终成为玻璃钢烟囱内筒。 图5总之，大直径组装式玻璃钢烟囱是在整筒式的基础上发展起来的脱硫烟囱技术。它既满足了脱硫技改的老式混凝土烟囱的要求，也简化了新建脱硫烟囱的生产、施工和安装过程。其比重小，弧片重量轻，吊装简便；在玻璃钢工厂内加工，有效控制质量；运输不受道路交通的限制；工期短；不需要烟气再加热器（GGH）；降低烟气排放成本。组装式大直径玻璃钢烟囱在结构设计和应用上与整筒式的玻璃钢烟囱有很多相似之处，但是也同样面临一些设计和施工上的技术细节，比如烟气的过流面积，内筒与外筒的间隙，支撑设计形式，静电传导，膨胀节连接，防火，支撑与止晃装置的防腐，烟气阻力等。结论：脱硫烟囱酸水泄漏的根本原因是：湿烟气，酸水和防腐衬里与耐火砖和混凝土烟囱外筒在空间上没有隔离，或与钢筒在空间上没有隔离；同时混凝土或钢体本身不抗稀硫酸腐蚀。解决方案是采用内筒套筒式和防腐性能好的组装式大直径玻璃钢烟囱。参考文献：1水泥的化学成分与水化原理2T. Johnson, D. KellyThe Rapid Growth of Fiberglass Reinforced Plastic (FRP) in FGD Systems 20113Design of Fiberglass-Reinforced Plastic (FRP) Stacks 2010Published by the American Society of Civil Engineers4Don Kelley, The use of FRP in FGD applications, Jan. 20075N Uddin, Developments in Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites for Civil Engineering May 20136Rapoza, C Dene/EPRIGuidelines for the Use of Fiberglass-Reinforced Plastic in Utility Flue Gas Desulfurization SystemsFeb.19937