供熱燃煤鍋爐煙囪在濕煙氣環境下的構造

1 概述
為了滿足新的高標準環境要求, 供熱企業燃煤鍋爐需配備相應環保設施。對舊的仍在使用中的燃煤鍋爐增加煙氣除塵、脫硫等設施進行改造, 對新建的燃煤鍋爐加強環保設施投入。

燃煤鍋爐煙氣脫硫一般采取濕法脫硫, 煙氣經過除塵、脫硫后, 溫度僅為50℃左右, 為濕煙氣, 含有一定濃度的氯化物、硫化物等, 化學性能為酸性。燃煤鍋爐一般配套混凝土煙囪, 在低溫濕煙氣環境下, 煙囪內襯表面有結露現象, 濕煙氣結露后產生冷凝液[1]。冷凝液、酸性這兩個因素疊加作用, 對煙囪形成強腐蝕。

在煙囪內部還存在著不均勻的煙氣流場, 煙氣中的高速固體粒子流[2]對內襯材料產生沖擊作用, 這就對內襯材料的抗磨損性能提出要求, 現在所使用的內襯材料耐酸磚都能達到耐磨、耐腐蝕的性能要求。但是, 濕煙氣溫度低, 抽力小, 煙囪內部煙氣呈正壓, 正壓對煙囪壁產生了滲透壓力, 具有強腐蝕性的濕煙氣冷凝液在滲透壓力[1]作用下, 通過內襯縫隙滲入到混凝土壁板, 腐蝕混凝土壁板, 使煙囪承載力降低, 使用壽命減少, 造成安全隱患。

傳統混凝土煙囪的內襯因施工砌筑的原因和材料塊狀形態的特點, 從上到下沿整個內襯壁, 都存在不同程度的砌筑縫隙。混凝土壁板施工中, 由于要分層澆筑, 分層滑模 (倒模) , 不可避免地產生施工縫。這些縫隙的存在會使濕煙氣冷凝液逐層滲透, 最終從混凝土壁板滲出, 從外觀上能看到白色、黃色污漬, 被俗稱為“煙囪流淚”、“尿堿”, 造成外觀損傷。

以上問題, 在已建成煙囪中尤為突出。老舊鍋爐混凝土煙囪, 建設時間早, 采用舊的標準規范, 沒有考慮濕法脫硫后的煙氣狀態, 不再適用于現狀, 如果不做防腐處理, 則破壞會日益嚴重。但是其結構本身沒有安全問題, 若拆掉, 則會造成很大浪費。若繼續使用, 則需要采取防腐措施, 解決這一問題。

2 供熱煙囪與火力發電廠煙囪的區別
火力發電廠濕法脫硫后煙囪腐蝕現象普遍, 供熱行業可以通過火力發電廠的大量實踐經驗, 總結、借鑒、學習, 探討適合自己的煙囪防腐模式。與火力發電廠煙囪比較, 供熱鍋爐煙囪具有以下不同之處。

(1) 進入煙囪的煙氣溫度低
供熱燃煤鍋爐產生的煙氣一般工藝流程為:鍋爐煙氣→除塵器→引風機→濕式脫硫塔→煙道→煙囪。

火力發電廠一般會在煙氣脫硫后增加煙氣加熱器[3]152, 其作用是對濕煙氣進行加熱, 使濕煙氣溫度由50℃左右升至100℃以上, 在煙囪內部不易結露。而供熱燃煤鍋爐煙氣經濕法脫硫后, 濕煙氣直接進入煙囪, 易結露。

(2) 運行時間不同
與火力發電廠煙囪常年運行不同, 供熱煙囪僅在供暖期使用, 有半年以上時間停運, 如果煙囪改造采用了耐久性差的材料, 則可以利用該段時間進行檢修維護。

3 已建煙囪防腐構造的分析及措施
3.1 構造
傳統煙囪構造從內到外, 分別為內襯+隔熱層+混凝土壁板。內襯為耐酸磚、耐酸膠泥砌筑, 在高速固體粒子流沖擊下, 耐酸磚可以抵擋濕煙氣的摩擦損耗, 但耐酸磚之間的耐酸膠泥具有細微縫隙, 不具有防水能力。在濕煙氣正壓工作狀態下, 由于冷凝液腐蝕和高速固體粒子流沖擊, 耐酸膠泥縫隙會逐漸擴大, 冷凝液透過耐酸磚的縫隙, 滲透到隔熱層。隔熱層一般為水泥珍珠巖制品或巖棉, 為多孔材料, 不具有防水性, 因此, 強腐蝕性的冷凝液會繼續穿過隔熱層, 到達混凝土壁板。

已建煙囪的內襯、隔熱層、混凝土壁板均已做好, 在脫硫改造之前可以正常使用, 拆除任何一層都浪費, 且費時費力。因此, 煙囪改造宜從內襯表面著手, 在原有耐酸磚內襯表面增加一層新內襯, 要求該新內襯材料完全封閉, 具有隔水性能, 且抗腐蝕、抗摩擦。已建混凝土煙囪改造后的構造見圖1。

圖1 已建混凝土煙囪改造后的構造
圖1 已建混凝土煙囪改造后的構造   下載原圖

3.2 新內襯材料
(1) 金屬板
一般采用鈦合金板, 防腐耐磨, 但造價高, 對焊接要求非常嚴格, 施工期長。由于供熱舊煙囪沒有預留吊裝設置, 不方便安裝, 因此, 這種內襯對已建煙囪一般不適用。

(2) 泡沫玻璃磚
該材料短期內防腐耐磨效果還可以, 但時間久了材料粘結劑本身會老化, 加上施工時很難粘貼牢固, 使用中易有小塊脫落, 進而造成大面積脫落[4]。

(3) 玻璃鱗片樹脂涂料
玻璃鱗片樹脂涂料主要組分為乙烯基酯樹脂 (質量分數為55%～65%) 和玻璃鱗片 (質量分數為20%～30%) [3]249, 其余為功能性助劑[5]。玻璃鱗片樹脂涂料在煙囪內壁固化后, 扁平型玻璃鱗片在樹脂連續相中呈平行重疊排列, 形成致密的防滲透結構, 可以延緩濕煙氣冷凝液滲透。因此, 該涂料力學性能好, 粘結強度高, 固化收縮率小, 固化膜具有優良的化學穩定性。

3.3 玻璃鱗片樹脂涂料存在的問題
(1) 不耐高溫, 該材料不適合在高溫環境下使用, 當液體環境溫度超過90℃或者氣體環境溫度超過100℃時, 其防滲透效果迅速降低[3]251。

(2) 易燃, 施工及檢修維護時應避免在該環境下焊接。

(3) 壽命短, 維護工作頻繁。該材料耐磨性較差, 遭受煙塵撞擊時易開裂, 因此, 在煙囪內部煙氣環境中使用, 需要定期檢查并補涂。根據火力發電廠無煙氣加熱器的濕法脫硫配套煙囪統計數據, 涂有該涂層的煙囪運行1.5 a后, 出現多處局部起鼓現象, 維修面積為2.5%左右[1]。火力發電廠除塵脫硫設備效率較高, 煙氣對煙囪腐蝕程度較低, 但煙囪全年運行。供熱行業煙囪季度運行, 維修面積與施工質量也有關聯, 因此, 供熱煙囪防腐涂料年維修量還應根據實際情況確定。

3.4 玻璃鱗片樹脂涂料防腐的優勢
(1) 性價比高
玻璃鱗片樹脂涂料 (含施工) 總價格約300元/m2, 鈦合金板 (含施工) 總價格約2 500元/m2。

涂料施工時間約30 d, 鈦合金板施工時間約120～180 d。涂料需每年維護, 維修面積在10%以內, 鈦合金板如果焊縫質量有保障, 不易損壞, 壽命為5～10 a, 甚至更久。考慮供熱鍋爐房的設計年限, 總體比較, 在價格上玻璃鱗片樹脂涂料還是占有優勢。

(2) 施工簡便
施工時, 可用涂刷、噴涂等方式操作, 施工風險小, 施工期短, 尤其是在舊煙囪中操作方便。

(3) 具有維護時間
由于煙囪僅在供暖期使用, 因此, 可在停運期間進行涂刷, 維護時間充裕。

3.5 措施
對于已建煙囪, 原有構造不便拆除, 只能增設新內襯作為隔水層, 實際工程中, 隔水層或選擇低價材料定期檢修維護, 或選擇高價材料高標準施工。新內襯材料采用玻璃鱗片樹脂涂料。

4 新建煙囪防腐構造
對于新建煙囪, 仍可采用混凝土煙囪圖集中的傳統煙囪做法, 其結構本身具有安全性保證, 基本構造混凝土壁板、隔熱層、內襯不做改變。在正壓運行條件下, 為了阻止濕煙氣冷凝液由內向外滲漏, 要從根本上解決問題, 做到煙囪混凝土壁板不受腐蝕, 最好的辦法是阻斷。使濕煙氣冷凝液停留在隔熱層的外部, 杜絕滲透至混凝土壁板。新建混凝土煙囪構造見圖2。

圖2 新建混凝土煙囪構造
圖2 新建混凝土煙囪構造   下載原圖

阻斷的最好方法, 就是選擇適合的隔水層。新建煙囪不再局限于增加內襯防腐, 還可以在混凝土壁板和隔熱層之間、隔熱層和耐酸內襯之間, 分別布置隔水層。隔水層一般采用憎水性材料, 采用噴涂方式施工, 簡便易操作。常用的憎水性材料有樹脂類、瀝青類、橡膠類, 選擇出具有一定防腐性能的抗老化憎水性材料即可, 例如乳化橡膠瀝青。

隔熱層也選擇憎水性材料。市場上所用憎水性隔熱材料主要有擠塑型聚苯乙烯泡沫塑料 (擠塑板) 、模壓型聚苯乙烯泡沫塑料 (普通泡沫板) 、現噴硬泡聚氨酯、硬泡聚氨酯保溫板 (制品) 等。

內襯部分, 仍可采用耐酸磚, 該材料可以在濕煙氣冷凝液中浸泡時不被破壞, 且耐腐蝕、耐摩擦, 可以有效地保護背后的隔水層不受高速固體粒子流的摩擦破壞。其缺點就是透水性, 在其背后布置隔水層則可以有效彌補。

在新建煙囪中, 如果借助耐酸磚的耐磨性, 使耐酸磚作為第一道保護屏障, 采用材料成本較低的隔水層布置于其后, 相對于原有煙囪構造, 這種只增設了隔水層的煙囪, 成本增加不多, 卻可以有效地把濕煙氣冷凝液隔離開, 對保護煙囪起到很好的作用。