燃煤電廠玻璃鋼煙道設計與研究

羅樹青，董勝憲，丁安心，王繼輝

(1. 華東電力設計院，上海 200063；2. 武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070)

玻璃鋼由纖維和樹脂組成，集結構和功能性于一體，纖維主要提供力學性能，樹脂主要提供化學性能。煙道是輸送煙氣進入煙囪或冷卻塔的裝置，由玻璃鋼制造的煙道分為與煙囪相連的水平短煙道和排煙冷卻塔用玻璃鋼煙道，目前國內的玻璃鋼煙道主要運用在排煙冷卻塔工程上，即煙塔合一工程。煙塔合一是利用自然通風冷卻塔巨大的能量，抬升排放濕法脫硫后的煙氣，與傳統的煙道相比，冷卻塔的雨霧可使擴散保持更長時間，范圍更大，污染比從煙道排放低。濕法脫硫后的煙氣溫度在50℃左右，煙氣在煙道內壁冷凝產生大量的冷凝液，對煙道的腐蝕極大。玻璃鋼煙道因既能解決濕法脫硫后煙氣的耐腐蝕問題，又能滿足結構要求而廣泛被使用。本文結合國內外玻璃鋼煙道的應用研究概況，結合作者參與的國內玻璃鋼煙道工程，對玻璃鋼煙道原材料的選擇、接口的設計進行研究和探討。

1 國外的應用研究概況

20世紀30年代，英國開始應用石灰石作吸收劑進行電廠煙氣脫硫試驗，并于1929～1933年在英國倫敦電力公司的巴特西(Battersea)等電廠運用，但早期的研究進展緩慢，也沒有取得滿意的結果。20世紀中后期，隨著防治大氣污染的法規和標準頒布和執行，大大推動了煙氣脫硫技術的發展。美國在20世紀70年代初展開了脫硫技術的大規模應用及脫硫煙氣的防腐蝕技術研究，此時包括玻璃鋼在內的多種材料開始作為防腐材料運用在濕法脫硫系統上，美國電力研究所(Electric Power Research Institute,EPRI)對煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization,FGD)技術的發展和玻璃鋼防腐材料的運用起到重要作用。在20世紀80～90年代，ERPI出版了大量的玻璃鋼在FGD系統中防腐報告經驗及總結。如1984出版的《Construction Materials for Wet Scrubbers》；1993年出版的FGD選擇指導《Guidelines for FGD Materials Selection and Corrosion Protection》均對運用包括玻璃鋼防腐材料進行了總結和相關的選材建議。上述報告中關于玻璃鋼煙道主要為與傳統的煙囪相連的水平短煙道，其跨距一般較小，對煙道的力學性能要求不高，而煙塔合一用玻璃鋼煙道的跨距一般較大，對結構的力學性能要求較高。煙塔合一的概念由來已久，在1967年，德國就申請了煙塔合一的排放專利。隨著1983年聯邦防污染法的相關規定，德國電廠大多采用石灰石濕法脫硫，第一個采用冷卻塔排放凈煙氣的工程應用研究是德國的Volkingen電廠，該電廠沒有設置煙囪和旁路，濕法脫硫后的煙氣溫度在50℃左右，由四個直徑為3 m的煙道排入100 m高的冷卻塔與冷卻塔煙雨混合排放，煙道的出口標高為40 m。表1為亞仕蘭公司于2005年調查歐洲煙塔合一用玻璃鋼煙道的運用情況，調查顯示煙塔合一用玻璃鋼煙道運行良好，能夠滿足電廠的要求。國內外沒有針對玻璃鋼煙道相關標準，但是有與之類似的產品標準，如美國的ASTM D5364《燃煤電廠玻璃纖維增強塑料煙囪內筒的設計、制造和安裝的標準指南》和歐盟的GRP LINERS《玻璃鋼煙囪》，其中美國的標準是明確適用于燃煤電廠，美國和歐盟關于玻璃鋼管道設計的參考標準還有ASME RTP－1和EN13121兩部標準。總的來說，國外玻璃鋼煙道的施工、運用都比較成熟，雖沒有針對玻璃鋼煙道的相關標準，但玻璃鋼煙道的設計等要求包含在玻璃鋼管道等標準中。

表1 國外玻璃鋼煙道的調查報告

2 國內的應用研究概況

2005年，高碑店電廠引進德國技術，建造了亞洲第一個煙塔合一工程，其玻璃鋼煙道的長度在260 m，直徑為5.2 m，此后隨著煙塔合一工程在國內的開展和實施，玻璃鋼煙道也得到了廣泛的運用。2006年，華北電力設計院設計了國內第一個具有知識產權的三河電廠，其玻璃鋼煙道直徑為5.2 m；2008年華東電力設計院設計了亞洲直徑最大的玻璃鋼煙道，其直徑為8.5 m，最大跨距為40 m；2013年華東電力設計院設計的山東濱州供熱中心三期工程玻璃鋼煙道直徑為5.6 m，總長度超過1 km，為國內目前單個使用玻璃鋼煙道最長的排煙冷卻塔工程。據統計，國內已有十幾個發電廠采用煙塔合一用玻璃鋼煙道，表2為部分國內玻璃鋼煙道的應用工程。國內關于玻璃鋼產品的標準很少，主要參考國外的玻璃鋼產品標準，華北電力設計院根據參與的工程編制排煙冷卻塔設計導則，武漢理工大學根據參與的玻璃鋼煙道工程經驗，編制了燃煤電廠用玻璃鋼煙道產品標準，該標準已上報國標委，待批復。同時武漢理工大學也在玻璃鋼煙道材料的選擇、設計等方面做了大量的工作。總之，國內燃煤發電廠玻璃鋼煙道應用形式良好，積累了一定的經驗，但與國外相比，相關的設計、安裝等標準還需總結和完善。

表2 玻璃鋼煙道國內工程案例

3 玻璃鋼煙道的設計

3.1 原材料選擇

在玻璃鋼煙道設計中，需考慮功能性和結構性的平衡。玻璃鋼由纖維和樹脂組成，集結構和功能性一體，纖維主要提供力學性能，樹脂主要提供化學性能。結構性能要求主要與玻璃鋼煙道的布置跨距有關，跨距越大，煙道的結構性能要求越高，纖維的含量應越高，尤其是軸向方向的纖維含量，早期的玻璃鋼煙道工程選用的纖維為無堿玻璃纖維(E－Glass Fiber,E玻璃纖維)，目前的工程基本選用的是耐化學侵蝕無堿玻璃纖維(E－Glass of Chemical Resistance Fiber, ECR玻璃纖維)，ECR玻璃纖維比E玻璃纖維的更耐腐蝕，且強度更高。玻璃纖維的價格相對與樹脂的較便宜，性能穩定，滿足工程需要，玻璃纖維的選擇不是原材料選擇的重點。

濕法脫硫后煙氣的腐蝕性比較強，對玻璃鋼煙道的功能性要求比較高，尤其是耐腐蝕性能和抗疲勞性能，樹脂的選擇直接關系到玻璃鋼煙道的使用壽命。樹脂的選擇與電廠的運行溫度、煙氣的成分等有關。從表1可以看出，早期安裝的玻璃鋼煙道選用樹脂有鹵代聚酯樹脂和環氧乙烯基酯樹脂，其中聚酯樹脂主要為鹵代聚酯樹脂、溴化聚酯樹脂；環氧乙烯基酯樹脂主要為酚醛型環氧乙烯基酯樹脂、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂和溴化環氧乙烯基酯樹脂。鹵代聚酯樹脂對氧化性酸耐腐蝕性能和耐溫比較好，但在一些工程應用中發現其對濕法脫硫以后的某些環境表現不是很好，現在工程應用中很少采用此類樹脂。聚酯樹脂的價格比較便宜，化工和冶金行業的耐腐蝕管道常采用聚酯樹脂制造，但其耐腐蝕和耐溫性能一般比乙烯基酯樹脂要差，此外，由于玻璃鋼煙道的直徑一般比較大，對樹脂的工藝性能要求比較高，聚酯樹脂很難達到其要求。目前運行的玻璃鋼煙道主要是由環氧乙烯基酯樹脂制造，環氧乙烯基酯樹脂是一種由環氧樹脂與甲基丙烯酸反應，并加入苯乙烯單體而制得的高性能熱固性樹脂。這類樹脂既結合環氧樹脂優良的耐熱、機械及化學性能，又兼有不飽和聚酯樹脂良好的加工工藝性能，國內的工程應用中主要選用的是雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂，其彎曲模量和彎曲強度隨溫度的變化見圖1。從圖1可知，在80℃溫度內，玻璃鋼的性能衰減很小，在某些溫度點性能甚至有所加強。在溫度超過80℃后，性能的衰減加大，到達126℃后，其衰減非常明顯，玻璃鋼煙道已不適合承載。表3和表4為國際能源署2006年出版的報告《Sox Emission and Control》中基于酚醛型環氧乙烯基酯樹脂與鎳鉻合金的比較，可以看到基于環氧乙烯基酯樹脂制造的玻璃鋼具有良好的經濟性和物理化學性能，對氯化物、稀酸和鹽溶液具有良好的耐腐蝕性，它比高鎳合金鋼有著更優良的耐化學和疲勞性能。

圖1 玻璃鋼性能隨溫度的變化

表3 玻璃鋼材料耐腐蝕性能

表4 玻璃鋼疲勞性能

3.2 玻璃鋼接口設計

玻璃鋼煙道由玻璃鋼煙道筒段通過適當的形式連接而成，對于小直徑的玻璃鋼煙道(一般小于4 m)可以選用插接方式連接，對于直徑大于4 m的玻璃鋼煙道，一般采用對接形式，見圖2。

圖2 玻璃鋼煙道接口

接口的總寬度及厚度與玻璃鋼煙道的受力、接口鋪層有關，接口的增強材料主要為短切氈和玻璃布，短切氈的長度一般在25～50 mm，手糊工藝制造，雙面補強，接口的施工質量嚴重影響到玻璃鋼煙道使用性和安全性。玻璃鋼煙道筒段由纏繞工藝成型，在廠房或車間生產，環境可控，相對影響因素較少，且其增強材料主要為單向布和纏繞紗等連續纖維，力學性能受溫度的影響不大，而接口的鋪層一般按照ASTM RTP的要求鋪層表鋪放至設計厚度，其中玻璃布的使用量不宜太大，增強材料主要為短切氈，由短纖維組成的單向板或層合板的性能受樹脂、纖維的性能、長度影響，在高溫下的性能衰減較快。此外，由于接口補強片與筒體不是同時固化，層間的剝離應力和剪切強度很小，尤其是剝離應力很小，在設計中要防止接口的剝離破壞。對于層間剪切應力，不同的標準有不同的規定，如EN13121規定，不同增強材料組成的層合板層間剪應力取不同的值(見表5)；而ASTM RTP對于二次膠結結構，層間的剪切強度最大取14 MPa；ASME X 纖維增強壓力容器設計中對二次膠結的層間應力為7 MPa，但總的來說，接口的層間應力都很小。

表5 EN13121層合板的層間剪應力

目前玻璃鋼煙道的接口形式主要參照國內玻璃鋼煙道的接口形式，內接外接口的厚度相差不大或相等，但此種設計并不一定合理，首先，內外等厚的接口不一定能減小其偏心彎矩，內接口太厚，會減小玻璃鋼煙道的有效直徑，在內接口的附近的煙氣流速不均勻，局部流速偏大，不利于冷凝液的搜集。對于玻璃鋼煙道的接口設計應參照玻璃鋼煙囪內筒的設計，可以參照最新版的美國電力規劃院的濕煙囪設計導則中建議，采用不等厚設計，內接口不宜太厚，且與筒體連接坡度不宜太小，不能小于1∶6，最好為1∶10(見圖2)，利于煙氣的流通和冷凝液的收集及力的傳遞。

4 結語

國外的相關經驗表明，玻璃鋼作為結構和功能材料，玻璃鋼煙道能夠滿足濕法脫硫后電廠各種復雜的操作工況。隨著我國防治大氣污染的法規和標準頒布和執行，越來越多的電廠都將采用濕法脫硫技術，煙道的防腐也必將日益突出，隨著玻璃鋼煙道安裝也將不斷增加，對玻璃鋼煙道的認識也將不斷加深。

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