玻璃鋼（FRP）煙囪在火電廠的應用研究

1、.玻璃鋼（FRP）煙囪在火電廠的應用研究李颯巖，韓晶神華國華（北京）電力研究院有限公司結構技術部 （100069）: - 5 -【摘 要】：本文通過回顧濕煙囪防腐各種技術方案的工程經(jīng)驗，針對國外成功運行30年的玻璃鋼（FRP）煙囪防腐技術，從全過程的角度剖析了玻璃鋼防腐方案的技術難點，從工程建設技術控制角度提出了應對策略和建議?！娟P鍵詞】：火電廠 濕煙囪 防腐 玻璃鋼 FRP1 前言火電廠以燃煤為主，燃燒過程排放出各類大氣污染物，如粉塵、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）等，其中二氧化硫（SO2）的排放是電廠環(huán)保重點控制項目之一。燃煤火電廠的煙氣脫硫（簡稱“FGD”）系統(tǒng)是控制二氧化硫排放

2、的主要措施。其中石灰石石膏濕法脫硫（WFGD）是當今世界各國應用最多的工藝。國內火力發(fā)電廠燃煤機組安裝的煙氣脫硫裝置（FGD）中，85%以上使用的是石灰石石膏濕法脫硫（WFGD）工藝。石灰石石膏濕法脫硫（WFGD）系統(tǒng)一般分為有無煙氣換熱器（GGH）兩類技術，其中采用無GGH的情況較多。從2009年規(guī)劃院對全國濕煙囪防腐狀況調查結果看，無GGH的濕法脫硫煙囪腐蝕發(fā)生概率大，腐蝕后果也更嚴重。濕法脫硫（WFGD）的煙道系統(tǒng)，也分為有否設旁路煙道兩種技術方案，近期擬建火電項目大多采用了無旁路煙道技術。當WFGD設有旁路煙道時，煙囪除滿足濕煙囪防腐要求外，還應滿足排放未經(jīng)脫硫的旁路煙氣的要求。尤其是

3、需要滿足兩種煙氣狀況相互切換過程各種煙氣指標變化對防腐系統(tǒng)的沖擊。2 火力發(fā)電廠煙囪的主要防腐方式我國的火力發(fā)電廠煙囪防腐蝕型式經(jīng)歷了由防腐內襯層分段貼于混凝土外筒內側的單錐筒形式向內外筒分離，外筒保證結構安全，內筒負責防腐的轉變，形成了套筒煙囪。國內各電廠根據(jù)其脫硫系統(tǒng)是否設GGH、是否設旁路、是否多臺鍋爐的煙道排入一個煙囪內筒等技術條件和投資策略，選擇了多種防腐方案。在工程中實施的防腐技術有以下4種類型：1）涂料類方案，有代表的是OM 涂料、聚脲涂料、固斯特涂料、薩維真涂料等。2）帖襯泡沫玻璃磚方案，有代表的是賓高德玻璃磚、國產(chǎn)泡沫陶瓷磚、國產(chǎn)泡沫玻璃磚等。3）整體澆筑料類。4） 鋼內筒襯

4、貼鈦板 (TiCr2)方案。對老煙囪的改造項目采用的防腐技術方案更多。2007 年之后，國家環(huán)?？偩謴膰缊?zhí)行燃煤電廠WFGD 投運率考核指標，各電廠WFGD 全力投入運行。目前，采用上述防腐技術防腐方案進行防腐的煙囪不同程度出現(xiàn)了問題。3 濕煙囪防腐問題分析我國的火力發(fā)電廠濕煙囪防腐出現(xiàn)了方案的多樣性，其中鈦板防腐技術目前出現(xiàn)的問題較少，防腐造價高。同時，實驗室分析結果表明，鈦板的使用年限理論值不高，而且國內最長工程使用年限為5年左右，是否能滿足今后的工程防腐需要還有待驗證。而其它方案沒有形成種一種公認合理的防腐方案。這表明我國目前我國的火電廠濕煙囪防腐研究工作還不完善。3.1濕煙囪防腐基礎研

5、究滯后濕法脫硫煙氣形成的腐蝕環(huán)境十分復雜，一般采用煙氣濕度、冷凝液硫酸濃度、PH值、煙氣溫度、煙氣平均壓力、煙氣平均流速等指標參數(shù)進行特征描述。這種表述是不全面的。工程實例表明，在煙囪與煙道入口相交處防腐失效案例較多。針對某個工程的煙囪內部煙氣流場數(shù)值分析表明，該處煙氣流速明顯不均勻，而且同截面煙氣壓力變化很大。圖1為投運前的泡沫磚防腐煙囪內壁，圖2為投運僅半年后泡沫磚磨損的圖片，這樣的磨損在平均20m/s的流速下是很難發(fā)生的，當流場設計不當時，泡沫磚防腐材料的磨損是嚴重的。需要說明的是，煙氣數(shù)值分析是建立在一系列流體力學假定的基礎上進行的，精度很低。這些假定與真實條件下的流場必然發(fā)生很大的誤

6、差應與實際煙囪環(huán)境或模型環(huán)境的煙囪流場進行對比調整，才能客觀反應實際情況。國內針對煙囪內部流場分析的研究工作進行的不多。再比如，冷凝液的硫酸濃度指標，一般通過對濕煙囪排出的冷凝液進行化學分析確定，PH值在1.93.4左右。而國內的工程案例表明，某煙囪防腐體系的硅膠材料在幾個月到半年的時間就發(fā)生了嚴重的粉化，似乎受到超出了設計預期的腐蝕。國內的某研究機構的試驗表明，在較高硫酸濃度的環(huán)境下這種材料的粉化腐蝕才會發(fā)生。因此，一些技術研究人員懷疑濕煙囪的冷凝液在煙氣干濕交替環(huán)境下發(fā)生了濃縮，而實際的驗證數(shù)據(jù)至今沒有取得。由于這些研究工作的滯后，給濕煙囪防腐的方案確定帶來了一定的難度。3.2 濕煙囪防腐

7、施工技術研究的滯后國內濕煙囪防腐施工企業(yè)，由于市場競爭激烈，防腐施工的利潤不高，施工隊伍一般根據(jù)工程需要臨時組建或僅維持生存，施工技術力量不足，研究和發(fā)展投入很少。由于沒有國家的公益性投入，很難開展系統(tǒng)的從機理到工程轉化的全過程研究工作。綜上所述，在國內快速大量的火電項目建設時代，各種研究并不充分的煙囪防腐方案不斷出現(xiàn)，發(fā)生的很多工程防腐失效案例給實際工程的安全運行帶來了危害和潛在的風險。4 玻璃鋼（FRP）煙囪在國外使用現(xiàn)狀FRP煙囪在美國電力行業(yè)的應用始于FGD開始應用的20世紀70年代。截至到2008 年年初，在美國火電行業(yè)新建的脫硫煙囪中，大約80%以上采用耐腐蝕FRP 材料作為混凝土

8、煙囪的防腐蝕內筒。國外經(jīng)多年的研究和工程應用，已經(jīng)形成了FRP 煙囪或管道結構設計、制造和施工方面的標準，如美國的ASTM D 5364、ASTM RTP-1 和英國的BS4994 等。近幾年，美國新建電廠一般同步建設濕法脫硫（WFGD）系統(tǒng)，老電廠也逐步進行濕法脫硫改造。據(jù)有關資料介紹美國玻璃鋼煙囪的應用統(tǒng)計，2004、2005年有8個項目，2006年38個項目，2007年增加至49個項目，到2008年上半年已經(jīng)有39個項目。1975年美國Kennecott Copper（Magma,猶他州）建造了直徑7.3m，壁厚12.7mm，總長度1215英尺（370m）FRP內筒煙囪，經(jīng)過34年的使用

9、（圖3）。圖32004年美國杜克能源公司對位于北卡羅萊納州特瑞爾市的馬紹爾（Mashall）電廠進行了脫硫改造。煙囪為三管式套筒煙囪，煙囪內筒采用FRP。FRP煙囪內徑9.0m，選用Ashland公司Hetron FR992樹脂，歐文斯康寧公司的E-GLASS玻纖。同時脫硫塔至煙囪之間的煙道也采用FRP（圖4）。圖4據(jù)Dow化學公司的資料介紹，F(xiàn)RP 煙囪在歐洲和日本也有應用。2000 年7 月捷克的Vresova 電廠、2001 年9 月德國的Kraftwerk Simmering 電廠、2002 年英國的Eggborough 電廠以及日本關西電力南港電廠都采用了FRP煙囪。國外工程案例說明

10、玻璃鋼（FRP）煙囪在一些經(jīng)濟發(fā)達國家得到認可，適合濕煙囪防腐。5 玻璃鋼（FRP）煙囪應用研究2007年，華能辛店電廠二期機組脫硫改造工程設計了一座玻璃鋼內筒套筒煙囪。煙囪外筒為鋼筋混凝土結構，高178m；內筒為玻璃鋼結構，內直徑6.6m，頂標高180.0m。內筒分段支承于內外筒間鋼結構平臺上。玻璃鋼內筒主要構件的樹脂采用ASHLAND公司DERAKANE 470HT-400耐高溫環(huán)氧乙烯基酯樹脂，增強材料則根據(jù)需要和成型工藝采用重慶國家復合材料有限公司生產(chǎn)的ECR型玻璃纖維短切氈、單向布和纏繞紗。該工程由于在施工后期發(fā)生火災而未投產(chǎn)，對玻璃鋼煙囪的應用風險起到了警醒作用。2006年5月和2

11、006年12月，高碑店電廠一期和國華三河二期工程煙塔合一玻璃鋼煙道相繼投產(chǎn)，目前，哈爾濱第一熱電、錦州熱電、天津東北郊熱電等電廠玻璃鋼煙道相繼安裝完成或投產(chǎn)。國內積累了一些大直徑玻璃鋼煙道制作和研發(fā)的經(jīng)驗。雖然我國的玻璃鋼煙囪工程實踐和玻璃鋼制作等方面有一定的技術積累。但同樣存在基礎研究深度不足和施工技術研究滯后的問題，為了保確保工程質量可靠和可控。避免在工程實踐中摸索防腐方案的現(xiàn)象。神華國華電力研究院在2010年申請了神華集團重點科技創(chuàng)新項目。通過收集國內外對玻璃鋼內筒煙囪的研究成果，分析工程應用中的技術風險。重點解決玻璃鋼內筒的設計優(yōu)化、纏繞制作質量控制、施工安裝的安全措施等問題。通過對原

12、材料的質量控制、玻璃鋼內筒的設計分析、玻璃鋼內筒的制作和起吊安裝、質量檢驗及工程驗收質量控制等全過程系統(tǒng)的應用研究，降低新技術在工程應用中的風險。玻璃鋼內筒的設計分析研究是課題研究的主要技術難點，課題將開展五個方面的工作并與美國的計算分析結果進行對比分析，逐步完善為一套系統(tǒng)的分析體系。(1) 懸掛式玻璃鋼內筒的受力分析(2) 研究外力作用下，懸掛式玻璃鋼內筒與鋼筋混凝土外筒壁間的相互作用(3) 懸掛式玻璃鋼內筒懸掛點的研究分析(4) 止晃裝置的研究分析(5) 膨脹節(jié)處玻璃鋼內筒變形分析玻璃鋼內筒的制作和起吊安裝、質量檢驗及工程驗收質量控制是玻璃鋼內筒煙囪質量形成的過程。雖然在美國、歐洲和日本等

13、國有大量的工程實踐，但國內還沒有工程和管理經(jīng)驗。在學習和吸收美國工程管理施工技術經(jīng)驗的基礎上，制定并完善一套技術實施與管控體系。神華某2x600MW電廠根據(jù)濕煙囪防腐發(fā)展趨勢，并結合上述研究課題，計劃采用玻璃鋼內筒煙囪，鑒于我國對濕法脫硫后煙囪的腐蝕條件和玻璃鋼內筒煙囪技術體系認識不足等狀況，制定了全面引進和消化吸收美國工程經(jīng)驗的技術策略，利用國內、外制作和安裝及檢測設備，尋找一種有效的、經(jīng)濟的、安全的火力發(fā)電廠濕煙囪防腐技術方案。隨后將進行建設的神華集團電廠則采用玻璃鋼內筒和鈦板等兩種技術方案并列，待玻璃鋼煙囪防腐技術逐漸成熟后，最終確定。我們相信，通過大家的共同努力，玻璃鋼（FRP）煙囪將會在國內火力發(fā)電廠中得到普遍應用。參考文獻【1】牛春良煙氣腐蝕與煙囪防腐蝕設計特種結構 2008年6月 第25卷第2期【2】煙囪設計規(guī)范GB50051-2002【3】火力發(fā)電廠土建結構設計技術規(guī)定DL5022-93【4】美國電力研究院（EPRI）濕煙囪設計導則【5】 張大厚. 火力發(fā)電廠煙囪防腐存在的問題及建議J. 高科技與產(chǎn)業(yè)化, 2009, (1)【6】 左萍梅. 電廠煙囪結構選型J. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟, 2007, 17(21)【7】李