火電廠“煙塔合一”防腐修復新工藝

1 概況
火力熱電廠行業為了減少環境污染, 減少對環境的損害和提高廢氣、煙氣的排放率, 一直在不斷開發新工藝和技術。煙塔合一技術就是一種較成功的技術。煙塔合一技術在國外從20世紀70年代就開始研究, 通過不斷的試驗、研究、分析和改進, 技術已日趨成熟。我國二十一世紀初開始引進技術, 經過多年的吸收總結, 目前完全具備煙塔合一的技術能力[1]。
隨著工程應用的增加, 混凝土的腐蝕問題逐漸暴露出來, 如何防腐是擺在我們面前的一道難題。針對火電廠煙塔合一冷卻塔混凝土防護的問題, 研究的新工藝在一些具體項目上得到應用, 施工簡易可行并在后期數據追蹤發現性能更加優越。
2 煙塔合一技術中冷卻塔的腐蝕與防腐
通過濕法脫硫處理后的凈煙氣中仍然含有一定量的二氧化硫 (SO2) 、三氧化硫 (SO3) 、一氧化氮 (NO) 、氯化物 (Cl-) 、二氧化碳 (CO2) 等有害氣體。這些氣體進入冷卻塔后, 在塔內上升過程中與飽和熱濕空氣接觸, 部分水蒸氣遇冷凝結成霧滴, 其中一些霧滴會在冷卻塔塔壁上聚集成較大的液滴, 這些液滴因含有煙氣所帶的酸性氣體而呈現出較強的酸性 (p H值最高可達1) 。例如德國某電廠煙氣冷凝水的成分分析結構[1] (見表1) 。
表1 德國某電廠煙氣冷凝水的成分分析     下載原表
表1 德國某電廠煙氣冷凝水的成分分析
2.1 冷卻塔混凝土腐蝕特點
冷卻塔混凝土結構的耐久性失效主要與侵蝕有關, 這種侵蝕不同于其它建筑結構, 主要有溶出性侵蝕、微生物弱酸腐蝕和凍融破壞三種形式, 其結果表現為混凝土層疏松、掉皮、甚至露筋, 或因沖刷、凍融破壞導致混凝土壁內空隙加大等, 嚴重的最終導致冷卻塔的失效報廢。對冷卻塔混凝土耐久性的保護, 首先應弄清混凝土受到的侵蝕破壞特點, 進而有針對性的進行防護是十分重要的[2]。
(1) 溶出性侵蝕
溶出性侵蝕是冷卻塔混凝土破壞的最主要形式之一, 這是因為在所有混凝土水泥水化產物中, Ca (OH) 2的溶解度是最大的, 它的極限石灰濃度為21mmol/L, p H值為12.5, 因此當混凝土處于水中時, 由于環境水的不斷滲入, Ca (OH) 2為了保持其穩定存在, 首先被溶解直至混凝土液相鈣濃度達到極限濃度。但混凝土內外液相鈣的濃度差, 導致鈣的不斷向外擴散, 若環境水是流水 (冷卻塔循環水即如此) , 在不斷的溶解和擴散中, 混凝土內部的Ca (OH) 2逐漸耗盡, 此時缺少了Ca (OH) 2的“保護”, CSH凝膠開始分解。因此水泥石水化產物的穩定都必須在一定濃度的石灰溶液中才能夠保證, 如果液相中的石灰濃度小于該水化產物的極限濃度, 則該水化產物將被溶解或分解, 有資料表明:當混凝土中鈣溶出量達到自身的25%時, 其抗壓強度下降36%, 抗拉強度下降66%, 當溶出量達到33%時, 混凝土變得酥松而失去強度[2]。
(2) 微生物弱酸腐蝕
在敞開循環冷卻水系統中, 微生物的危害往往與水垢和侵蝕的危害并列為三大危害, 微生物是指各類非常微小的單細胞生物。在循環冷卻水中的微生物分為藻類、細菌及真菌。冷卻塔光照充足, 通氣良好, 是藻類生長的理想場所, 特別是敞口的冷卻塔, 藻類的繁殖更加嚴重, 藻類分為藍藻、綠藻、硅藻等, 藻類在冷卻塔壁或淋水構件上生長, 會引起許多其他微生物的共同生長繁殖, 組成復雜的生物群落。這種生物群落在其新陳代謝的過程中要產生各種酸類, 對混凝土起腐蝕作用。細菌可分為鐵細菌、硫酸鹽還原菌、硫細菌及氮化細菌等, 其中硫酸鹽還原菌對金屬的腐蝕主要是通過陰極去極化作用加速腐蝕過程;而有鐵細菌活動的部位, 氫氧化鐵沉積物的產生不僅速度快而且量大, 當氧濃差電池形成以后, 陽極區溶解的鐵離子因鐵細菌的作用迅速被氧化, 因而加速了鐵的進一步腐蝕;硫細菌為好氧性細菌, 一般在氧與硫化物同時存在的微氧環境下繁殖, 能夠把硫化物、硫或硫代硫酸鹽氧化成硫酸, 生成的硫酸使水的p H值降低, 在局部區域內甚至可能生成相當于10%濃度的硫酸, 使p H值降低到1.0~1.1。低p H值會使金屬和混凝土局部腐蝕破壞;氮化菌為好氧性菌, 能使水中有機態氮化物轉化為無機態氮, 硝酸菌、亞硝酸菌和反硝化菌適宜于中性或堿性環境, 這種菌群對循環水系統的危害很大, 硝化細菌群中的三類細菌可以互相促進繁殖。亞硝酸菌和硝酸菌化轉化出大量的亞硝酸和硝酸, 使系統p H值降低, 造成金屬和混凝土的腐蝕。
(3) 凍融破壞
冷卻水在冷卻塔中會出現凍融破壞問題。這是由于在混凝土內部存在微細孔隙, 冷卻水進入空隙后不僅造成腐蝕, 在冬天還會使水凍結。因水凍結時體積膨脹9%, 從而產生相當大的內應力, 使鋼筋混凝土塔壁產生裂紋而破壞, 這在我國北方地區表現的較為明顯。
就混凝土材料自身而言, 冷卻塔混凝土耐久性的失效原因主要是由以上三種侵蝕方式造成, 但這三種方式并非孤立的各自作用, 而是相互促進:溶出性侵蝕使混凝土表面變得酥松, 增加了混凝土的孔隙率, 為微生物進一步深入侵蝕混凝土中的鋼筋創造了條件;而混凝土孔隙率的增加, 同時也增加了混凝土的表面吸水率, 在負溫情況下, 加劇了混凝土的凍融破壞;凍融破壞更加劇了表層混凝土的破壞, 使內部新的混凝土裸露出來, 又為溶出性侵蝕創造了條件, 因此這三種侵蝕方式互為影響, 如同一惡性循環環境, 其破壞力遠比單一一種侵蝕方式更為嚴重。
3 冷卻塔混凝土防腐
為了保證冷卻塔的安全、長周期運行, 須對冷卻塔內混凝土各部件進行防腐蝕保護處理。過去管用做法是選用油性防腐涂料, 以雙組份環氧樹脂型、聚氨酯樹脂型等涂料為主。然而, 這些涂料并未能有效符合冷卻塔實際使用時, 遇到的問題, 比如不均勻熱荷載。另外一個問題, 由于混凝土堿性材質的特征, 易與涂刷其表面的高分子涂料發生皂化反應, 使涂膜老化, 降低涂層壽命, 結合實際勘查發現, 大部分冷卻塔防腐涂料, 三至五年時間內易出現掉皮、開裂和與混凝土分離的現象, 因此防腐涂料不能從根本上解決冷卻塔混凝土耐久性的保護問題[3]。目前市場應用上, 已經出現一種新的水性聚合物改性砂漿涂料, 替換傳統的油性防腐涂料, 由于水性聚合物砂漿的體系, 能與混凝土本身結合更好, 因而具備更好的防腐性能和施工性能的優勢, 并減少VOC排放, 更加環保。
3.1 目前國內煙塔合一冷卻塔常用防腐配套 (見表2)
表2 煙塔合一常規防腐修復步驟及采用材料     下載原表
表2 煙塔合一常規防腐修復步驟及采用材料
冷卻塔需要采用高性能材料進行防腐保護, 但是系統極性及細節填充效果不足更容易導致整個工程的失敗, 從而導致重大經濟損失。此方案在實際工程項目中的嚴重不足:兼容性問題:混凝土本身為水性且疏松多孔, 隨著溫度和濕度的變化進行“呼吸作用”, 而封閉底漆為溶劑型, 經常碰到從封閉底漆層大面積脫開。
缺損和孔洞填充問題:在經過噴砂表面處理后, 混凝土的缺損和坑孔充分暴露, 環氧膩子通常為溶劑型, 由于極性不同, 且填充能力相當有限, 導致不能有效填充和封閉氣孔, 后期極易由點及面, 造成防腐工程的失敗。
3.2 針對以上兩個問題, 我們針對性篩選了新產品和工藝, 工程實例驗證了以下體系具備更為合理、優越的防腐保護能力 (詳見表3) 。
表3 煙塔合一改進防腐修復工藝及采用材料     下載原表
表3 煙塔合一改進防腐修復工藝及采用材料
3.2.1 鋼筋修復區域及其他大缺損區域, 手工涂覆高強度水性聚合物砂漿。
3.2.2 蜂窩狀表面區域等小缺損的修復, 手工涂覆超高強度水性聚合物砂漿, 產品用于修復0-1mm的缺損及蜂窩狀表面。
3.2.3 大面施工混凝土結構防護涂層噴涂, 滾涂施工浸泡級高交聯密度環氧油漆。
3.2.4 大面耐老化涂層噴涂, 滾涂施工脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆。
上述工藝在甘肅寧東某電廠、安徽廬江某電廠等項目上得到實際應用。該工藝施工更加簡易可行, 在項目后期數據追蹤發現性能優越, 防腐效果良好。
4 結論
本文總結了目前國內煙塔合一冷卻塔防護的基本知識及防護系統, 根據分析總結, 對普通工藝及材料進行替代改良, 選用超高強度水性聚合物砂漿來修復和填充噴砂表面處理混凝土表面暴露出來蜂窩狀表面、大小坑孔等缺陷。經過項目實踐, 驗證了該工藝方案更加優異的施工和防護能力。
參考文獻
[1]湯蘊琳.火電廠“煙塔合一”技術的應用[J].電力建設, 2005 (2) :26.
[2]梁龍, 劉紹中, 孫玉龍.火力發電廠冷卻塔混凝土的耐久性保護研究[J].商品混凝土, 2008 (2) :17-19.
[3]劉志明, 鄭永來.冷卻塔鋼筋混凝土耐久性分析[J].工業建筑, 2010 (s1) :796-798.