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摘要：介紹脫硫煙氣的特點和腐蝕性，煙囪結構選型、排煙筒材質選用及結構形式。從技術和經濟兩方面論證了排煙筒材質選擇及防腐措施。并對自立式和懸掛式排煙筒的結構特點、經濟性和施工條件進行了論證。...

設置GGH濕法脫硫煙囪結構選型及排煙筒防腐方案

西北電力建設第四工程公司

王軍鋒  任鳳利

    隨著我國環保標準的提高，現階段新建火電廠特別是城市火電廠在環評時要求設置氣-氣換熱器裝置(簡稱GGH)。在歐洲、日本，環保標準要求煙囪排煙溫度不低于75℃，因此，其煙氣脫硫系統基本上都設置了GGH。設置GGH時選擇一個適合此運行工況的煙囪，對于電廠經濟安全運行很重要。

一、脫硫煙氣的特點和腐蝕性

    在脫硫系統中，為避免吸收塔排出的低溫濕煙氣腐蝕煙道和煙囪內壁，同時提高煙囪排出煙氣的抬升高度以利于污染物的擴散，避免排煙降落液滴，常設氣-氣換熱器裝置(簡稱GGH)。

    1.不設GGH的濕法脫硫煙氣的特點和腐蝕性

    濕法脫硫工藝對煙氣中的SO2脫除效率很高，但對造成煙氣腐蝕主要成分的SO3脫除效率不高，約20%左右。因此，煙氣脫硫后，對煙囪的腐蝕隱患并未消除，相反脫硫后的煙氣環境（低溫、高濕、冷凝結露和正壓狀態等）會使腐蝕狀況進一步加劇。對煙氣濕法脫硫、且不設置煙氣加熱系統GGH的狀況，由于排放的煙氣溫度低于冷凝結露溫度，煙氣冷凝結露狀態突出，煙囪內的腐蝕環境復雜惡劣，腐蝕情況更加嚴重，帶來的影響則是煙囪運行檢修周期將會變短，檢修維護、甚至補修修復的工程量將會增大，煙囪的安全運行面臨較大的滲漏腐蝕問題。

    “國際工業煙囪協會（CICIND）”在其煙囪設計標準中有這樣的論述：燃煤電廠脫硫煙囪雖然在脫硫過程中已除去了大部分的氧化硫，但在脫硫后，煙氣濕度通常較大，溫度很低，且煙氣中單位體積的稀釋硫酸含量相應增加。因而，處于脫硫系統下游的煙囪，其煙氣通常被視為“高”化學腐蝕等級，即我們常說的強腐蝕性煙氣等級。基于此，煙囪應按強腐蝕性煙氣等級來考慮煙囪結構的安全性設計。

    2.設GGH的濕法脫硫煙氣的特點和腐蝕性

    設置GGH的濕法脫硫，煙氣對煙囪的腐蝕性介于濕法脫硫不設置煙氣加熱系統（GGH）和干法脫硫之間，但隱患并未完全消除。濕法脫硫設置煙氣加熱系統（GGH）后的煙氣環境對煙囪結構仍有一定的腐蝕性，可按中等腐蝕性煙氣等級來考慮煙囪結構的安全性設計。

二、脫硫煙囪的結構選型要求

    1.煙氣運行條件和煙囪結構選型考慮的因素

    受煙氣脫硫設施和機組運行狀況變化的影響，煙氣的溫度和濕度隨之發生變化，即煙氣干－濕、高－低溫狀態轉換難以避免。因此，煙囪的防腐蝕設計很難做到完全適應這些頻繁變化的運行條件。從防腐蝕設計的角度考慮，選擇的材料優劣與煙囪的使用壽命成正比，優質的材料使用壽命長，但造價高。所以對于煙囪的防腐蝕設計，需要根據不同時期的各項條件統籌控制好煙囪安全可靠性與經濟性的平衡點。

    煙囪結構方案的選擇應在考慮確保發電機組安全可靠運行和盡量保持持久運行、減少運行中的檢修維護前提下進行。同時，還應盡可能從設計構造上保證防腐蝕方案施工的可靠性和便利性，減少施工因素的影響和對它的依賴程度。當單純從經濟性方面考慮，煙囪可考慮選用抗滲密閉性較差的耐酸磚砌體排煙筒結構，但這可能會對發電機組帶來非正常停機的影響，并降低電廠的經濟效益，同時還需考慮處理或加固的費用。另外還可以考慮經濟性較差但抗滲密閉性好的鋼排煙筒結構。

    一般情況下，當考慮經濟因素、降低本期工程直接投資、選用常規防腐蝕設計方案時，還應考慮運行后出現腐蝕狀況需檢修維護或加固所需的投資費用，即煙囪投資應是煙囪使用壽命全周期內的投資費用，它包括初期的直接投資和正常運行期間由于滲漏腐蝕危及安全帶來的檢修維護及加固費用。

    2.設計標準及導則提出的煙囪結構選型要求

    現行國家標準《煙囪設計規范》、電力行業標準《火力發電廠設計技術規程》和《火力發電廠土建結構設計技術規定》中關于煙囪選型的相關要求是：當排放強腐蝕性煙氣時，宜采用多管式或套筒式煙囪結構型式，當排放中等腐蝕性煙氣時，宜采用套筒式煙囪結構型式，即把承重的鋼筋混凝土外筒和排煙筒分開，使外筒受力結構不與腐蝕性煙氣相接觸。

    目前國內濕法脫硫煙囪的腐蝕滲漏狀況較為普遍，設計方案及措施仍在不斷的研究和摸索之中，這涉及到煙囪運行的安全可靠性與投資費用的技術經濟平衡，需不斷地認識、理解和統一。以往工程中常規選用的兩臺鍋爐合用一根排煙筒（即套筒式煙囪）或傳統的單筒式煙囪方案，在煙囪使用期間排煙筒或內襯腐蝕滲漏后的檢修維護難以實施，并存在較大的安全可靠性風險，不應繼續在大容量機組煙氣濕法脫硫條件下應用。

    2009年8月，中國電力工程顧問集團公司在上海召開了“火力發電廠脫硫煙囪防腐技術研討會”，并形成了會議紀要意見。對脫硫煙囪的防腐設計原則確定為：（1）建議濕法脫硫處理后的煙氣按強腐蝕性等級考慮。（2）充分認識設置GGH的必要性。（3）應將排煙內筒作為排放煙氣的設備考慮定期檢修與維護的條件。（4）1000MW級機組脫硫煙囪應采用“一爐配一管”，600MW級機組脫硫煙囪宜采用“一爐配一管”，不設GGH的脫硫煙囪不宜采用磚砌體內襯結構的單筒式或套筒式煙囪。（5）濕法脫硫煙囪的排煙內筒宜為全程負壓運行。（6）應有明確的煙氣冷凝結露酸液收集、排放和防煙氣沖刷的措施要求。

    以往在煙氣濕法脫硫、設置煙氣加熱系統（GGH）條件下的煙囪選型以磚套筒式或鋼套筒式為主，磚套筒防腐采用耐酸磚砌體，并設耐酸砂漿封閉層方案，鋼套筒防腐采用防腐涂層方案。

三、脫硫煙囪方案

    1.煙囪結構選型

    濕法脫硫處理、設煙氣加熱系統（GGH）、煙氣溫度約為80℃的條件，按照國家相關煙囪設計標準、電力行業煙囪設計規定和目前國內濕法法脫硫（設GGH）煙囪通常選用套筒式煙囪結構型式。

    2.排煙筒方案

    排煙筒可根據地基變形、抗震設防烈度等自然條件選擇鋼排煙內筒結構或磚砌體排煙內筒方案。結構型式可選用自立式或懸吊式。

    設GGH的濕法脫硫煙囪，選擇鋼排煙內筒方案時，鋼排煙內筒材料一般選用Q235B鋼，內側面均涂刷防腐涂料保護層。選擇磚體砌排煙內筒方案時，在耐酸釉面磚砌筑排煙筒的外表面均設置一層內配鋼絲網的鉀水玻璃耐酸砂漿封閉層，以改善排煙內筒結構的抗滲能力和整體性能。

    排煙筒的材質選用、結構型式及防腐層方案分別論述如下：

    2.1材質選用

    設置GGH可提高煙囪排出煙氣的抬升高度以利于污染物的擴散，防止NOX落地濃度超標。可解決煙囪冒"白煙"問題，無視覺污染，避免排煙降落液滴問題。可使煙囪防水防腐問題較單化。但安裝GGH后，由于GGH部件的腐蝕和換熱元件的堵塞會降低FGD系統的可用率，增加GGH的維修費用。

    因此，從確保煙囪長期安全可靠地運行和減少運行中檢修維護工作量及投資費用等方面考慮，排煙筒在設置GGH的情況下選擇鋼排煙內筒方案時，鋼排煙內筒材料一般選用Q235B鋼，內側面均涂刷防腐涂料保護層。選擇磚體砌排煙內筒方案時，在耐酸釉面磚砌筑排煙筒的外表面均設置一層內配鋼絲網的鉀水玻璃耐酸砂漿封閉層，以改善排煙內筒結構的抗滲能力和整體性能。

    2.2結構型式

    目前，國內火電廠工程排煙筒有兩種結構型式。一種是自立式結構，國內約占95%以上，其設計和施工技術都比較成熟；另一種是懸吊式結構，國內暫無統一的設計標準，設計和施工還在摸索和完善之中，工程應用也在嘗試著開展。

    自立式和懸吊式排煙筒結構各有其優缺點，論述如下：

    2.2.1自立式和懸吊式排煙筒結構特點

    自立式排煙筒結構，其筒體下部是通過錨栓與基礎相連，筒體本身獨立承受各項外部荷載。鋼筋混凝土外筒壁與排煙筒之間均留有不小于1米的空隙，并沿高度方向設有數層用于檢修維護的平臺，部分平臺設置制晃裝置，用于鋼筋混凝土外筒壁對排煙筒在水平方向的約束支承。

    懸吊式排煙筒結構，在鋼筋混凝土外筒壁與排煙筒之間也都留有不小于1米的空隙，并沿高度方向設有數層用于檢修維護的平臺，排煙筒則是分段或整體懸吊在這些平臺中的幾層或頂層上。根據不同的設計思路，排煙筒下部段可為自立式坐落在煙囪基礎上，也可懸空直接與水平煙道相連。各段排煙筒之間通過伸縮節相連，排煙筒的荷載（下部自立式除外）都是通過支撐平臺先傳給鋼筋混凝土外筒壁，再傳遞到基礎上。

    2.2.2自立式和懸吊式排煙筒結構的受力特點

    由于自立式排煙筒自承重的特點，它的受力狀況是整體處于受壓狀態。相對而言，按照材料強度和結構穩定性要求，排煙筒下部的筒壁厚度要大些。自立式排煙筒不分段，它的結構整體性好，對于脫硫煙氣正壓運行來說，它的抗滲透性和抗腐蝕能力都有一定的優勢。由于排煙筒直接坐落在煙囪基礎上，故鋼筋混凝土外筒壁不承受排煙筒的自重荷載。

    懸吊式排煙筒，由于其分段懸掛特點，運行期間它的受力狀況是整體處于受拉狀態。設計中結構穩定性要求容易滿足，排煙筒筒壁厚度相對小些，但設計中應考慮施工方案可能存在的施工自立式狀態，需進行必要的受壓核算。由于懸吊式排煙筒是分段懸掛，各段間不可避免地人為留縫，對于脫硫煙氣正壓運行條件來說，這些縫的抗滲和抗腐蝕能力都是處理的重點，也是重大安全隱患的薄弱點，設計和施工難度相對大些，運行期間需定期巡視檢查，發現伸縮膨脹節出現滲漏腐蝕情況及時處理。

    鋼筋混凝土外筒壁需承受排煙筒自重荷載及由自重質量產生的地震作用。相對自立式排煙筒結構而言，鋼筋混凝土外筒壁承受的荷載大些。

    對采用纖維增強塑料（玻璃鋼FRP）材料的排煙內筒結構，考慮到它接縫的冷連接狀況和長期受拉的安全可靠性，從受力角度出發應優先考慮自立式結構體系方案。

    2.2.3自立式和懸吊式排煙筒結構的經濟性分析

    從上述兩種排煙筒結構的受力特點論述看：懸吊式排煙筒的筒壁厚度要小些，鋼結構工程量小些，經濟性好些，但排煙筒連接縫處的處理需牢固可靠，要考慮維護或更換的費用。自立式排煙筒整體性好，筒壁厚度大些，鋼結構工程量稍大，相對而言經濟性差些。

    2.2.4自立式和懸吊式排煙筒結構的施工條件

    由于自立式排煙筒結構的應用廣泛，其施工技術也比較成熟，通常情況采用“氣壓頂升”法。氣壓頂升倒裝法原理清楚、設備簡單、操作方便、頂升平穩、經濟性好，具有一定的先進性。

    對于懸吊式排煙筒結構，排煙筒的吊裝主要采用 “液壓提升”。該方法是一種常規的方式，在施工中面臨的主要問題是各懸掛段之間伸縮節相連。伸縮節的設計要求是：連接的上下段排煙筒能在溫度膨脹作用下自由滑動，同時還要保證煙氣的密閉性及筒體的橫向剛度，不能讓排煙筒出現橫向的擺動。相對而言，連接縫的設計施工比較復雜，施工難度較大，施工質量要求高，經驗積累少些。

    3.排煙筒防腐蝕方案

    3.1設GGH的濕法脫硫的各防腐蝕方案的優缺點

    一般情況下，煙囪排煙筒是選用磚砌體結構或鋼結構這兩種材料。從各方面的因素比較，國外主要選用鋼結構材料。國內在有煙氣加熱系統（GGH）條件下，主要選用磚砌材料，也可選用鋼結構材料。

    鋼結構材料與磚砌體結構材料的性能比較：

    鋼結構材料的抗滲密閉性好，整體性強，自重輕，施工簡便和施工周期相對較短，但耐腐蝕性和經濟性差些（限于國內條件），在選用鋼排煙筒時，要對其內壁進行防腐措施處理（需加設耐酸砂漿保護層、刷防腐涂料等）。

    磚砌體結構材料中的磚體本身耐腐蝕性和經濟性都較好，但形成砌體后的抗滲密閉性和整體性較差，自重大，需設平臺分段支撐，施工復雜，周期長。其防腐薄弱環節是數量巨大的砌體間的砌筑縫和各分段支承平臺處排煙筒的連接接縫，在溫度變化和溫度長期作用下必定會產生開裂裂縫（磚體間）和連接縫隙（分段連接處），而這些開裂后出現的裂縫和連接縫隙，在低溫和高濕的煙氣環境、以及煙氣冷凝結露產生的腐蝕性水液滲透侵蝕下將促進煙囪排煙筒的腐蝕進程，給煙囪排煙筒的安全運行帶來不利的影響，嚴重者有可能導致停機維修和更換排煙筒，減少使用壽命。

    因此，僅從防腐的角度考慮，排煙筒材料應首先考慮選用抗滲密閉性好的鋼結構方案。

    3.2設GGH的各防腐蝕方案的經濟性分析

四、結論

    設置GGH的濕法脫硫，考慮到煙氣脫硫處理后的腐蝕性因素，以及以往工程的使用情況，從經濟性方面考慮，煙囪結構型式選用磚套筒式煙囪。從抗震性能角度考慮，高烈度區宜優先選擇鋼套筒煙囪。從電廠長遠運行的經濟安全角度，綜合建議選擇鋼套筒煙囪。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)

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