火電廠煙囪防腐改造工程方案設(shè)計

河曲電廠一期工程2×600MW亞臨界燃煤發(fā)電機組共用一座240/10m單筒式煙囪。煙囪筒身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 其內(nèi)襯 (60m以下為240mm厚;60m以上為120mm厚) 為耐火磚, 用耐酸膠泥砌筑。鋼筋混凝土筒壁內(nèi)附保溫層厚80mm。沿?zé)焽柰采砀叨确较蛎扛?5m設(shè)置環(huán)形懸挑牛腿支承保溫層和砌體內(nèi)襯。

河曲電廠一期機組同期配套安裝石灰石-石膏濕法全煙氣脫硫裝置, 采用一爐一塔的方案, 設(shè)置了煙氣加熱GGH裝置, 煙囪中的排煙溫度約為80℃, 原有煙囪在設(shè)計的時候曾進行簡單的濕法脫硫防滲防腐處理。為滿足國家現(xiàn)行環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的要求, 電廠擬對一期工程2臺機組現(xiàn)有的煙氣濕法脫硫系統(tǒng)進行超低排放改造, 同時取消和拆除現(xiàn)有煙氣脫硫系統(tǒng)的煙氣加熱GGH裝置。GGH取消且不新增MGGH時, 煙囪入口處的排煙溫度將從原來的80℃降到45~50℃, 煙囪中的煙氣冷凝結(jié)露酸液會非常明顯, 滲漏腐蝕狀況將會加劇, 原有的“單筒式”煙囪結(jié)構(gòu)體系已不適合增容改造后的煙氣濕法脫硫運行條件, 需要對其進行濕法脫硫防滲防腐改造處理。

(1) 目前國內(nèi)濕法脫硫、不設(shè)置GGH的現(xiàn)役“單筒式”老煙囪濕法脫硫防滲防腐改造成熟的常規(guī)方案是:主要以在原有煙囪鋼筋混凝土筒壁內(nèi)新增設(shè)置一根鋼排煙內(nèi)筒的方案為主, 即設(shè)置“套筒式”煙囪;新增設(shè)置的排煙內(nèi)筒體系采用鈦鋼復(fù)合板材料。近年來, 在役老煙囪濕法脫硫防滲防腐改造方案中很多都采用了這種方案。

(2) 國家標(biāo)準(zhǔn)《煙囪設(shè)計規(guī)范》GB50051-2013

在原有“單筒式”煙囪筒身磚砌體內(nèi)襯內(nèi)表面新增設(shè)置一層防腐層 (如玻璃磚或涂層、聚合物材料) 的濕法脫硫煙囪防滲防腐改造方案有諸多問題:其煙囪結(jié)構(gòu)形式仍是“單筒式”煙囪, 其防腐層的耐久性和施工質(zhì)量保證不確定;煙囪投運后其內(nèi)部沒有使用情況的檢查條件;屬于短期治理型方案;之前在役老煙囪濕法脫硫防滲防腐改造工程中有較大比例的失敗案例等情況。國家標(biāo)準(zhǔn)《煙囪設(shè)計規(guī)范》GB50051-2013不建議通濕煙氣的煙囪使用“單筒式”方案。根據(jù)前述煙囪防腐改造方案設(shè)計依據(jù)及國家規(guī)范及西安熱工研究院對濕煙囪運行情況進行系統(tǒng)的普查調(diào)研結(jié)果, 一期“單筒式”濕煙囪防滲防腐改造方案的設(shè)想是:采用在原有煙囪鋼筋混凝土筒壁內(nèi)新增一根排煙內(nèi)筒的“套筒式”煙囪方案。新增設(shè)置的排煙內(nèi)筒具體可采用如下方案:

(1) 鈦鋼復(fù)合板內(nèi)筒;

() 鋼內(nèi)筒賓高德內(nèi)襯防腐;

(3) 玻璃鋼內(nèi)筒。

(1) 拆除原有內(nèi)襯, 增設(shè)鈦鋼復(fù)合板內(nèi)筒

鈦是一種很耐腐蝕的材料, 這是由于鈦的表面容易生成穩(wěn)定的鈍化膜, 鈍化膜是由幾納米到幾十納米厚的極薄的氧化鈦構(gòu)成, 在許多環(huán)境中是很穩(wěn)定的, 并且一旦局部破壞還具有瞬間再修補的特性。因此, 鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液中和氧化性介質(zhì)中具有很好的穩(wěn)定性, 比現(xiàn)有的不銹鋼和其他有色金屬的耐腐蝕性都好, 甚至可與鉑比美。因此鈦內(nèi)襯是目前新建濕煙囪防腐的主導(dǎo)工藝。脫硫后煙氣中還含有大量的氧化性介質(zhì), 這對保護鈦板表面的氧化膜是有好處的, 從另一方面又降低了硫酸的侵蝕。

鈦板由于其特定的化學(xué)性能, 有非常好的防腐效果, 脫硫后的強腐蝕性煙氣對鈦板的腐蝕性很小, 是國際工業(yè)煙囪協(xié)會推薦的濕法脫硫不設(shè)GGH情況下煙囪防腐內(nèi)襯之一。內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時, 不必預(yù)留腐蝕富裕度。鈦鋼復(fù)合板是一種成熟的組合材料, 有專門的國家標(biāo)準(zhǔn), 但造價相對較高, 施工要求較高。

需要注意的是, 鈦板與碳鋼不宜直接焊接, 因其相融形成的金屬是不耐腐蝕的。為此, 鋼內(nèi)筒襯鈦板有二種工藝:1) 現(xiàn)場掛貼:國內(nèi)臺塑福建省漳州后石電廠采用現(xiàn)場掛貼鈦板內(nèi)襯。2) 爆炸復(fù)合:國內(nèi)設(shè)計的鈦板內(nèi)襯煙囪均采用鈦復(fù)合鋼板工藝。

將原有240/10m“單筒式”煙囪筒身的磚砌體內(nèi)襯、隔熱層、積灰平臺、隔煙墻和筒首鑄鐵壓頂蓋板等全部拆除, 保留原有煙囪的鋼筋混凝土筒壁;在原有煙囪筒壁內(nèi)新增一根鈦鋼復(fù)合板材料的排煙內(nèi)筒體系方案。

方案說明:需要拆除原有“單筒式”煙囪的磚砌體內(nèi)襯、隔熱層、積灰平臺、隔煙墻和筒首鑄鐵壓頂蓋板等結(jié)構(gòu), 保留原有煙囪的鋼筋混凝土筒壁 (經(jīng)綜合判定能繼續(xù)使用時) ;按照長期治理型方案的思路, 在原有煙囪的鋼筋混凝土筒壁內(nèi)新增設(shè)置一根鈦鋼復(fù)合板材料的排煙內(nèi)筒、內(nèi)煙道和導(dǎo)流板, 以及相應(yīng)的排煙內(nèi)筒橫向約束裝置、平臺層和垂直交通系統(tǒng)等。

新增排煙內(nèi)筒高度為243.0m, 自立式, 上下等直徑。結(jié)合原有“單筒式”煙囪鋼筋混凝土筒壁頂部內(nèi)懸挑的環(huán)形牛腿內(nèi)半徑尺寸和新增排煙內(nèi)筒施工間隙的常規(guī)要求, 排煙內(nèi)筒內(nèi)直徑確定為9.0m, 筒壁壁厚確定為12+1.2~18+1.2mm。鋼內(nèi)筒導(dǎo)熱性較好, 采用80mm厚超細玻璃棉氈外包鍍鋅鋼絲網(wǎng)作為外保溫層。鋼內(nèi)筒外每隔50m設(shè)鋼檢修平臺, 兼作鋼內(nèi)筒的橫向止晃。此外, 由于在原鋼筋混凝土外筒內(nèi)設(shè)置了鋼內(nèi)筒, 需在鋼內(nèi)筒兩側(cè)采用鈦-復(fù)合鋼板材質(zhì)制作內(nèi)煙道 (每側(cè)約3.4m長) 與改造后脫硫凈煙道通過膨脹節(jié)相接。

本方案施工時重點監(jiān)測鈦鋼復(fù)合板焊縫的處理, 焊接時鈦條需要搭接相焊而不能對接相焊。鋼內(nèi)筒采用鈦鋼復(fù)合板材料, 防腐材料鈦板內(nèi)襯與碳鋼基體材料具有良好的復(fù)合性能, 且防腐材質(zhì)與基體材質(zhì)膨脹系數(shù)接近, 適應(yīng)溫度變化效果良好, 且金屬內(nèi)襯材質(zhì)具有良好的耐磨, 耐沖刷性能。另因內(nèi)襯材質(zhì)光滑, 摩擦系數(shù)小, 形成煙囪雨的極限煙速大于表面粗糙的磚類內(nèi)襯材料。施工時采用倒裝法施工工藝, 高空作業(yè)工作量大大下降。但施工時需嚴(yán)格控制焊縫處理, 并注意保護鈦板表面避免碰撞損傷, 鋼內(nèi)筒保溫性能較差, 為盡可能減少冷凝液的生成, 需設(shè)置保溫層。

方案優(yōu)點:煙囪防滲防腐改造工作主要是在煙囪內(nèi)部進行, 對周邊已有設(shè)施基本上無影響。鈦鋼復(fù)合板材料的排煙內(nèi)筒、內(nèi)煙道和導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)能從根本上解決煙氣濕法脫硫處理后煙囪的滲漏和腐蝕問題;結(jié)構(gòu)體系合理, 耐久性好, 使用壽命長, 檢修維護周期超過30年;鈦鋼復(fù)合板材料的選材、復(fù)合、軋制、包裝運輸、安裝、焊接和檢驗等施工各個工序, 都有相應(yīng)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)和控制;使用業(yè)績多 (超過200座煙囪) , 設(shè)計和施工經(jīng)驗成熟可靠。

方案缺點:原有“單筒式”煙囪內(nèi)的拆除工程量較大, 施工周期較長, 投資費用較高。施工期間內(nèi), 臨時煙囪排放煙氣的影響稍大。

施工工期:參照類似煙囪防滲防腐改造經(jīng)驗, 大致5~7個月, 供參考。

該方案從根本上解決了原有“單筒式”煙囪濕法脫硫改造后的防滲防腐問題。在原有煙囪鋼筋混凝土筒壁內(nèi)新建一根鈦鋼復(fù)合板材料的排煙內(nèi)筒體系方案。可行性大, 設(shè)計優(yōu)先推薦。

(2) 新增鋼內(nèi)筒, 內(nèi)貼美國賓高德輕質(zhì)發(fā)泡隔熱防腐玻璃磚防腐內(nèi)襯

將原有240/10m“單筒式”煙囪筒身的磚砌體內(nèi)襯、隔熱層、積灰平臺等拆除, 保留原有煙囪的鋼筋混凝土筒壁;在原有煙囪筒壁內(nèi)新增一根Q235B鋼內(nèi)筒+內(nèi)貼美國賓高德輕質(zhì)發(fā)泡隔熱防腐玻璃磚材料防護層的排煙內(nèi)筒體系方案。

方案說明:需要拆除原有“單筒式”煙囪的磚砌體內(nèi)襯、隔熱層、積灰平臺、隔煙墻和筒首鑄鐵壓頂蓋板等結(jié)構(gòu), 保留原有煙囪的鋼筋混凝土筒壁 (經(jīng)綜合判定能繼續(xù)使用時) 。按照中期治理型方案的思路, 在原有煙囪的鋼筋混凝土筒壁內(nèi)新增設(shè)置一根Q235B鋼內(nèi)筒+50mm厚美國賓高德輕質(zhì)發(fā)泡隔熱防腐玻璃磚材料防護層的排煙內(nèi)筒、內(nèi)煙道和導(dǎo)流板, 以及相應(yīng)的排煙內(nèi)筒橫向約束裝置、平臺層和垂直交通系統(tǒng)等。

新增排煙內(nèi)筒高度為243.0m, 自立式, 上下等直徑。結(jié)合原有“單筒式”煙囪鋼筋混凝土筒壁頂部內(nèi)懸挑的環(huán)形牛腿內(nèi)半徑尺寸和新增排煙內(nèi)筒施工間隙的常規(guī)要求, 新增排煙內(nèi)筒的內(nèi)直徑確定為9.1m (粘貼50mm厚玻璃磚防護層后的凈內(nèi)徑為9.0m) , 筒壁壁厚確定為12~18mm。

方案優(yōu)點:煙囪防滲防腐改造工作主要是在煙囪內(nèi)部進行, 對周邊已有設(shè)施基本上無影響。階段性地解決了煙囪排煙內(nèi)筒、內(nèi)煙道和導(dǎo)流板的滲漏腐蝕問題;結(jié)構(gòu)體系合理, 耐久性和使用壽命適中, 投資費用與方案一相近。

Q235B鋼材排煙內(nèi)筒材料的選材、制作、包裝運輸、安裝、焊接和檢驗等施工各個工序, 都有相應(yīng)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)和控制;有一定的使用業(yè)績 (30座煙囪左右) , 設(shè)計和施工經(jīng)驗成熟可靠。

方案缺點:原有“單筒式”煙囪內(nèi)的拆除工程量較大, 施工周期較長, 投資費用也較高。施工期間內(nèi), 臨時煙囪排放煙氣的影響稍大。

另外, 輕質(zhì)發(fā)泡耐酸隔熱防腐玻璃磚材料的采購和施工要求較高。目前, 國產(chǎn)產(chǎn)品的失敗案例較多, 故本報告建議采用美國賓高德輕質(zhì)發(fā)泡隔熱防腐玻璃磚材料的防護層系統(tǒng)。

施工工期:參照類似煙囪防滲防腐改造經(jīng)驗, 大致6~8個月, 供參考。

該方案階段性地解決了原有“單筒式”煙囪濕法脫硫改造后的防滲防腐問題。輕質(zhì)發(fā)泡隔熱防腐玻璃磚材料防護層的采購和施工要求較高, 國產(chǎn)產(chǎn)品有較多的失敗案例;本工程建議選用美國賓高德輕質(zhì)發(fā)泡隔熱防腐玻璃磚材料的防護層。由于與方案一相比, 投資費用相近, 但施工質(zhì)量控制有一定的風(fēng)險。可行性適中, 設(shè)計推薦。

(3) 新增玻璃鋼內(nèi)筒

玻璃鋼是由增強材料玻璃纖維和基體樹脂組成的復(fù)合材料, 特點是輕質(zhì)、纖維方向強度高, 剛度小, 玻璃鋼的密度介于1500~2000kg/m, 為普通碳鋼的1/4~1/5。玻璃鋼排煙筒的優(yōu)點是自防腐, 不用做其他的防腐處理, 自重輕, 對整個煙囪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有利。玻璃鋼復(fù)合材料不僅要滿足防腐的性能, 還要承受自身的結(jié)構(gòu)力, 通過整體纏繞、大塊預(yù)制拼接形成整體密封的排煙筒結(jié)構(gòu)。玻璃鋼的強度可以很容易地達到使用要求;但是玻璃鋼內(nèi)筒的整體剛度不足, 可以利用其結(jié)構(gòu)可設(shè)計性, 在剛度不足的部位或者方向上設(shè)計出加強筋、中空結(jié)構(gòu)、變形結(jié)構(gòu)等, 來提高其整體剛度。

玻璃鋼復(fù)合材料在煙囪防腐領(lǐng)域的應(yīng)用在國外已越來越普遍, 而且其在耐混合煙氣腐蝕、可施工性、價格等方面的優(yōu)勢遠遠高于鈦鎳合金材料。但目前市場上能夠滿足要求的樹脂均為進口美國的特種樹脂, 該類樹脂價格比國產(chǎn)樹脂貴, 供應(yīng)緊張。

玻璃鋼防腐方案缺點:1) 承受結(jié)構(gòu)載荷, 具有較大的風(fēng)險;2) 施工難度大, 工序復(fù)雜, 容易引發(fā)火災(zāi)。3) 玻璃鋼內(nèi)筒安裝時將各節(jié)手糊連接, 節(jié)點處軸向抗拉強度難以保證, 對施工人員的技術(shù)要求較高。4) 高空作業(yè)較多。

玻璃鋼內(nèi)筒一般分節(jié)在現(xiàn)場纏繞加工, 纏繞時在環(huán)向或螺旋方向采用纏繞紗, 軸向采用單向布增強, 安裝時再將各節(jié)手糊連接, 節(jié)點處軸向抗拉強度往往難以保證。在煙囪外部分節(jié)成筒, 可以節(jié)省較多施工工期, 但安裝時需要一節(jié)節(jié)從煙囪頂部吊裝進煙囪內(nèi), 高空作業(yè)比較多。

玻璃鋼 (FRP) 在歐美等發(fā)達國家脫硫煙囪防腐中已得到廣泛應(yīng)用, 業(yè)績良好, 可以在國內(nèi)脫硫煙囪防腐中采用。但目前玻璃鋼 (FRP) 在國內(nèi)脫硫煙囪防腐中已投運的項目較少, 在建的也不足10例, 運行時間偏短, 應(yīng)加強設(shè)計、制作、安裝及質(zhì)量監(jiān)控等引進技術(shù)的研究, 積累相關(guān)經(jīng)驗, 確保玻璃鋼內(nèi)筒的制作及安裝工藝質(zhì)量。

施工工期:參照類似煙囪防滲防腐改造經(jīng)驗, 大致4~5個月, 供參考。

該方案階段性地解決了原有“單筒式”煙囪濕法脫硫改造后的防滲防腐問題。玻璃鋼內(nèi)筒采用外部分段預(yù)制, 煙囪頂部吊裝可大大縮短施工周期;總造價比較低。但高空作業(yè)多、各分段間連接對工人技術(shù)要求較高;易燃, 存在較大的火災(zāi)風(fēng)險;目前國內(nèi)成功使用案例較少。可行性相對較小, 可作備選方案。

若不考慮腐蝕損傷, 原鋼筋混凝土煙囪外筒滿足原設(shè)計規(guī)范。經(jīng)外觀檢查, 原煙囪鋼筋混凝土外筒未見異常, 初步認(rèn)為現(xiàn)煙囪結(jié)構(gòu)未受到腐蝕影響, 可以繼續(xù)使用。其內(nèi)部需待停機后進一步核實。

原砌筑內(nèi)襯及保溫層需拆除, 施工順序應(yīng)從上向下分節(jié)進行。拆下來的廢棄物通過吊籃下運, 從拆除的積灰平臺口至煙囪底部運出。新增鋼內(nèi)筒原材料從煙囪底部進入, 使用倒裝法, 施工時需重點監(jiān)測焊縫處理處的打磨及防腐。

將煙囪原有磚內(nèi)筒、保溫層、積灰平臺及內(nèi)襯筒拆除后, 原煙囪基礎(chǔ)為環(huán)形基礎(chǔ), 基底面積約150m, 最薄處厚度為2770mm。環(huán)形基礎(chǔ)內(nèi)徑18.9m, 新增內(nèi)筒后, 鋼 (或玻璃鋼) 內(nèi)筒在原煙囪基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)重新做圓形獨立基礎(chǔ), 與原煙囪外筒基礎(chǔ)互不干涉。基底持力層選卵石層, 地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為390k Pa。

鋼內(nèi)筒筒首外部5m區(qū)域范圍采用3mm厚316L不銹鋼制作防雨罩, 實現(xiàn)鋼內(nèi)筒筒首外部防腐。

鋼內(nèi)筒導(dǎo)熱性較好, 在其外部采用80mm厚超細玻璃棉氈外包鍍鋅鋼絲網(wǎng)作為外保溫層。

新建內(nèi)筒煙囪水平導(dǎo)流板上設(shè)冷凝液收集管, 下排至排水溝。

由于在原鋼筋混凝土外筒內(nèi)設(shè)置了鋼 (或玻璃鋼) 內(nèi)筒, 需在鋼 (或玻璃鋼) 內(nèi)筒兩側(cè)設(shè)置水平煙道與煙囪外部的脫硫凈煙道通過膨脹節(jié)相接。水平煙道每側(cè)約3.4m長, 采用6mm厚鋼板制作, 煙道內(nèi)壁噴涂高性能防腐涂層或采用鈦鋼復(fù)合板進行防腐。

上述三種改造方案技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比如表1所示。

本文給出的三個防腐方案均是具有一定應(yīng)用業(yè)績的改造方案。方案一投資較大, 但改造高空作業(yè)較少, 且國內(nèi)成功業(yè)績較多, 且對于本工程煙氣流速合理, 改造后運行檢修工作量較小;方案二材料及施工較好, 防腐性能有保證, 但煙囪排煙內(nèi)筒摩擦系數(shù)較大, 材料強度較差, 改造防腐面積較大, 改造費用較高, 基底不易控制;方案三防腐整體性效果較好, 工程造價較低, 若采用預(yù)制安裝法施工工期短, 但國內(nèi)應(yīng)用時間較短, 高空作業(yè)較多, 且有較大的火災(zāi)風(fēng)險, 分節(jié)連接處對工人施工技術(shù)要求較高。

綜合考慮幾個方案的防腐、防滲性能, 本文給出的幾個方案都是可選方案, 都有自身的優(yōu)缺點, 綜合考慮防腐性能的優(yōu)異性及長期運行的穩(wěn)定性方面, 推薦采取鈦鋼復(fù)合板內(nèi)筒方案。