燃煤电厂玻璃钢烟道设计与研究

罗树青，董胜宪，丁安心，王继辉

(1. 华东电力设计院，上海 200063；2. 武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070)

玻璃钢由纤维和树脂组成，集结构和功能性于一体，纤维主要提供力学性能，树脂主要提供化学性能。烟道是输送烟气进入烟囱或冷却塔的装置，由玻璃钢制造的烟道分为与烟囱相连的水平短烟道和排烟冷却塔用玻璃钢烟道，目前国内的玻璃钢烟道主要运用在排烟冷却塔工程上，即烟塔合一工程。烟塔合一是利用自然通风冷却塔巨大的能量，抬升排放湿法脱硫后的烟气，与传统的烟道相比，冷却塔的雨雾可使扩散保持更长时间，范围更大，污染比从烟道排放低。湿法脱硫后的烟气温度在50℃左右，烟气在烟道内壁冷凝产生大量的冷凝液，对烟道的腐蚀极大。玻璃钢烟道因既能解决湿法脱硫后烟气的耐腐蚀问题，又能满足结构要求而广泛被使用。本文结合国内外玻璃钢烟道的应用研究概况，结合作者参与的国内玻璃钢烟道工程，对玻璃钢烟道原材料的选择、接口的设计进行研究和探讨。

1 国外的应用研究概况

20世纪30年代，英国开始应用石灰石作吸收剂进行电厂烟气脱硫试验，并于1929～1933年在英国伦敦电力公司的巴特西(Battersea)等电厂运用，但早期的研究进展缓慢，也没有取得满意的结果。20世纪中后期，随着防治大气污染的法规和标准颁布和执行，大大推动了烟气脱硫技术的发展。美国在20世纪70年代初展开了脱硫技术的大规模应用及脱硫烟气的防腐蚀技术研究，此时包括玻璃钢在内的多种材料开始作为防腐材料运用在湿法脱硫系统上，美国电力研究所(Electric Power Research Institute,EPRI)对烟气脱硫(Flue Gas Desulfurization,FGD)技术的发展和玻璃钢防腐材料的运用起到重要作用。在20世纪80～90年代，ERPI出版了大量的玻璃钢在FGD系统中防腐报告经验及总结。如1984出版的《Construction Materials for Wet Scrubbers》；1993年出版的FGD选择指导《Guidelines for FGD Materials Selection and Corrosion Protection》均对运用包括玻璃钢防腐材料进行了总结和相关的选材建议。上述报告中关于玻璃钢烟道主要为与传统的烟囱相连的水平短烟道，其跨距一般较小，对烟道的力学性能要求不高，而烟塔合一用玻璃钢烟道的跨距一般较大，对结构的力学性能要求较高。烟塔合一的概念由来已久，在1967年，德国就申请了烟塔合一的排放专利。随着1983年联邦防污染法的相关规定，德国电厂大多采用石灰石湿法脱硫，第一个采用冷却塔排放净烟气的工程应用研究是德国的Volkingen电厂，该电厂没有设置烟囱和旁路，湿法脱硫后的烟气温度在50℃左右，由四个直径为3 m的烟道排入100 m高的冷却塔与冷却塔烟雨混合排放，烟道的出口标高为40 m。表1为亚仕兰公司于2005年调查欧洲烟塔合一用玻璃钢烟道的运用情况，调查显示烟塔合一用玻璃钢烟道运行良好，能够满足电厂的要求。国内外没有针对玻璃钢烟道相关标准，但是有与之类似的产品标准，如美国的ASTM D5364《燃煤电厂玻璃纤维增强塑料烟囱内筒的设计、制造和安装的标准指南》和欧盟的GRP LINERS《玻璃钢烟囱》，其中美国的标准是明确适用于燃煤电厂，美国和欧盟关于玻璃钢管道设计的参考标准还有ASME RTP－1和EN13121两部标准。总的来说，国外玻璃钢烟道的施工、运用都比较成熟，虽没有针对玻璃钢烟道的相关标准，但玻璃钢烟道的设计等要求包含在玻璃钢管道等标准中。

表1 国外玻璃钢烟道的调查报告

2 国内的应用研究概况

2005年，高碑店电厂引进德国技术，建造了亚洲第一个烟塔合一工程，其玻璃钢烟道的长度在260 m，直径为5.2 m，此后随着烟塔合一工程在国内的开展和实施，玻璃钢烟道也得到了广泛的运用。2006年，华北电力设计院设计了国内第一个具有知识产权的三河电厂，其玻璃钢烟道直径为5.2 m；2008年华东电力设计院设计了亚洲直径最大的玻璃钢烟道，其直径为8.5 m，最大跨距为40 m；2013年华东电力设计院设计的山东滨州供热中心三期工程玻璃钢烟道直径为5.6 m，总长度超过1 km，为国内目前单个使用玻璃钢烟道最长的排烟冷却塔工程。据统计，国内已有十几个发电厂采用烟塔合一用玻璃钢烟道，表2为部分国内玻璃钢烟道的应用工程。国内关于玻璃钢产品的标准很少，主要参考国外的玻璃钢产品标准，华北电力设计院根据参与的工程编制排烟冷却塔设计导则，武汉理工大学根据参与的玻璃钢烟道工程经验，编制了燃煤电厂用玻璃钢烟道产品标准，该标准已上报国标委，待批复。同时武汉理工大学也在玻璃钢烟道材料的选择、设计等方面做了大量的工作。总之，国内燃煤发电厂玻璃钢烟道应用形式良好，积累了一定的经验，但与国外相比，相关的设计、安装等标准还需总结和完善。

表2 玻璃钢烟道国内工程案例

3 玻璃钢烟道的设计

3.1 原材料选择

在玻璃钢烟道设计中，需考虑功能性和结构性的平衡。玻璃钢由纤维和树脂组成，集结构和功能性一体，纤维主要提供力学性能，树脂主要提供化学性能。结构性能要求主要与玻璃钢烟道的布置跨距有关，跨距越大，烟道的结构性能要求越高，纤维的含量应越高，尤其是轴向方向的纤维含量，早期的玻璃钢烟道工程选用的纤维为无碱玻璃纤维(E－Glass Fiber,E玻璃纤维)，目前的工程基本选用的是耐化学侵蚀无碱玻璃纤维(E－Glass of Chemical Resistance Fiber, ECR玻璃纤维)，ECR玻璃纤维比E玻璃纤维的更耐腐蚀，且强度更高。玻璃纤维的价格相对与树脂的较便宜，性能稳定，满足工程需要，玻璃纤维的选择不是原材料选择的重点。

湿法脱硫后烟气的腐蚀性比较强，对玻璃钢烟道的功能性要求比较高，尤其是耐腐蚀性能和抗疲劳性能，树脂的选择直接关系到玻璃钢烟道的使用寿命。树脂的选择与电厂的运行温度、烟气的成分等有关。从表1可以看出，早期安装的玻璃钢烟道选用树脂有卤代聚酯树脂和环氧乙烯基酯树脂，其中聚酯树脂主要为卤代聚酯树脂、溴化聚酯树脂；环氧乙烯基酯树脂主要为酚醛型环氧乙烯基酯树脂、双酚A型环氧乙烯基酯树脂和溴化环氧乙烯基酯树脂。卤代聚酯树脂对氧化性酸耐腐蚀性能和耐温比较好，但在一些工程应用中发现其对湿法脱硫以后的某些环境表现不是很好，现在工程应用中很少采用此类树脂。聚酯树脂的价格比较便宜，化工和冶金行业的耐腐蚀管道常采用聚酯树脂制造，但其耐腐蚀和耐温性能一般比乙烯基酯树脂要差，此外，由于玻璃钢烟道的直径一般比较大，对树脂的工艺性能要求比较高，聚酯树脂很难达到其要求。目前运行的玻璃钢烟道主要是由环氧乙烯基酯树脂制造，环氧乙烯基酯树脂是一种由环氧树脂与甲基丙烯酸反应，并加入苯乙烯单体而制得的高性能热固性树脂。这类树脂既结合环氧树脂优良的耐热、机械及化学性能，又兼有不饱和聚酯树脂良好的加工工艺性能，国内的工程应用中主要选用的是双酚A型环氧乙烯基酯树脂，其弯曲模量和弯曲强度随温度的变化见图1。从图1可知，在80℃温度内，玻璃钢的性能衰减很小，在某些温度点性能甚至有所加强。在温度超过80℃后，性能的衰减加大，到达126℃后，其衰减非常明显，玻璃钢烟道已不适合承载。表3和表4为国际能源署2006年出版的报告《Sox Emission and Control》中基于酚醛型环氧乙烯基酯树脂与镍铬合金的比较，可以看到基于环氧乙烯基酯树脂制造的玻璃钢具有良好的经济性和物理化学性能，对氯化物、稀酸和盐溶液具有良好的耐腐蚀性，它比高镍合金钢有着更优良的耐化学和疲劳性能。

图1 玻璃钢性能随温度的变化

表3 玻璃钢材料耐腐蚀性能

表4 玻璃钢疲劳性能

3.2 玻璃钢接口设计

玻璃钢烟道由玻璃钢烟道筒段通过适当的形式连接而成，对于小直径的玻璃钢烟道(一般小于4 m)可以选用插接方式连接，对于直径大于4 m的玻璃钢烟道，一般采用对接形式，见图2。

图2 玻璃钢烟道接口

接口的总宽度及厚度与玻璃钢烟道的受力、接口铺层有关，接口的增强材料主要为短切毡和玻璃布，短切毡的长度一般在25～50 mm，手糊工艺制造，双面补强，接口的施工质量严重影响到玻璃钢烟道使用性和安全性。玻璃钢烟道筒段由缠绕工艺成型，在厂房或车间生产，环境可控，相对影响因素较少，且其增强材料主要为单向布和缠绕纱等连续纤维，力学性能受温度的影响不大，而接口的铺层一般按照ASTM RTP的要求铺层表铺放至设计厚度，其中玻璃布的使用量不宜太大，增强材料主要为短切毡，由短纤维组成的单向板或层合板的性能受树脂、纤维的性能、长度影响，在高温下的性能衰减较快。此外，由于接口补强片与筒体不是同时固化，层间的剥离应力和剪切强度很小，尤其是剥离应力很小，在设计中要防止接口的剥离破坏。对于层间剪切应力，不同的标准有不同的规定，如EN13121规定，不同增强材料组成的层合板层间剪应力取不同的值(见表5)；而ASTM RTP对于二次胶结结构，层间的剪切强度最大取14 MPa；ASME X 纤维增强压力容器设计中对二次胶结的层间应力为7 MPa，但总的来说，接口的层间应力都很小。

表5 EN13121层合板的层间剪应力

目前玻璃钢烟道的接口形式主要参照国内玻璃钢烟道的接口形式，内接外接口的厚度相差不大或相等，但此种设计并不一定合理，首先，内外等厚的接口不一定能减小其偏心弯矩，内接口太厚，会减小玻璃钢烟道的有效直径，在内接口的附近的烟气流速不均匀，局部流速偏大，不利于冷凝液的搜集。对于玻璃钢烟道的接口设计应参照玻璃钢烟囱内筒的设计，可以参照最新版的美国电力规划院的湿烟囱设计导则中建议，采用不等厚设计，内接口不宜太厚，且与筒体连接坡度不宜太小，不能小于1∶6，最好为1∶10(见图2)，利于烟气的流通和冷凝液的收集及力的传递。

4 结语

国外的相关经验表明，玻璃钢作为结构和功能材料，玻璃钢烟道能够满足湿法脱硫后电厂各种复杂的操作工况。随着我国防治大气污染的法规和标准颁布和执行，越来越多的电厂都将采用湿法脱硫技术，烟道的防腐也必将日益突出，随着玻璃钢烟道安装也将不断增加，对玻璃钢烟道的认识也将不断加深。

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