冶煉廠鋼筋混凝土煙囪改造方案選定和實施

環境集煙中的鋼筋混凝土煙囪是冶煉廠環境監測的重要部位。一個冶煉廠中包括熔煉廠閃速爐、轉爐、陽極爐、包子涂層場等30多個排煙點的煙氣會進入環境集煙系統, 經脫硫達標后通過120 m高煙囪排放 (圖1) 。但隨著國家對環保要求的提高, 原有活性焦脫硫裝置無法滿足新標準, 需要對環境集煙減排改造升級。升級辦法一般是在原有活性焦脫硫裝置之后另外增加煙氣高效洗滌裝置, 以保證尾氣脫硫煙氣滿足排放標準。

煙氣洗滌裝置安裝前煙囪的內壁面溫度范圍為131.4~133.6℃, 明顯高于安裝前的煙氣酸露點110℃左右, 故煙氣不會在煙囪內壁面結酸露, 且在負壓區不會出現酸腐蝕問題。煙氣洗滌裝置安裝后, 由于煙氣溫度的降低, 煙囪內壁面溫度明顯降低, 溫度僅為70℃左右, 恰恰處于煙氣洗滌裝置安裝后的酸露點溫度范圍內 (70.5~90℃) , 因此在煙囪內壁面會出現結酸露的現象[1]。另一方面, 改造后煙囪內的煙氣條件從干煙氣變成濕煙氣, 濕煙氣腐蝕介質狀態發生重大改變。而原環境集煙鋼筋混凝土煙囪防腐措施僅為內襯的120 mm厚耐酸磚, 無法滿足要求, 對煙囪安全有極大影響[2]。因此, 綜合上述原因需要對原煙囪內壁進行防腐改造。

為減少煙囪改造對正常生產的影響和確保改造方案符合建設流程, 對煙囪防腐改造方案提出以下要求:1) 為不影響生產和降低成本, 本次120 m環集煙囪防腐蝕改造在生產系統停產年度大修期間進行, 要求在15 d內完成所有改造工作。2) 為保證改造前后的職責劃分明確, 承包方負責對原煙囪結構和內襯進行鑒定, 如檢查煙囪內襯磚牢固程度, 是否有脫落;耐酸砂漿是否飽滿, 是否有較大縫隙;現有煙囪鋼筋混凝土自身的完好程度和強度[3]。3) 根據原有圖紙, 編制詳細的施工組織設計, 包含專項方案、安全措施、施工進度計劃等。

通過對現有鋼筋混凝土煙囪改造的資料收集, 主要鋼筋混凝土煙囪改造方案主要有以下幾種:1) 增設內筒型, 如內設玻璃鋼內筒;2) 增設剛性防腐層型, 如采用鈦板;3) 增設柔性防腐層型, 如采用玻璃鱗片樹脂或者其他涂料的。由于鈦板成本太高, 再招標時就沒有考慮在內。以下是對玻璃鋼煙囪方案、聚合物硅酸鹽防腐蝕體系方案和玻璃鱗片樹脂方案的介紹和比較[4]。

1) 材料選擇。根據系統運行的特點, 由于尾氣經過洗滌后進入玻璃鋼內筒, 經處理的煙氣中水蒸氣含量較高, 在由內筒向外排出時, 達到一定高度后, 就會出現露點, 而形成具有一定腐蝕性的液滴附著在內筒的內壁, 對內筒造成了露點腐蝕, 因此在樹脂選擇方面要考慮濕態下能夠耐酸性腐蝕和附著腐蝕[5]。玻璃鋼材料是一種高分子復合材料, 其中基體材料為高分子材料, 增強材料為玻璃纖維, 在設計工況條件內使用, 其材料的降解周期非常長, 一般在100年以上。

2) 玻璃鋼內筒的安裝。考慮到煙囪的高度很高, 因此玻璃鋼內筒本身要具有較強的軸向壓縮強度和軸向彎曲強度, 設計上要充分考慮各段內筒的連接強度和密封性能, 并且要對內筒的結構強度上增強, 在玻璃鋼內內筒的與原有鋼筋混凝土煙囪直接設置鋼結構托架。

3) 鋼結構托架。對于玻璃鋼內內筒的托架, 經過合理的計算和設計, 托架的主材選用Q345角鋼或圓管, 輔材選用Q235角鋼, 采用螺栓連接組裝。

1) 耐腐蝕性能優良。傳統材質的煙囪耐腐蝕性能較差, 尤其是經過洗滌的和處理的尾氣, 對煙囪的腐蝕更嚴重, 因此具有良好的耐腐蝕性對于煙囪的使用非常重要。玻璃鋼材料是高分子復合材料, 對于大多數酸、堿、鹽都能耐, 并且可以在酸堿交替的情況下長期使用, 同時能夠耐高溫。

2) 安裝快捷。玻璃鋼材料密度小, 質量輕, 因此安裝非常方便, 并且玻璃鋼煙囪不存在做內防腐處理的問題, 因此避免了二次施工, 施工難度更是大大降低。

3) 維護費用低、使用壽命長。玻璃鋼材質結構層與內防腐層是一次成型, 內表面不需要再進行防腐, 也不用進行維護。耐腐蝕性好, 施工完成維護量少, 煙氣密閉性強, 不會出現氣體泄漏的風險。

4) 保溫效果好, 煙囪積水量小。玻璃鋼材質的導熱性很低, 從而降低煙氣在經過煙囪上升過程中水蒸氣的凝結, 減少煙囪的積水量。

1) 對于改造項目, 施工周期長。在生產時期, 停產1 h的損失約30萬元, 煙囪改造必須在大修15 d內完成。而玻璃鋼內筒需要吊裝或者頂升, 都需要有支托剛架和檢修平臺, 煙囪內的空間有限, 出口直徑4.5 m, 底部直接11 m, 很多工種同時作業, 工期無法保證。

2) 加設的鋼平臺會改變原有的環境監測點, 重新辦理環保手續的周期長。

3) 施工費用高。無論是吊裝或者頂升, 完成120 m高空作用, 玻璃鋼內筒本體的吊裝還是鋼平臺的吊裝都需要有較高的塔吊。吊裝設備安裝和拆除費用高。

煙氣通道內的腐蝕液體對耐酸膠泥、改性有機防腐蝕材料、聚脲等材料不構成破壞性威脅。經考察煙囪防腐體系被破壞的情況, 發現主要現象是涂層鼓包、開裂、脫落、粉化。與其它工況條件下的防腐蝕相比較, 煙氣通道的運行工況對防腐體系可靠性的最大考驗是作用在防腐蝕層上的溫度急劇變化。當溫度急劇甚至劇烈變化時, 有些產品的防腐層與基面的粘結強度急速下降, 導致涂層片狀脫落;有些產品的防腐層內部的化學鍵結合力被破壞, 導致裂縫受運行狀況影響脫落;有些產品的防腐層從表向里碳化而成為粉末, 失去防腐效用。

物理結構上, 固斯特PSM聚合物硅酸鹽防腐蝕體系由底涂和面涂構成。

1) 底涂:3組分的固斯特PSM聚合物硅酸鹽重防腐砂漿。固斯特PSM聚合物硅酸鹽重防腐砂漿是一種由特殊的無機礦物粉末、液態硅酸鹽及聚合物液料3個組分共同構成的重防腐砂漿。作為重防腐砂漿, 產品中3個組分所占比重極其嚴格, 各自依次所占比例為24、5.5及1.25。為避免施工時的錯誤配比操作, 而導致材料的防腐蝕功能失效, 固斯特在產品出廠時已將各組分按上述比例包裝, 施工時, 只需將3個組分按操作規程均勻攪拌即可。

2) 面涂:單組分的固斯特Polysil BG2S+聚合物硅酸鹽防腐防腐蝕材料。固斯特Polysil BG2S+聚合物硅酸鹽防腐防腐蝕材料是以聚合物和硅酸鹽為主要成分的透明稀液態產品, 密度為1.1 g/cm。除了材料本身的抗腐蝕特性外, 涂刷于礦物質材料表面上, 可顯著減小結構中的毛細孔, 有效阻止潮氣及腐蝕性液體向結構體的滲入;同時也密封了外部水通過結構向防腐層后面的侵入。Polysil BG2S+聚合物硅酸鹽防腐防腐蝕材料能從面向里滲透大約2 cm, 通過與結構材料反應, 可有效提高被保護結構的抗壓強度和結構的堅固性, 又能保證結構的原有透氣性。

材料的選用根據不同部位采用不同的處理方法, 具體如下表1:

1) 對基面的質量要求和處理措施: (1) 基面必須清潔干凈、平整、堅實、無油污、無松動, 磚縫平整。 (2) 用Elcometer機械式附著力儀測試表面粘附力, 必須>1.5 MPa。 (3) PSM施工時, 基面必須徹底干燥。NBDI施工時;基面必須充分濕潤。 (4) 煙囪基面采用高壓水槍射流 (壓力約為350 Pa) 清洗, 結合手工打磨將煙囪表面的松散顆粒、油污等清除干凈。 (5) 對于煙囪基面上的不規則裂縫、磚縫、破損處, 先用高壓水沖洗和人工打磨清理相結合的辦法, 去除基面及縫隙處的灰塵、松疏砂漿等, 使得上面無灰、無油污且堅實無松動, 然后用固斯特SM BG防腐封堵砂漿將其填補抹平, 形成一個適合刮涂PSM的平整過渡面。修補后至少需24 h的自然養護。

2) 防腐體系的施工: (1) 基面必須干燥。 (2) 使用6 mm深的鋸齒刮板, 刮涂施工。 (3) 施工時, 煙囪內壁及環溫應>+5℃。 (4) 防腐體系應自然干燥, 各層的刮涂間隔不應超過24 h。涂層干燥過程中要保持環境清潔, 禁止其與灰塵、雨、雪、水接觸及機械碰撞。

固斯特聚合物硅酸鹽防腐蝕體系的優點:1) 施工工藝簡單。施工機具簡單, 無需大型吊裝設備, 適合于煙囪此類施工空間狹小的構筑物。2) 質保年限長。質量承諾保證期可達20年, 遠高于國內的其它材料質保期。3) 施工工期容易保證。施工工藝簡單, 容易保證在較短的時間內完成。

固斯特聚合物硅酸鹽防腐蝕體系的缺點是工程造價高。由于材料為進口材料, 每平米造價 (含施工費用) 與玻璃鋼煙囪造價接近。

玻璃鱗片樹脂防腐層就是將定量的、具有一定片徑和厚度的玻璃鱗片分別與定量的聚酯、環氧、乙烯基等樹脂, 按操作規程均勻混合, 經過嚴格的配制工藝, 配制成膠泥或涂料。在玻璃鱗片防腐涂料中, 扁平狀鱗片在樹脂中重疊平行排列象塊塊瓦片, 形成致密的防滲透層。所以玻璃鱗片涂料的抗水蒸汽滲透性比普通環氧涂料高5~15倍, 比環氧玻璃鋼高4倍, 比橡膠襯里更好。

1) 基層的處理。處理后必須保證清潔干凈, 平整, 堅實, 無油污, 無松動;磚縫平整。

2) 玻璃鱗片的配置。將專用固化劑加入到玻璃鱗片涂料中, 其配比為:膠泥:固化劑=1:1 (重量比) , 攪拌均勻, 熟化30 min即可涂刷。

3) 涂裝。先VERSAMID125型環氧樹脂底漆。底漆干燥后涂2道H-831玻璃鱗片涂料 (用泥抹子涂傅在斜板澄清器的內壁) , 每道間隔時間為10~24 h。漆膜自然干燥48 h后檢驗。

玻璃鱗片防腐的優點:1) 受介質、氣體、水蒸汽的滲入遠小于普通的玻璃鋼, 不容易產生介質擴散, 可有效地避免底蝕、分散、鼓泡、剝離等物理破壞。2) 硬化時收縮率小。由于玻璃鱗片分散了應力, 各接觸面的殘余應力小, 熱膨脹系數也小, 故粘結強度不會因熱脹而衰減, 熱穩定性好。3) 施工性好。鱗片防腐可用噴涂、滾涂、刮涂等多種方法施工。整體性好, 且現場配料方便, 可室溫固化及熱固化。

玻璃鱗片防腐的缺點:1) 使用年限較短, 后期維護成本高。使用5 a左右就需要重新涂刷。2) 基層處理材料與涂層的黏合能力較難保證。

根據煙囪改造方案招標的要求, 結合各個方案提出的總報價、質保周期、后期維護的難易程度和施工工期長短等方面, 最后選定采用方案二固斯特PSM聚合物硅酸鹽防腐蝕體系來進行煙囪改造。

在改造方案實施過程中, 遇到以下幾種情況:1) 煙囪內部伸出很多煙囪施工時留下的鋼筋, 以及滑模時對拉螺栓的套管;2) 防腐磚破碎嚴重, 打磨困難。

根據以上實際情況, 將實施方案調整如下:1) 將原內襯防腐磚拆除, 利用鋼筋混凝土煙囪的結構面作為防腐基層, 對其進行打磨和平整, 如圖2。2) 受施工空間的限制, 采用可伸縮的直徑Φ4.5 m圓形吊籃, 直徑可調節范圍4.5~7.5 m。

本工程于2015年9月底在規定的15 d工期內完成, 并已投入正常使用。在使用的1年多內進行的觀察, 無滲漏和涂層剝落等情況出現, 使用狀況良好。

鋼筋混凝土煙囪的改造必須結合工程的實際情況進行方案選擇, 并根據冶煉廠實際生產需要來確定。如在本工程中, 雖然玻璃鋼煙囪最為可靠, 可其施工工期占用大量生產時間, 對全廠影響過大。在進行方案招標實地踏勘時, 還需要仔細察看。因為正常生產時, 大量的煙氣導致對煙囪內部無法看清楚。可考慮采用更先進可靠的辦法對需要改造的煙囪提前進行檢測和目測。在工程開始后, 可根據現場的實際情況, 及時調整施工方案才能保證項目順利進行和質量可靠。