濕法脫硫后尾氣煙囪結構選型及防腐方案論述

岳煥玲

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

煙囪是工業企業一個重要的不可缺少的構筑物，同時也是一個排放煙氣的重要設施，通過煙囪將廢氣排放入周圍大氣。經過廢氣在高空中的擴散，降低周邊煙氣濃度，使得廠區周圍的環境達標。其可靠性直接關系到整個工廠的安全運行。近年來，為了滿足污染物排放控制要求，工業企業都安裝了脫硫裝置以減少SO2的排放，其中濕法脫硫以其脫硫效率高而被廣泛應用，濕法脫硫后煙氣溫度降低會導致在煙囪排煙筒內表面上的濕氣凝結增加，這種凝結具有較強腐蝕性，會增加設備腐蝕的風險，甚至對結構安全形成重大威脅。保證煙囪安全運行，首先必須保證結構的安全性。除此之外，做好煙囪的結構選型、排煙筒的防腐以及防腐隔熱材料的選擇，對保證煙囪結構安全、正常可靠運行也具有重要意義[1]。

1 脫硫煙氣的特點和腐蝕性

濕法脫硫工藝對煙氣中的SO2脫除效率很高，但對造成煙氣腐蝕主要成分的SO3脫除效率不高，約20%左右。因此，煙氣脫硫后，對煙囪的腐蝕隱患并未消除，相反脫硫后的煙氣環境(低溫、高濕、冷凝結露和正壓狀態等)會使腐蝕狀況進一步加劇。對煙氣濕法脫硫、且不設置煙氣加熱系統GGH的狀況，由于排放的煙氣溫度低于冷凝結露溫度，煙氣冷凝結露突出，煙囪內的腐蝕環境復雜惡劣，腐蝕情況十分嚴重，帶來的影響則是煙囪運行檢修周期將會變短，檢修維護、甚至補修修復的工程量將會增大，煙囪的安全運行面臨較大的腐蝕滲漏問題。

煙氣腐蝕性機理分析對于確定煙囪防腐蝕方案有著直接關系。煙囪腐蝕類型，按其腐蝕機理可分為電化學腐蝕和化學腐蝕兩大類；按環境可分為煙氣腐蝕和大氣腐蝕；按防腐蝕狀態可分為氣態腐蝕和液態腐蝕。

(1)化學腐蝕

煙氣中對鋼有腐蝕作用的成分主要是SO2、SO3、HF、HCl、CO2、水汽等。濕法脫硫后煙氣中含有足夠的水分，煙囪內壁產生的酸性液體會與金屬材料發生化學反應，生成可溶性鐵鹽，對煙囪產生嚴重的腐蝕作用，使金屬部件逐漸被破壞，其部分反應方程式如下：

Fe+SO2+H2O=FeSO3+H2
Fe+SO2+O2=FeSO4
2HCl+Fe=FeCl2+H2

(2)電化學腐蝕

煙氣中殘余的水及電解質在煙囪內表面形成原電池，存在著陽極反應和陰極反應，并伴有電流產生，使金屬逐漸銹蝕，特別在焊縫接點處更易發生。電化學方程式如下：

Fe→Fe2++2e
Fe2++8FeO·OH+2e→3Fe3O4+4H2O

此外，對采用石灰石- 石膏法脫硫后的煙氣還有結晶腐蝕。石灰石漿液吸收二氧化硫后生成可溶性硫酸鹽或亞硫酸鹽。脫硫系統正常運行時，煙氣中夾帶的大量未經除塵或未被除凈的脫硫產物隨高速流動的煙氣進入吸收塔出口煙道及煙道與煙囪的連接處，由于慣性作用，這些顆粒會附著于煙囪與煙道連接處的對面，部分液體滲透到防腐表面的毛細孔內。當系統停止運行時，這些液體在自然干燥下生成結晶鹽，同時體積膨脹，破壞防腐材料，使其蛻皮、疏松、破裂損壞。煙道氣中固體顆粒(如灰塵)與煙囪表面發生湍動摩擦，煙囪不斷被磨損，加速腐蝕過程，使煙囪壁逐漸變薄，造成了磨損腐蝕。

鋼筋混凝土煙囪和磚煙囪主體材料為非金屬材料，其腐蝕屬于化學腐蝕或物理腐蝕，表現為化學溶蝕和膨脹腐蝕。化學溶蝕是材料與介質相互作用，生成可溶性化合物或無膠結性產物的一類腐蝕。化學介質與材料中的一些礦物成份產生化學作用，使材料產生溶解或分解。對于煙囪主要是煙氣中酸性介質與混凝土中堿性材料產生化學作用，其結果是煙囪筒壁內表面腐蝕剝落，截面日益減小。膨脹腐蝕是由于新產生化合物體積膨脹，對材料產生較大的輻射壓力而導致材料結構破壞的一類腐蝕。引起體積膨脹的原因，主要是由于介質與材料反應生成的新生物的體積要比參與反應的體積更大，或者是由于鹽類溶液滲入多孔材料內部，所生成的結晶物的體積增大。煙囪砌筑類內襯最容易發生該類腐蝕。

2 煙囪的結構選型分析

2.1 煙囪結構型式

按煙囪結構形式一般有單筒式、套筒式、自立式、塔架式和拉索式等。根據相關國家標準關于煙囪選型的相關要求，當排放強腐蝕性煙氣時，宜采用多管式或套筒式煙囪結構型式，即把承重的鋼筋混凝土外筒和排煙筒分開，使外筒受力結構不與強腐蝕性煙氣相接觸。

按煙囪材質分類一般有磚煙囪、鋼筋混凝土煙囪、鋼煙囪和玻璃鋼煙囪等；單筒式煙囪一般有磚單筒式和混凝土單筒式兩種；套筒式煙囪有磚內筒、鋼內筒和玻璃鋼內筒等，也可以分為單管式、雙管式和多管式。目前磚內筒套筒式煙囪一般為單管式，現在國內也有設計過雙管式的，但是設計和施工都非常困難，難以推廣。鋼內筒套筒式煙囪單管、雙管和多管都有，目前國內最大的有四管。自力式、塔架式和拉索式主要為鋼煙囪。塔架式煙囪也有采用玻璃鋼材質的。

按煙囪的基礎受力方式分為自力式和懸吊式。自立式排煙筒結構是其筒體下部是通過錨栓與基礎相連，筒體本身獨立承受各項外部荷載。鋼筋混凝土外筒壁與排煙筒之間均留有不小于1 m的空隙，并沿高度方向設有數層用于檢修維護的平臺，部分平臺設置制晃裝置，用于鋼筋混凝土外筒壁對排煙筒在水平方向的支承。懸吊式排煙筒結構是在鋼筋混凝土外筒壁與排煙筒之間也都留有不小于1 m的空隙，并沿高度方向設有數層用于檢修維護的平臺，排煙筒則是分段懸吊在這些平臺中的幾層。根據不同的設計思想，排煙筒下部段可為自立式坐落在煙囪基礎上，也可懸空直接與水平煙道相連。各段排煙筒之間通過伸縮節相連，排煙筒的荷載(下部自立式除外)都是通過支撐平臺先傳給鋼筋混凝土外筒壁，再傳遞到基礎上。

2.2 煙囪結構型式選擇原則

由于煙氣脫硫裝置安裝后煙溫下降較大，因此對于煙氣脫硫裝置安裝后的煙囪須考慮煙溫變化帶來的影響。煙囪內煙氣溫度變化可能對煙囪帶來的影響主要有：由于煙氣溫度降低出現酸結露現象，造成煙囪內部腐蝕，同樣由于煙溫降低，煙囪抽力下降后造成煙囪內正壓區范圍擴大會使這種腐蝕現象加重；另外由于煙氣溫度的變化會使煙囪的熱應力發生改變。

煙氣脫硫裝置安裝后可能使煙氣溫度低于酸露點，造成對煙囪內襯料以及鋼筋混凝土筒壁的腐蝕，致使其強度下降。

按照煙囪設計規范[2]要求，排放腐蝕性煙氣的煙囪結構形式選擇原則如下：

(1)煙囪高度小于或等于100 m時，一般采用單筒式煙囪。

但當煙氣屬強腐蝕性時，宜采用套筒式煙囪，即在承重外筒內，另做獨立磚內筒，使外筒受力結構不與強腐蝕性煙氣接觸。

(2)煙囪高度大于100 m時，煙囪型式可根據煙氣腐蝕等級按下列規定采用：

①當排放強腐蝕性煙氣時，宜采用套筒式或多管式煙囪。

②當排放中等腐蝕性煙氣時，可根據煙囪的重要性既可采用套筒式或多管式煙囪，也可以采用防腐型單筒式煙囪。

③當排放弱腐蝕性煙氣時，可采用普通單筒式煙囪，但應采取有效防腐蝕措施。

3 煙囪防腐內襯材料

受煙氣脫硫設施和爐窯運行狀況變化的影響，煙氣的溫度和濕度也隨之發生變化，即煙氣干- 濕、高- 低溫狀態轉換難以避免。因此，煙囪的防腐蝕設計很難做到完全適應這些頻繁變化的運行條件。從防腐蝕設計的角度考慮，選擇的材料優劣與煙囪的使用壽命成正比，優質的材料使用壽命長，但造價高；所以對于煙囪的防腐蝕設計，需要根據不同時期的各項條件統籌控制好煙囪安全可靠性與經濟性的平衡點。一般情況下，當考慮經濟因素、降低本期工程直接投資、選用常規防腐蝕設計方案時，還應考慮運行后出現腐蝕狀況需檢修維護或加固所需的投資費用，即煙囪投資應是煙囪使用壽命全周期內的投資費用，它包括初期的直接投資和正常運行期間由于腐蝕危及安全帶來的檢修維護及加固費用。

煙囪內襯可分為有機內襯和無機內襯兩大類。在溫度超過149 ℃時，大多數的有機內襯的彈性和耐酸性能力都要降低或失效。對于強腐蝕性煙氣內襯方案的選擇上，要綜合考慮其技術性、經濟性、耐久性和施工方面等因素。目前可供選擇的方案主要有：鎳基復合鋼板或鈦基復合鋼板；泡沫玻璃磚內襯；玻璃鋼排煙筒；密實型耐酸混凝土內襯；玻璃鱗片、OM等防腐蝕涂料；賓高德玻璃磚內襯；ECTFE內襯等。

3.1 采用鎳基復合鋼板或鈦基復合鋼板內襯

金屬合金鋼內襯一般為鎳基合金板和鈦板耐腐蝕性能較好。鎳基合金是一種含鎢的鎳一鉻一鉬合金，其硅、碳的含量極低，在氧化和還原狀態下，對大多數腐蝕介質具有優異的耐腐蝕性能、出色的耐點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕性能；鉬、鉻含量較高，能夠耐氯離子的侵蝕；而鎢元素的存在，進一步提高了其耐腐蝕性。鈦的強度高，耐蝕性能良好，密度介于鋼和鋁之間，為4.5 t/m3，其價格很昂貴。鈦的優點就是鈍化能力強，很容易與氧結合成氧化膜。鈦的氧化膜因機械損傷破壞后，會很快愈合。因此，鈦對海水和其他氯化物鹽溶液、次氯酸鹽和濕氯氣、硝酸均有很好的耐蝕性。鈦及鈦合金的耐蝕性取決于是否保持鈍化。在不能鈍化的條件下，化學活性很高，不僅不耐蝕，甚至發生強烈的化學反應。

使用鎳基復合鋼板或鈦基復合鋼板做防腐內襯，防腐、耐溫、耐磨性能都非常好，使用壽命長。缺點是價格昂貴、焊接技術有一定的特殊性。

3.2 采用輕質發泡玻璃磚內襯

泡沫玻璃是一種以玻璃為主要原料，加入適量發泡劑，通過高溫遂道窯爐加熱焙燒和退火冷卻加工處理后制得，具有均勻的獨立密閉氣隙結構的新型無機絕熱材料。由于它完全保留了無機玻璃的化學穩定性，具有容重低、導熱系數小、不透濕、不吸水、不燃燒、不霉變、不受鼠嚙、機械強度高卻又易加工，能耐除氟化氫以外所有的化學侵蝕。泡沫玻璃不但本身無毒，化學性能穩定，以及能在超低溫到高溫的廣泛溫度范圍內不會變質的良好隔熱性能，而且本身又起到防潮、防火、防腐的作用。它在低溫深冷、地下、露天、易燃、易潮以及化學侵蝕等苛刻環境下使用時，不但安全可靠，而且經久耐用，被譽為“不需更換的永久隔熱材料”。所以被廣泛應用于石油、化工、建筑、冷庫、地下工程、造船、國防軍工等永久性工程的隔熱保冷。

泡沫玻璃磚做為煙囪防腐內襯系統分為三重保護：第一層為底層耐溫涂料，該涂料由雙組份構成，其主要成分為環氧樹脂，其具有極強的附著力和耐溫性，耐溫可達200 ℃，且干燥時間快，強度大，抗摩擦，施工簡便。第二層為耐溫粘膠劑，其主要成分為硅橡膠，主要由高分子量的線性聚硅氧烷與填料及其它添加劑混合而成。按固化溫度不同可分為高溫固化、室溫固化和低溫固化三類，其中室溫固化型由含端羥基的聚硅氧烷加入填料、鉸鏈劑及其它添加劑組成，其操作簡單，使用方便而被廣泛應用。第三層為泡沫玻璃磚，由于泡沫玻璃磚以玻璃為原料，經窯爐高溫發泡燒制的無機材料，因此具有很好的穩定性和耐溫性，抗老化性能優良。

3.3 玻璃鋼

玻璃鋼別名玻璃纖維增強塑料，俗稱FRP(Fiber Reinforced Plastics)，即纖維增強復合塑料。根據采用的纖維不同分為玻璃纖維增強復合塑料(GFRP)，碳纖維增強復合塑料(CFRP)，硼纖維增強復合塑料等。它是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。纖維增強復合材料是由增強纖維和基體組成。纖維(或晶須)的直徑很小，一般在10 μm以下，缺陷較少又較小，斷裂應變約為千分之三十以內，是脆性材料，易損傷、斷裂和受到腐蝕。基體相對于纖維來說，強度、模量都要低很多，但可以經受住大的應變，往往具有粘彈性和彈塑性，是韌性材料。采用玻璃鋼做煙囪材料時一般不做內襯使用，而是直接采用玻璃鋼煙囪。

3.4 密實型耐酸混凝土內襯

通常耐酸混凝土是指普通的水玻璃耐酸混凝土，它雖然有較高的力學強度和良好的耐酸穩定性，但由于材料的孔隙率大，抗滲性差，因而不耐結晶鹽的腐蝕，特別不耐水和稀硫酸的腐蝕，使用范圍受到很大限制。所謂密實性耐酸混凝土，就是在普通水玻璃耐酸混凝土中加入一些外加劑，如抗滲劑、滲透劑等，用于改善混凝土的孔結構，可大幅度提高水玻璃耐酸混凝土的密度和遏制酸液的滲透能力，因而它適用范圍越來越廣，從單純的用于濃硫酸場合而發展成為用于稀、濃硫酸并且和水交替的場合。實踐證明，防腐效果良好。且投資費用較低。

3.5 玻璃鱗片內襯

玻璃鱗片樹脂襯里是以樹脂為主要基料，以薄片狀填料(10%～40%片徑不等的玻璃鱗片)為骨料，添加各種功能添加劑混配成膠泥狀或涂料狀防腐材料，再經專用設備或人工按一定施工規程凃覆在被防護基體表面而形成的防腐蝕保護層。鱗片膠泥的耐溫性及耐腐蝕性主要取決于樹脂的性能，目前應用最多的乙烯基樹脂耐溫、耐腐蝕性較高。玻璃鱗片涂層抗滲透性好，膠泥在施工完畢后，重疊排列的扁平玻璃鱗片構成致密的防滲層結構，形成迷宮效應，腐蝕介質在固化后的膠泥中的滲透須經過較長時間和復雜的路徑，從而能夠有效地抑制腐蝕介質的滲透速度。鱗片膠泥內襯有較好的防腐性能，但適應溫度較低，使用壽命較短，需要定期進行檢查、修復。

3.6 OM防腐蝕涂料內襯

OM防腐涂料是一種高效防腐涂料，有效成分為一種高分子滲透聚合物添加防腐顏料，耐候性好，防腐性能優異。漆膜堅硬，附著力好，光亮豐滿。有較好的耐磨、 耐酸、耐水、耐油、耐熱等性能。漆膜堅硬耐磨致密性好，漆膜對一氧化碳、二氧化硫等腐蝕干熱潮濕氣體均具有承耐性，該類型涂料常溫自干。目前做為煙囪內壁防腐涂料應用較多。

3.7 賓高德玻璃磚內襯

賓高德玻璃磚是具有一定厚度的塊體材料，分為國產賓高德玻璃磚和進口玻璃磚，目前在國內常見的是國產賓高德玻璃磚，它由與之配套的粘結劑粘貼在排煙筒與煙氣接觸的內表面，形成防護層。對排煙筒來說，不但起到防腐防滲的作用，還起到隔熱保溫作用，是目前較常采用的排煙筒防腐蝕方案，玻璃磚防護層的厚度一般考慮50 mm厚。賓高德玻璃磚方案的優點是：施工相對便利，容易檢查，排煙筒可選用常規的Q235B鋼，其外表面不需要再設置專門的隔熱保溫層，可靠性和耐久性相對較好，但已運行煙囪中也出現過國產玻璃磚防護層溫度變化開裂、局部脫落和腐蝕滲漏狀況；缺點是施工周期較長，施工質量控制難度大，宜出現施工方面材料選取的人為差錯，需有效控制玻璃磚的耐濕變性能、耐氣流沖刷性能和粘結耐久性能的要求和措施。

3.8 ECTFE內襯

ECTFE由乙烯與三氟氯乙烯以等摩爾比共聚物制得的交替共聚物，具有優良的化學穩定性和不燃性，以及良好的電性能和機械性能，可用于一般熱塑性塑料的成型方法加工。可在-50～170 ℃的范圍內使用，其強度、耐磨性、抗蠕變性大大高于PTEE、FEP和PFA，它在室溫和高溫下耐大多數腐蝕性化學品和有機溶劑，不著火，可防止火焰擴散。用于煙囪內襯比較合適。

4 結束語

濕法脫硫后煙氣由于溫度降低，且煙氣基本處于飽和狀態，煙氣中的SO3與水蒸汽結合形成硫酸，使煙氣的腐蝕性能大大增加，造成對煙囪內襯材料以及鋼筋混凝土筒壁的腐蝕，致使其強度下降。因此排放脫硫后煙氣的煙囪必須根據工程實際情況考慮適宜的防腐內襯。