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技术交流
 
烟囱脱硫施工方案
2011/1/26

我公司对已建机组加装湿法脱硫装置后烟囱防腐方案的选择从技术经济的角度提出了目前较为可行的烟囱防腐处理的方案
   随着国内环保法规的日益严格,已建机组正在陆续加装烟气脱硫装置。国内 200MW 及以上机组大都采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术,而且一部分机组不设置烟气换热器,这 产生了所谓 “ 湿烟囱 ” 如何进行防腐处理的问题。我公司设计三个初步方案可供选择:
1)硼酸砖内衬;
   a) 进口烟囱内衬底剂与硼酸砖组合内衬 (GFB-2);
   b) 鳞片与硼酸砖组合内衬 (GFB-1) ;
   2)玻璃鳞片烟囱内衬;
   3)烟囱内壁喷涂聚脲;
下面对烟囱防腐方案的技术、经济特点进行比较并逐一详细说明
脱硫对烟囱的影响
  烟气经过脱硫后,虽然烟气中的二氧化硫的含量大大减少,但是,洗涤的方法对除去烟气中少量的三氧化硫效果并不好。由于经湿法脱硫,烟气湿度增加、温度降低,烟气极易在烟囱的内壁结露,烟气中残余的三氧化硫溶解后,形成腐蚀性很强的稀硫酸液。脱硫烟囱内的烟气有以下特点:
   1)烟气湿度大,处于饱和状态的湿烟气含有的腐蚀性介质在烟气压力和湿度的双重作用下,烟囱内侧结构致密度差的材料内部很易遭到腐蚀,影响结构耐久性。
   2)低浓度稀硫酸液比高浓度的酸液腐蚀性更强。
   3)酸液的温度在 40 ℃ -80 ℃ 时,对结构材料的腐蚀性特别强。以钢材为例, 40 ℃ -80 ℃ 时的腐蚀速度比在其它温度时高出约 3-8 倍。
电厂烟囱运行工况
   目前,电厂烟囱主要在以下三种工况下运行:
   1)排放未经脱硫的烟气,进入烟囱的烟气温度在 125 ℃ 左右。在此条件下,烟囱内壁处于干燥状态,烟气对烟囱内壁材料不直接产生腐蚀。
   2)排放经湿法脱硫后的烟气,并且烟气经烟气换热器系统加热,进入烟囱的烟气温度在 80 ℃ 左右,烟囱内壁有轻微结露,导致排烟内筒内侧积灰。根据排放烟气成分及运行等条件的不同,结露腐蚀状况将有所变化。
   3)排放经湿法脱硫后的烟气,未经烟气换热器加热升温,进入烟囱的烟气温度在 40 ~ 50 ℃ ,烟囱内壁有严重结露,沿筒壁有结露的酸液流淌。
   由于在运行时,烟气有可能不进入脱硫装置,而通过旁路烟道进入烟囱。此时,烟气温度较高,一般在 125 ℃ 左右,故设计烟囱防腐时,还必须考虑在此温度工况下运行对烟囱的影响。
烟囱设计时应考虑在锅炉事故状态排放烟气的温度,一般该温度在 200 ℃ 左右, 时可达 300 ℃ ~ 350 ℃ 左右。
   电厂烟囱安全运行的必要条件是承重的钢筋混凝土外筒不被烟气腐蚀,排烟内筒在电厂运行期间尽可能的抵抗烟气腐蚀。
   由上所述,在有无烟气换热器系统的情况下,烟囱内壁均存在酸结露状况。在实际运行状况下,内壁的酸液由此而不可避免沿其缝隙向烟囱外壁渗透,而在外壁内侧的防护层通常由有机材料组成,无论从材料的使用寿命及施工质量都不能保证在烟囱设计使用期该防护层能有效地阻隔对外壁产生腐蚀,此外,由此对外壁产生的腐蚀在一般条件下很难检测和发现,对于烟囱安全运行是一个致命的隐患。
脱硫后烟囱内衬材料 烟囱内筒选择一个合适的内衬,必须考虑以下几方面的因素:
1)技术可行性,满足复杂化学环境下的防腐要求;
2)经济合理,较低的建筑成本,一次性投资费用要低;
3)施工条件好,质量控制方便,施工周期短;
4)运行维护费用低,并且方便检修。
   需注意的是,用材的选择不仅应考虑初期成本,还应综合考虑装置的可运行周期(即大修周期)和总使用寿命等相关问题。
   欧美等发达 电厂烟气脱硫开始的时间比较早,根据国内外的经验,目前湿法脱硫后的烟囱内筒内衬防腐主要有四类形式:
   1)采用耐酸腐蚀的金属合金薄板材作内衬,内衬材料包括镍基合金板( C-276 、 C22 )、钛板( TiCr2 )等;
   2)采用耐腐蚀的轻质隔热的制品粘贴,隔绝烟气和内筒接触,如发泡耐酸玻璃砖内衬;
   3)第三类采用耐酸、耐热、隔热、保温;隔绝烟气和钢内筒接触,使用喷涂方式内衬安装,如 VP 烟囱内衬;
   4)玻璃鳞片、聚脲等涂层防酸腐蚀涂料。
1.镍基耐蚀合金板
  
C-276 合金是一种含钨的镍 - 铬 - 钼合金,其硅、碳的含量极低,在氧化和还原状态下,对大多数腐蚀介质具有优异的耐腐蚀性,出色的耐点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀性能。较高的钼、铬含量使合金能够耐氯离子的侵蚀,钨元素也进一步提高了其耐腐蚀性。
   C-276 合金在 10 %硫酸沸腾试验溶液中的腐蚀速率为 0.35mm /y ,而 316L 为 1.615mm /y , 317 为 0.785mm /y ;
   近年来,国际国内市场镍价持续上涨,使得 C276 合金材料初期成本较高,制约了 C-276 耐腐合金在脱硫烟囱中的应用。
   采用 C-276 内衬,钢内筒结构设计计算时,不必预留腐蚀富裕度,合金板内侧也不必采取防腐措施。钢内筒钢板与 C-276 内衬合金板有工厂轧制复合和现场挂贴等方式。
   国外 C276 合金广泛应用于脱硫塔及烟囱中。由于 C276 合金材料初期成本较高等原因,国内尚无应用于烟囱内筒耐腐内衬的工程实例。
2.钛板 (TiCr2) 内衬
 
钛是一种很耐腐蚀的材料,这是由于钛的表面容易生成稳定的钝化膜,钝化膜是由几纳米到几十纳米厚的极薄的氧化钛构成,在许多环境中是很稳定的,并且一旦局部破坏还具有瞬间再修补的特性。因此,钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性,比现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好。
   这里的钛腐蚀一般为均匀腐蚀和孔腐蚀,均匀腐蚀产生的膜,根据燃媒介质的不同,其含氧化性物质有差别,环境介质不同,氧化膜生成遵循的规律有差别,如果是遵循对数规律,这时的膜具有保护性;如果是遵循直线规律则不具备保护性,腐蚀迅速。
   认识到这层氧化膜被破坏后,若不存在修复的环境介质,或环境介质有限,这时钛的腐蚀速度比钢还大,一般认为:钛的耐蚀介质是指那些能使钛的钝化膜处于稳定状态的介质,这些介质属于氧化性,中性,弱还原性。硫酸虽然是一种含氧酸,但稀硫酸的氧化性很弱,属于非氧化性酸,氧化物修复的作用极其有限。
   钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界中是相当稳定的,但是,钛中杂质的存在,显著影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质,它们可以使钛晶格发生畸变,而影响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小,能与氢氟酸等少数几种物质发生反应,但温度增加时钛的活性迅速增加,特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应,从而产生腐蚀。故应对工程实际烟气成份及结露情况进行分析后(谨慎)应用。
3.发泡耐酸玻璃砖内衬
  发泡耐酸玻璃砖是以硼酸玻璃为基础制成的,耐各种浓缩酸(除 5 %以上的氢氟酸)和包括氯化物在内的废气冷凝液的腐蚀,导热性低。由发泡耐酸玻璃砖以及粘结剂人造橡胶形成的防腐衬里,在化学环境与温度变化的情况下,都具有防腐能力。由于其导热性低,使原来的烟囱内衬和保温层结构合二为一。
   玻璃砖由粘合材料直接粘贴于烟内筒内表面,并由粘合材料对玻璃砖间的缝隙勾缝,阻断了烟气对内筒结构的腐蚀。粘结料的防腐、耐久性是关键,它的老化、开裂都将直接影响到整体内衬系统的防腐性能。玻璃砖的强度较金属要低得多,但其强度要求必须能耐烟气冲击。玻璃砖在国外烟囱有应用。但底剂的选择非常重要,国内的底剂普遍都难以达到要求,国外有成熟的应用在烟囱内衬的底剂,已经有 30 年以上的使用业绩。
4.耐蚀鳞片胶泥内衬
  鳞片胶泥含有 10%-40% 片径不等的玻璃鳞片,胶泥在施工完毕后,扁平型的玻璃鳞片在树脂连续相中呈平行重叠排列,从而形成致密的防渗层结构。腐蚀介质在固化后的胶泥中的渗透必须经过无数条曲折的途径,因此在一定厚度的耐腐蚀层中,腐蚀渗透的距离大大的延长,相当于有效地增加了防腐蚀层的厚度。
   鳞片胶泥采用的基体树脂是高性能的乙烯基酯树脂,该类型树脂具有较环氧树脂更好的耐腐蚀性能。由于基体树脂是有机材料,鳞片胶泥的寿命保证期为 5 ~ 10 年。根据国内脱硫的实际运行情况,温度的冲击是需要慎重考虑的因素。
   鳞片胶泥具有抗渗性好、施工难度小、易修补造价较低等特点。因此,鳞片胶泥在烟气脱硫设备上应用较多。国外电厂烟囱早期有应用,但现已较少采用。
较为经济可行的三种烟囱防腐方案
1.硼酸砖内衬
1.1玻璃鳞片与硼酸保温砖
 
影响烟囱防腐内衬的两个 因素 是温度和化学介质的腐蚀,众所周知,玻璃鳞片涂层抗渗透性好,重叠排列的扁平玻璃鳞片形成致密的防渗层结构,形成迷宫效应,腐蚀介质在固化后的胶泥中的渗透须经过较长时间和复杂的路径,从而能都有效地抑制腐蚀介质地渗透速度。除了具有腐蚀性地化学介质渗透之外,还存在着水蒸气的渗透。通常高聚物材料的分子间距为 10A ( 1A =1*10 -10 m ),而对于水蒸汽来说,只要高聚物材料的分子间距达到 3A ,水蒸汽 能容易地透过高聚物的单分子层。若基础材料是碳钢,水蒸汽由于渗透而达到碳钢表面后,在氧气存在情况下,会由于电化学反应而生锈。而乙烯基的鳞片胶泥在固化后,乙烯基酯树脂的高交联密度可以有效地减弱水蒸气和腐蚀性化学介质的渗透,并由于其独特结构更能达到防渗和减渗的效果。所以以玻璃鳞片树脂为底涂,是对烟囱内筒强有力保护层,而对于高分子树脂,耐温性差的特点选用泡沫硼酸砖作为玻璃鳞片树脂的保护层,充分利用泡沫硼酸砖的导热性低的优点。
   因此结合鳞片耐腐蚀强和硼酸砖的超保温特性,在烟囱防腐中将具有极好防腐性能的玻璃鳞片作为底涂,将硼酸砖砌筑在外层保温,作为烟囱的防腐蚀衬里,同时解决了化学腐蚀和保温的问题,有效地延长了烟囱的使用寿命。
1.2进口底剂 NO89 与硼酸保温砖的复合内衬
   使用纯进口的底剂代替玻璃鳞片,这种底剂是专门用于烟囱中使用的,它是一种单组分,改性高分子聚合物,作为密封隔膜推荐用于浇注衬里或耐酸砖石内侧以保护金属、砖或混凝土基体。通过喷涂施工,形成一种柔韧涂层以防止伴随着烟气环境以及由于温度变化或其它原因导致的基体运动的酸、碱和盐等介质对基体的腐蚀。在温度为 -51 ℃ -165 ℃ 间都保持对混凝土或钢基体极好的弹性和粘附力。
   使用这种底剂代替玻璃鳞片,更加适合在烟囱中,它的耐温性能比玻璃鳞片好,在温度交替变化的时候,热应力的变化,对它不会有任何影响,它在烟囱中的应用,已经有 30 年以上的历史,在北美的使用业绩进一步说明了,这种底剂使用的可性。
2.鳞片树脂内衬
2.1鳞片树脂材料的主要成分及配比

成 分

比 例 (%)

备 注

树脂

55 ~ 65

随环境温度变化调整

玻璃鳞片

30

无机功能性填料

0 ~ 10

根据衬里结构设计调整

其它

5

合 计

100

2.2鳞片树脂(乙烯基树脂)的选择依据
  
烟囱钢内筒防腐衬里必须适应烟气脱硫装置全工况运行和旁路运行的要求,烟温变化区间为 45 ℃ ~ 160 ℃ ,并能满足事故状态下短期高温达 180 ℃ 的工况。
   鳞片衬里在国外 FGD 装置旁路烟道的应用已经超过 30 年,其耐温性和耐腐蚀性已得到工程实践的充分证明。
   鳞片树脂衬里的耐温性和耐腐蚀性主要取决于树脂的性能,所选用的酚醛环氧乙烯基树脂应是耐温性较高的乙烯基树脂,长期运行温度可达 200 ℃ ,并被烟囱钢内筒鳞片树脂衬里防腐工程中成功应用的业绩验证过。
3.烟囱内壁喷涂聚脲
3.1聚脲材料介绍
  
烟囱内壁防腐可采用聚脲弹性体材料。该材料是由一种双组合、无溶剂聚脲喷涂涂料,经专用喷涂设备喷涂成型的弹性体材料。该材料是继高固体份涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低(无)污染涂装技术之后,为适应环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术。
3.2聚脲产品的特点
  
聚脲弹性体涂层具有优异的防水、耐腐蚀特性,同时具有优良的机械性能。该材料采用专用喷涂设备进行喷涂或浇注聚脲弹性体。该工艺不含溶剂、固化速度快、工艺简单,可很方便的在立面、曲面上喷涂十几毫米厚的涂层而不流挂。在国际上已被广泛应用于防水、防腐、建筑等领域。
3.3聚脲产品的优点
喷涂聚脲弹性体技术具有以下优点:
   1) 对湿气、温度不敏感,施工时不受环境温度、湿度的影响。(可在冰上施工;在 -28 ℃ 下施工;可在冰柜中固化);
   2 )双组分 ,100% 固含量,不含任何挥发性有机物( VOC ),对环境友好。可按 1:1 体积比进行喷涂或浇注,一次施工的厚度范围可以从数百微米到数厘米,克服了以往多次施工的弊病。
   3 )优异的理化性能,如抗张强度、伸长率、柔韧性、耐磨性、耐老化、防腐蚀等。
   4 )具有良好的热稳定性,可在 150 ℃ 下长期使用,可承受 350 ℃ 的短时热冲击。
   5 )配方体系任意可调,手感从软橡皮(邵 A30 )到硬弹性体(邵 D65 )
   6 )原形再现性好,涂层连续、致密,无接缝、无针孔,美观实用。
   7 )使用成套设备,施工方便,效率极高;一次施工即可达到设计厚度要求,克服了以往多层施工的弊病。设备配有多种切换模式,既可喷涂,也可浇注。
5.经济性分析
  
国内有众多的干排气烟囱存在腐蚀严重。目前,随着湿法脱硫装置的加装,烟气的腐蚀问题更为严重,如果不采取适当的防腐蚀措施,肯定会带来更为严重的烟囱腐蚀问题。五种烟囱防腐材料的性能分析见表 2 ,几种防腐材料的国内造价比较见表 3 。


表 2

项目

合金复合湿烟囱

聚脲

钢套筒内壁粘贴泡沫玻璃

玻璃鳞片等耐酸胶泥

进口底剂复合泡沫玻璃砖内衬

制作 方法

在地面制作出合金复合板片,在现场将合金复合板焊接成型。

将聚脲喷涂在混凝土、砖内筒或钢内筒的表面

采用有机防腐蚀胶泥将一定厚度、尺寸的泡沫玻璃粘贴在钢套筒内壁。

将玻璃鳞片胶泥材料刮涂或喷涂在被保护基体上

采用防腐性能优良的进口烟囱内衬底剂,将泡沫玻璃砖粘贴底剂上

优点

理论上讲,镍基合金的耐腐蚀性能极为优异

耐腐蚀性能好,有一定的保温性能,使用寿命长,施工速度快

耐腐蚀性能好,有一定的保温性能

施工工期短,耐腐蚀、磨损性能好

防腐和保温性能综合效果好,泡沫玻璃砖质量轻,增加的负荷低

缺点

施工难度极大,不可能达到合金的全部焊接要求。

目前国内没有投运业绩

施工要求高,可能会脱落。

烟气温度过高可能烧蚀破坏其结构

施工要求高

表 3

国 内

镍基合金

6500 元 /m 2 ~ 7500 元 /m 2

钢-泡沫玻璃砖(进口)

- 2200 元 /m 2 ~ 2600 元 /m 2

VP 烟囱内衬

- 2000 元 /m 2 ~ 2400 元 /m 2

玻璃鳞片

500 元 /m 2 ~ 800 元 /m 2

底剂(进口) - 嵌缝胶(进口)-泡沫玻璃砖(国内生产出口美国,日本砖)

1716 元 /M 2

聚脲

700 元 /m 2 ~ 800 元 /m 2

  对于已建机组加装湿法烟气脱硫后烟囱的防腐,采用初步建议的方案,可以为电厂节约基建费用。随着国内烟囱设计的改进和结构材料的发展以及防腐材料的发展,目前我公司正在不断探索采用各种方法进行湿烟囱的防腐。

 
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