一种单筒结构烟囱在湿法脱硫后强腐蚀烟气中的防腐应用

黎志卿

摘要：根据近十五年来，湿烟囱防腐的现状以及宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖防腐系统的应用，提出一种基于宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖内衬系统设计的单筒结构烟囱，从施工、成本与防腐寿命等方面论述了此应用的优势和现实性。

关键词：单筒烟囱;湿法脱硫;强腐蚀性湿烟气;硼硅酸盐泡沫玻璃砖防腐系统;宾高德

Abstract：according to current anticorrosion status of the wet stacks and the application of the Pennguard borosilicate foam glass block anticorrosion system in the recent 15 years，a single-tube chimney design based on the Pennguard borosilicate foamed glass block lining system is proposed. The advantages and practicality of this application are analyzed in terms of construction，cost and anti-corrosion life.

Key words：single-tube chimney，wet flue gas desulfurization（WFGD），strong corrosive wet flue gas，borosilicate foam glass block anticorrosion system，Pennguard

引言

全球各地的化石燃料发电站都面临着越来越大的环保与经济压力，要求它们以最高效率和最低排放运行。在经济和环境方面，2020年建成的电站比2000年、1980年或1960年建成的电站要高效得多。除了这些技术上的飞跃，现在的烟囱除了内部使用不同的结构或防腐材料外，和20年前并没有本质的差异。

许多建于20世纪电站，都进行了再加热（GGH），以提高了出口烟羽的浮力、使烟囱内形成的烟气冷液量降至最低，以消除白烟现象。“再加热”是一项非常昂贵的技术，它会降低发电站

任何有助减少二氧化碳排放的行为都是值得鼓励的，何况二氧化碳的排放直接影响发电站的效率。

在国内外，根据多年来积累的经验，现在可以在不运行GGH烟气再加热的情况下运营发电站，同时避免酸滴的排放。采用湿法脱硫烟囱，而不是在烟气进入烟囱之前对其进行再加热，具有显著的优点。

不使用再热设备（通常是气体对气体加热器），简化了吸收塔周围的管道系统，电厂的建设成本得以减少。由于减少了压力损失、降低了维护成本，电厂的运行成本也得以降低。使用湿式烟囱的重要注意事项是：这些烟囱必须使用可靠的建筑材料与防腐材料、并使用高效的液体收集器以避免烟囱雨。这些材料和系统的额外成本远远小于再热所节省的费用。

在广泛采用高效除尘器、烟气脱硫和脱硝之前，电站排烟属于干烟气的工况，发电站使用高达210m以上的烟囱以获得足够的烟气扩散范围，用于稀释污染物。由于干烟气的腐蚀不被考虑，这种烟囱通常被直接建造成单筒混凝土的形式。脱硫后的湿烟气，由于其强烈的腐蚀性，排烟内筒与结构外筒组合的型式被广泛休用，在这种型式下，排烟筒的腐蚀对高耸结构的安全性几乎不产生影响。

同时，现代、最先进的发电站的排放非常低，因此，烟道气流在大片土地上的扩散已不再是一个问题。因此，所需的烟囱高度正在变小。有一些烟囱通常只有150米高，甚至更低。

一、宾高德简式烟囱的基本概念

对于不到200米高的烟囱，使用宾高德简式烟囱设计：宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖内衬系统保护的单筒结构烟囱，单筒结构混凝土单筒、钢单筒，甚至砖单筒烟备注，可以显著节省资金，建造成本比钛钢或玻璃钢排烟内筒的烟囱低30%左右。除了降低成本外，施工时间也减少了5个月左右。在图一中，展示了当在单筒混凝土烟囱中使用宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖内衬系统的典型结构1。

根据宾高德砖内衬防腐、保温特性设计的单筒式烟囱，具有如下显著优点：

1、直接在烟囱内表面粘贴宾高德砖内衬，

2、不再设置牛腿与内外保温层;

3、免维护、防腐寿命30年以上;

4、结构简洁、施工便捷、占地面积小、经济等优点;

5、砖表面的微观粗糙结构，能更好的阻滞筒壁冷凝液被烟气流带出，有效降低烟囱雨的形成。

二、高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖内衬系统的性能

宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖采用硼硅酸盐玻璃经粉碎、发泡、褪火等复杂工艺生产而成。宾高德®硼硅酸盐泡沫玻璃砖的每一個发泡孔均为密闭的小孔，保证宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖可隔绝酸液、酸气的渗透，并具有优良的隔热作用。如图二所示，使用多年后的宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖仍可保持各小孔的密闭性，保持良好的抗渗保温性能。

宾高德砖优异的隔热性能保护宾高德胶粘剂层处于低温状态，避免热冲击对胶粘剂层的影响。

宾高德泡沫玻璃砖依靠稳定、高弹性的宾高德胶粘剂贴衬在烟囱和烟道内表面。宾高德胶粘剂作为系统的隔离层，在基材上形成了完整连续的高弹性防腐抗渗层，具有耐化学腐蚀、抗渗透、耐老化、能充分形变等优点，从而起到了进一步保护基底的作用。

下表一是汉高公司对宾高德胶粘剂老化强度的测试结果，最后一组数据是根据现有数据推算出的结果。表明宾高德胶粘剂的半衰期寿命为39年。

由于宾高德高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖内衬系统卓越的防腐性能，能够有效保护复杂工况下的烟囱，使得在单筒烟囱上直接使用宾高德系统成为一种可行的、经济的方案。

三、宾高德简式烟囱的实际应用

1、单筒混凝土烟囱的防腐改造：

燃煤电站湿法脱硫改造后，大量使用浇注料或耐火砖内衬的混凝土单筒烟囱面临防腐改造。在此期间，出现过各种不同的防腐工艺，其中最成功的当属宾高德系统，其成功之处表现为两点：

其一，经宾高德系统改造后的烟囱，至目前未出现因材料与施工导致的防腐失效;

其二，在宾高德系统的案例中，有众多是其他防腐工艺改造失败后的再改造，这种再改造的成功取决于优良的产品品质与严谨的施工组织。

根据相关文献，在美国佛罗里达州佩里市，一座由混凝土外壳和砖砌内筒组成烟囱于1987年进行改造，砖内筒从烟囱中移除，而宾高德系统则直接粘贴在混凝土烟囱的内表面。1994年，对该应用进行了详细检查，发现在6年的使用过程中，宾高德系统处于良好的状态。

在国内，2011年完成防腐改造的太仓某公司单筒凝土烟囱是有着代表性意义的。该烟囱高180米，为两台410t/h煤粉炉与三台75t/h垃圾焚烧炉共用。煤粉炉烟气经湿法脱硫，垃垃炉为半干法脱硫。由于垃圾炉经常启停，使得烟气工况很复杂，烟气温度也常常急剧变化。经过10年的运行，宾高务防腐体系远好无损，而垃圾炉干烟气一侧长200米的烟道，由于采用不同的防腐工艺，腐蚀十分严重，维修过多次，最近有重新建造的计划。

2、新建宾高德简式烟囱

华能金陵2*1000MW机组新建的自立式双钢筒烟囱，高240米，是目前国内最高的钢烟囱，使用单筒形式，碳钢内壁加衬宾高德系统。钢制筒壁最厚处28mm，最薄处14mm。2009年投运至今，运行良好，示出现防腐失败现象，没有任何防腐方面的维修记录。

240米高的钢烟囱，防腐系统在湿烟气条件下需要克服下列问题：

（1）强腐蚀环境下的防腐抗渗性能：由于钢铁的特性，一旦发生腐蚀渗漏，排烟筒外表面碳钢层会被腐蚀，且腐蚀面会迅速、持续扩大;

（2）基于钢铁的延展性能，钢烟囱会有一定的摆动，对防腐层将产生不同方向的应力。会引起防腐系统的开裂与脱落;

（3）不同部位的温度差也会造成不一样的体积膨胀，造成对防腐系统不一样的压力，导致防腐系统的开裂、脱落。

宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖内衬系统由三大主要构成：

①宾高德界面剂;

②宾高德聚氨酯沥青胶;

③宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖。

这三者的相互作用，可以完美解决前面所述的问题：

（1）宾高德界面剂在施工时对钢烟囱内表面提供保护，防止在施工途中，金属表面生锈;

（2）宾高德聚氨酯沥青胶在内筒表面形成一层连续的防腐抗渗膜，完全消除酸性冷凝液渗漏的可能。同时，聚氨酯沥青胶具有高弹性，砖缝间的胶相当于无数小型伸缩缝，将各种压力、应力消解于无形;

（3）宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖首先是优良的防腐抗渗材料，完全耐受湿烟气条件下的各种化学腐蚀物质。其次，硼硅酸盐泡沫玻璃砖能承受剧烈的冷热冲击，适用于各种工况转换的情况。最后，宾高德®硼硅酸盐泡沫玻璃砖也是优良的保温材料，作为内保温层，能提供更均一的保温效果。

下图中，左边为岩棉外保温层的热成像效果，右边为宾高德内保温的热成像效果，宾高德内保温效果更均一、效果更好：

①冷热不均会导致材料不同的热胀冷缩，产生热应力;

②冷热不均时，壁冷凝效应加大，酸性冷凝液的产生量加大，腐蚀机率更大。

同时，在1996年EPRI的《湿烟囱设计导则》中，提及了密歇根中南部的恩迪科特站的钢烟囱。该烟囱1989年湿法脱硫改造时使用宾高德系统，1996年《湿烟囱设计导则》出版时，该烟囱运行良好。根据后期的追踪得知，该烟囱在《湿烟囱设计导则》出版不久，经历了一次严重的过火事件，宾高德系统保护钢烟囱不受火灾高温的伤害，烟囱没有变形，仅有部分砖体脱落。经维修后，真至2016年机组停运，宾高德系统在火灾后，正常使用了接近20年！

综上所述，宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖内衬系统在单筒混凝土与单筒钢烟囱中均表现出优异的防腐性能。特别在钢烟囱中，经受住了更为严柯的考验。

四、宾高德简式烟囱的优势

1、成本优势

由于单筒烟筒不需要内筒，烟囱本身也可以更为细小，对比套筒式烟囱而言，成本将大为节约。同时，宾高德硼玻璃砖内衬系统30年免维护的特性，也将节约大量的维护成本，也不会因为防腐失效产生计划外停机;

2、施工便捷

筒壁施工完毕可直接粘贴宾高德系统。不需要复杂的内筒结构、支承结构、止晃平台等;

3、应用场景广泛

从目前宾高德单筒烟囱使用案例来看，大至百万机组，小至供热机组，均可适用。由于宾高德硼玻璃砖内衬系统30年免维护的特性，可实现多机组同用一根排烟筒。在宾高德单筒烟囱使用案例中，有多至五台机组共用一根排烟筒的情况，不仅节约大量成本，也能够节约空间，有效利用场地;

五、宾高德简式烟囱与烟囱雨

1、烟囱雨与湿烟气流速的关系：

根据EPRI等机构的研究，沉积和冷凝在烟道壁上的液滴被气流二次带岀的大直径液滴，是烟囱雨的主要来源之一。二次带出的关键因素有二：排烟面材料与烟气流速。

在假定光滑的表面上，二次带出与烟气流速的关系如下图所示：

宾高德硼硅酸盐泡沫玻璃砖因其微观粗糙的表面，对冷凝液有更强的吸附作用。故其承受的煙汽流速较光滑表面更高。据2012年EPRI标准，各种材料的建议烟气流速如下表：

2、宾高德简式烟囱的优势

依据上述流速，相同的机组条件下，宾高德简式烟囱可以有更小的排烟出口，这意味着更轻便的设计与更节约的成本、更小的空间;

宾高德简式烟囱中，混凝土简式烟囱由于是锥形，排烟口以下，由于内径的变大，烟气流速更小，对开有成烟囱雨的流速条件而言，完全不存在。

使用宾高德简式烟囱，更有利于减速少烟囱雨的形成。

六、综述

在中国，目前已有至少数十座新建的宾高德简式烟囱在运行中，数十座经宾高德系统防腐改造后的单筒烟囱在运行，其中有多座已正常运行超过10年以上，说明在选择合适的防腐系统的情况，烟囱结构并不是决定烟囱防腐效果的决定性因素。

单筒式烟囱选择合式的防腐方式，如宾高德简式烟囱，不论成本、工期、占地、后期维护均有极大优势，可同时运行多组机组，也可适应高低温变化，是一种简单实用、烟囱方式。

上海德昊化工有限公司 201199