煙氣濕法脫硫對煙囪的影響分析及防腐措施

王雪梅，陳 蕊

（中國核電工程有限公司河北分公司核電工藝所，河北石家莊 050000）

火電廠是中國大氣污染物中SO2的主要來源，因此中國政府對火電廠的SO2排放進行了嚴格限制。按照2012－01－01起實施的《火電廠大氣污染物排放標準》規定，河北省屬于大氣污染物特別排放限制區域，該區域內電廠SO2排放的執行標準為50mg/m3，需要通過煙氣脫硫方法才能達到該標準的要求。關于煙氣脫硫方法，研究人員進行了大量的實驗研究［1－2］，其中石灰石－石膏濕法脫硫方法具有較高的脫硫效率，一般可達到95%（質量分數），且技術成熟，是當前電廠脫硫最常用的方法［3］。

濕法脫硫后雖然煙氣中的SO2含量大為降低，但其引發的煙囪腐蝕問題不容忽視。據國內已安裝濕法脫硫裝置的電廠反饋［4］，部分煙囪內表面已出現腐蝕和脫落，粗骨料外漏，鋼筋腐蝕明顯。究其原因在于未充分重視煙囪的防腐方案，煙氣脫硫后煙囪內部煙氣的運行工況條件發生了實質變化，給煙囪安全運行帶來了問題。如果處理不當，會加快腐蝕，降低煙囪使用壽命。

本文以河北鹿泉曲寨熱電廠的脫硫改造工程為案例，分析脫硫后煙囪內部煙氣運行狀況以及煙囪內部煙氣壓力對于煙囪腐蝕的影響，結合理論計算分析煙囪內的靜壓分布，驗證煙囪內正壓的產生機理，提出煙囪防腐改造的綜合方案。

1 案例分析

曲寨熱電廠建設有3臺220t/h高溫高壓循環流化床鍋爐和3臺50MW抽汽凝汽式汽輪發電機組并配套建設相關輔助系統和設備，電廠建設及投運時所執行的標準為GB 13223—2003，經石家莊市環境保護局核準的SO2排放質量濃度為800mg/m3，其采用了鍋爐爐內噴鈣脫硫方案，SO2排放濃度可達到排放標準。但按照2012－01－01起實施的GB 13223—2011規定，廠址所在的鹿泉區屬于大氣污染物特別排放限制區域，其大氣污染物中的SO2排放指標為50mg/m3，而原有技術無法滿足煙氣排放的新要求。為了使尾部煙氣達標排放，滿足國家環保部門的排放要求，該熱電廠對3臺220t/h高溫高壓循環流化床鍋爐的煙氣脫硫設施進行改造勢在必行。根據運行要求，采用石灰石－石膏濕法工藝，一爐一塔，脫硫后的煙氣匯合后，經原有的煙囪排出。

脫硫會導致煙氣溫度降低，使得由溫度差產生的上抽力減小，流速降低，易于產生煙氣聚集，并對排煙筒內壁產生壓力。煙囪腐蝕形成有兩方面因素:煙氣中有腐蝕性物質；煙囪內形成了正壓區域。研究表明煙囪內部的正壓區域是煙囪內部受腐蝕最嚴重的位置［5］，因此脫硫后煙氣的運行狀況、煙囪內部是否出現正壓區以及煙囪的防腐措施成為脫硫改造的關鍵。

2 濕法脫硫后煙氣運行狀況分析

2.1 濕法脫硫后煙氣的腐蝕性

煙氣經濕法脫硫處理后，溫度低，濕度大，容易出現煙氣結露現象。根據國際工業煙囪協會發布的標準，煙囪內部腐蝕主要有3個原因:1）煙氣脫硫后的冷凝物中存在氯化物或氟化物，從而容易形成腐蝕度高、滲透性強、難于防范的稀酸型腐蝕；2）濕法脫硫工藝對造成煙氣腐蝕的主要成分SO3脫除效率不高，只能達到30%（質量分數）左右，SO3易與水蒸氣結合形成硫酸，對煙囪造成腐蝕；3）脫硫后煙氣濕度增大、溫度降低，當煙氣溫度低于酸露點溫度時，煙囪內部形成酸液，從而形成腐蝕。

根據試驗研究［6］，煙氣經過FGD后，煙囪內部煙氣溫度下降到了50℃左右，此溫度已低于酸露點，煙氣中的硫酸蒸汽凝結形成酸液，此時煙氣腐蝕性非常強。因此，濕法脫硫后對煙囪的腐蝕會加劇。

2.2 濕法脫硫后煙囪內正壓的成因與危害

煙氣的運行壓力與其溫度、濕度、流速和煙囪結構等密切相關。根據《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》［7］，煙囪的自身通風與煙氣、空氣密度差成正比，煙氣密度與煙氣溫度成反比，即煙氣溫度越低，煙囪上抽力越小，在煙氣出口流速不變的情況下越有可能出現正壓值，因此，脫硫后煙氣溫度的下降是煙囪內出現正壓的主要原因。

當煙囪內部壓力為正壓時，煙氣對煙筒內壁產生了滲透壓力，強腐蝕性的煙氣透過煙囪內壁防護結構的裂縫向外擴散，直接與煙囪材料發生接觸，加速了煙囪的腐蝕，因此應盡量避免煙囪內出現正壓區，但電廠在脫硫改造后，正壓運行的狀況有時無法避免，這樣就對煙囪防腐提出了更高的要求。

2.3 脫硫后煙囪內正壓區分析

根據“《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》配套設計計算方法”［8］，用煙囪靜壓準則數（Rz）來判斷煙囪內是否出現了正壓，當其大于1.0時，證明煙囪內出現了正壓區。計算公式為

式中:λz為煙囪內部摩擦阻力系數；i0為出口坡度；d0為出口內徑；hd0為出口動壓；ω0為出口煙速；ρy為排煙筒內煙氣平均溫度下的煙氣密度；Δρ為煙氣與環境空氣的密度差。

已知案例電廠:3臺鍋爐共用1座煙囪，煙囪為多坡度錐型筒，高度為180m，出口直徑為Φ4 200 mm，一臺鍋爐在脫硫后煙氣溫度為60℃的狀況下，其煙氣排放量核算為318 446m3/h（當地大氣壓下），煙囪摩擦阻力系數為0.05，煙囪出口段坡度為0.02，排煙平均溫度下的煙氣密度為1.049kg/m3，大氣密度為1.197kg/m3，煙氣和環境空氣的密度差為0.148kg/m3。根據煙氣量以及煙囪出口直徑得到出口煙速（ω0）為19.16m/s。將出口煙速和煙氣密度帶入公式（2），得出出口動壓（hd0）為192.695 Pa。

將各參數代入公式，得出Rz為6.647＞1.0從而判斷排煙筒內部將出現正壓區。

3 煙囪各處的靜壓值計算

根據文獻［8］計算多坡錐形煙囪任一高度截面上的靜壓值表達式如下所示，其與煙囪內部結構、煙氣密度、煙囪高度、煙氣流速等有關。

hd，out，hd，in為某區段煙氣出口、進口動壓，λz為煙囪內部摩擦阻力系數；i為煙囪各區段坡度，Δρ為煙氣與環境空氣的密度差，ΔL為某區段高度，ΔhM為區段摩擦阻力之和。

案例電廠煙囪為單筒多坡度錐形煙囪，將各坡度內分別取若干點，可近似畫出煙囪各處的靜壓值曲線圖，如圖1所示。由圖1可以看出，當1臺鍋爐運行時，煙囪內部全部處于負壓狀態，煙氣減少與煙囪內壁直接接觸，可有效降低煙囪的腐蝕速率；當2臺鍋爐運行時，從圖1可以看出煙囪在約118.55m處出現正壓，正壓最大值為23.73Pa；當3臺鍋爐全部運行時，煙囪幾乎全程處于正壓運行。此時，腐蝕性煙氣通過煙囪內部的裂縫向外擴散和逃逸，會加速煙囪的腐蝕。

圖1 煙囪各處的靜壓值Fig.1 Static pressure distributions of a chimney

4 煙囪防腐改造方案

案例電廠脫硫改造時，煙氣量、煙囪高度、結構等無法進行改變，且煙囪內出現正壓，此時對煙囪的防腐提出了更高的要求。需要使用粘接強度高、耐硫酸腐蝕、耐交替溫變、膨脹系數與基體匹配的防腐材料，防腐措施要求便于施工，防腐層可實現無縫整體，且檢查和維護簡單。因此如何進行煙囪防腐成為此改造工程的關鍵。

4.1 防腐方案

根據曲寨電廠脫硫后煙囪內的煙氣正壓運行工況分析，結合國內外脫硫工程煙囪改造的實施方案［9－14］，現提出以下4種防腐方案。

1）方案1 保留煙囪內部的原有耐火磚，對煙囪內部增加2層措施。第1層:內層涂防腐涂料；第2層:外層貼?；沾纱u。各層之間相互依存，互為補充，共同承擔起整座煙囪的防腐，該方案施工工期短，費用低。

2）方案2 采用整體面層防腐體系，使用噴涂方式安裝內襯（VP煙囪內襯）。采用材料:底涂液、耐溫防腐專用材料、面涂液。VP內襯技術在國外已運用較多，其采用了新型高分子聚合物，具有耐溫、抗酸、使用壽命長等特點。采用壓力噴涂的方式將VP材料應用于混凝土煙道內。該防腐措施施工工期較短，施工費用中等。

3）方案3 采用防酸腐蝕涂料（玻璃鱗片涂層等）。鱗片膠泥中含有10%～40%片徑不等的玻璃鱗片，鱗片膠泥在施工完畢后，扁平型的玻璃鱗片在樹脂連續相中呈平行重疊排列，從而形成致密的防滲層結構。因此腐蝕介質在一定厚度的耐腐蝕層中，滲透的距離和時間大大的延長，相當于增加了防腐層的厚度。鱗片膠泥采用的基體樹脂是高性能的乙烯基酯樹脂，該樹脂具有更好的耐腐蝕性能，但其適用煙氣溫度為150℃。因此，溫度是選擇該方案需慎重考慮的因素。

4）方案4 內襯采用鎳基合金復合板或者采用鈦合金板，隔絕煙氣與煙囪內筒接觸。在地面制作出合金復合板片，在現場將合金復合板焊接成型，置于鋼筋混凝土煙囪內，使脫硫后的凈煙氣與鋼筋混凝土煙囪隔離，避免了脫硫后的低溫凈煙氣對鋼筋混凝土煙囪的腐蝕。該方案實現了煙氣與煙囪的隔離，防腐蝕效果最好，但施工工期較長，施工難度比較大，投資費用十分昂貴。

4.2 方案比對

煙囪的防腐應根據煙氣運行工況、電廠使用年限、電廠規模以及煙囪結構型式來選擇切實可行的防腐方案。

方案1為防腐涂料加?；沾纱u，是國內運用最多的方案，河北、寧夏等多地電廠采用了此方案，但通過對近幾年運行情況反饋的統計，部分煙囪內壁的防腐材料普遍脫落嚴重［4］，經檢測均達不到安全標準。曲寨電廠煙囪內為正壓運行，煙氣狀況對煙囪的防腐有更高要求，根據華東電力設計院對近10年的脫硫煙囪的回訪總結［15］，濕法脫硫后的煙囪防腐，在無煙氣換熱器（GGH）運行狀況下，應采用整體氣密的排煙筒或防腐內襯，因此不建議采用方案1。

方案2中VP煙囪內襯從國外已運行業績來看，工作溫度高，耐腐蝕性能好，使用壽命長［11］，施工工期較短，但國內沒有相關的運行業績，只能作為備選方案。

方案3采用耐蝕膠泥涂料，工期短，造價低，在國內已有類似的成功應用案例，溫度的沖擊對其影響很大，曲寨熱電廠未設置煙氣旁路，煙氣溫度波動不大，但該方案防腐的壽命較短，僅為5～10年，如采用該方案，需要加強管理，將煙囪的防腐視為設備管理的范圍，對其進行定期檢查、及時維護和修繕［16－17］。

方案4中鈦合金板在內應力、抗介質的滲透以及施工質量的保證上有優勢，根據運行經驗來看，防腐蝕效果也比較好［15］，部分煙囪在采用玻璃磚后腐蝕嚴重修復方案也選用的鈦合金板內襯［4］，鑒于曲寨電廠煙氣運行狀況，出于耐久性和安全性考慮，建議采納該方案，但該方案價格十分昂貴，并且電廠已運行15年，是否采納需與方案3進行技術經濟比對。

綜合以上各方案，建議采納鈦合金板內襯或者防酸腐蝕涂料并定期修護。

5 結 語

根據中國大氣污染防治的要求，很多電廠需要進行脫硫改造，脫硫改造后由于煙氣溫度下降，其上抽力減小，流速降低，錐形單筒煙囪結構形式的煙氣可能會處于正壓運行狀態，煙囪內部為正壓時，腐蝕性煙氣透過煙囪內部的裂縫向外擴散，直接與煙囪發生接觸，從而加速煙囪的腐蝕，因此對煙囪防腐改造提出了更高的要求。

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