摘要:火电厂烟囱防腐脱硫烟气易在烟囱内结露形成腐蚀。介绍西宁电厂二期2×1 000 MW工程烟气脱硫湿烟囱防腐特点,说明各种可用于湿烟囱内壁防腐材料的性能及防腐蚀结构的形式,对其烟囱防腐方案的技术和经济特点进行比较,并得出目前可行的方案,可延长烟囱的使用寿命。
  西宁电厂二期工程2×1 000 MW超超临界燃煤发电机组,同步安装烟气石灰石湿法脱硫装置。不设烟气加热系统(GGH),可节约一次性投资约3 000万元,占地面积也小很多,布置也能得以优化。烟囱选用双管内筒方案,每炉设1个直径7.2 m排烟筒,内筒高度238 m,排放经湿法脱硫后的烟气。由于没有烟气加热器系统的加热,进入烟囱的烟气温度为40℃~50℃,烟囱内壁将产生严重的结露现象,因此必须对烟囱的防腐问题作进一步的分析研究。
  1 湿烟气的腐蚀机理及烟囱选型
  湿法脱硫工艺对烟气中的SO2的脱除效率很高,但对酸露点温度有重要影响并形成腐蚀性酸液主要成分的SO3的脱除效率不高,只有20%~30%左右。由于经湿法脱硫后的烟气湿度增加,温度降低,烟气极易在烟囱的内壁结露,烟气中残留的SO3溶解后将形成腐蚀性很强的稀硫酸液。低浓度稀硫酸液比高浓度稀硫酸液的腐蚀性更强。脱硫后的烟气对烟囱的腐蚀有以下特点:
  (1)湿法脱硫后的烟气湿度大,处于饱和状态的湿烟气含有的腐蚀性介质在烟气压力与湿度的双重作用下,对烟囱内侧结构密度差的材料产生腐蚀,影响结构的耐久性。酸液温度在40℃~80℃时,对烟囱结构材料的腐蚀性特别强,以钢材为例, 40℃~80℃时的腐蚀速度比其它温度时高出约3~8倍。
  (2)脱硫处理后的烟气中含有氟化氢和氯化物等强腐蚀性物质,形成腐蚀强度高、渗透性强且较难防范的低温高湿稀酸型腐蚀。
  从上述分析可知,在无GGH系统的情况下,烟囱内壁均存在酸结露状况。在此条件下,选用传统单筒钢筋砼烟囱及直排烟筒式钢筋砼烟囱已不合适。因为该形式的烟囱不能确保内衬及保温层的致密,内壁的酸液将沿着缝隙向烟囱外壁渗透,而外壁内侧的保护层通常由有机材料组成,无论是材料的使用寿命还是施工质量都不能保证在烟囱设计使用期内能有效阻隔酸液对外壁的腐蚀。此外,酸液对外壁产生的腐蚀一般情况下很难发现和检测,对烟囱的安全运行是致命的隐患。
  因此,西宁电厂二期三期工程烟囱的首选方案是排烟筒与承重筒分开布置的套筒(多管)式烟囱,避免了烟气对承重筒的腐蚀。针对工程实际情况,考虑运行过程中检修维护及运行安全可靠性的要求,采用1台锅炉设置1个排烟筒的方案,即选用双管套筒式烟囱。
  2 烟囱内筒及防腐材料的选择
  2.1 烟囱内筒材质
  国内的烟囱钢内筒钢板绝大多数采用耐硫酸露点钢。耐硫酸露点钢是一种既耐硫酸露点腐蚀又耐大气腐蚀的钢种。钢中主要含Mn、Cu、Cr、Sb等抗硫酸露点腐蚀的合金元素,而Cu、Cr又是两个最主要的抗大气腐蚀的元素,其力学性能与Q345钢接近,较Q235钢要高。采用耐硫酸露点钢可有效减小壁厚。以北仑电厂一、二期工程为例,北仑电厂一期工程烟囱钢内筒采用Q235钢,底部壁厚为22 mm,北仑电厂二期工程烟囱钢内筒采用耐硫酸露点钢,底部壁厚为16 mm。西宁电厂二期工程也采用耐硫酸露点钢,底部壁厚为16 mm。
  图1为某钢厂对其生产的耐硫酸露点腐蚀钢NS1-2及其它不同钢种进行各种硫酸浓度、温度下的快速试验曲线。
 
  2. 2烟囱内筒运行工况
  西宁电厂烟囱排放的是经湿法脱硫后的烟气，根据其它工程的经验，有大量结露的酸液沿筒壁流淌，酸液的PH值在2~3之间，腐蚀性很强。
  此外，烟囱设计时还应考虑脱硫旁路，排放末经脱硫的烟气。此时，进入烟囱的烟气温度在130℃左右。如考虑短时锅炉事故状态的烟气排放，则烟温在180℃左右。实际上烟囱的运行工况要考虑脱硫运行(不上GGH)、脱硫旁路、短时锅炉事故等几种状态,烟囱内衬是在干———潮湿———浸水工况下交替变化,这与脱硫系统不设旁路、烟囱通常是在单工况下运行有很大区别,因此对烟囱内衬防腐材料提出了更高的要求。
  内筒烟囱防腐材料选择时除了应考虑主要运行工况条件外,还须适应烟囱的其它运行工况,以及工况变化时温度交替变化对内衬材料防腐性能的影响。由于烟囱的检修维护条件较差,不同于水平烟道,因此排烟内筒的防腐措施也应比一般水平烟道更高。
  2.3烟囱防腐方案的比较
  根据北仑发电厂三期烟囱运行条件,综合国内外烟囱防腐技术,内筒防腐措施可有:钢内筒内侧衬Henkel防腐玻璃砖;钢内筒内侧衬防腐泡沫玻化陶瓷砖;玻璃钢内筒;复合钢钛板内筒4种方案。
  经计算,采用这4种方案的工程量和造价比较见表1。

  (1)衬Henkel防腐玻璃砖。据有关资料介绍, Henkel防腐玻璃砖耐酸腐蚀,耐各种浓缩酸(除氢氟酸)和包括氯化物在内的废气冷凝液。耐高温,可以持续承受204℃以下温度,也可以短时承受371℃高温。低热膨胀系数,当脱硫旁路、在剧烈的再加热过程中,或由于空气预热器失灵等造成烟温突变时,都不会受到损伤。但国内未见成功应用的经验。
  (2)衬防腐泡沫玻化陶瓷砖。防腐泡沫玻化陶瓷砖能长期抗酸,耐各种浓缩酸,也能耐浓度<0.3%的氢氟酸及包括氯化物在内的废气冷凝液,适用于湿法脱硫工况(设GGH与不设GGH)运行条件。对烟气温度变化适应能力强。可适用于200℃~450℃的温度,尤其在高温交叉变化情况下,可以适应湿干交替环境。
  (3)玻璃钢内筒。玻璃钢材料耐温性能为一般情况下耐受93℃、极限耐受121℃。具有更宽范围的耐腐蚀性能;因玻璃钢传热慢而保温性好,不需要设隔热层;使用寿命更长;比重小。
  (4)复合钛板钢内筒。在温度25~100℃情况下,小于50%的硫酸、小于20%的氟硼酸、小于10%氟硅酸、极低浓度的氢氟酸都对钛及钛合金有腐蚀。烟气脱硫以后对钛及钛合金腐蚀机理和年腐蚀率缺乏详细的数据。根据以上技术性能与经济性的比较,烟囱设计综合分析如下:
  方案1:钢内筒内侧衬Henkel防腐玻璃砖,总投资在4个方案中适中,施工技术简便,质量较易控制,检修维护方便,国外有20多年应用经验。对国内实际存在的脱硫工况交替变化运行的适应能力较强。可作为本工程烟囱钢内筒内侧防腐的可选方案之一。
  方案2:钢内筒内侧衬防腐泡沫玻化陶瓷砖,投资较低,防腐性能与方案1相当,性价比优越。综合考虑工程投资,推荐选用方案2。
  方案3:玻璃钢内筒,投资较高,耐腐蚀性能好,对高温性能影响敏感,在脱硫系统设有旁路情况时不宜选用。
  方案4:复合钛板钢内筒,在各方案中投资最高,在脱硫系统设有旁路时,旁路投运将会影响其耐腐蚀性能,故不推荐采用。
  3 结语
  根据上述技术及经济的分析比较,采用钢内筒内侧衬防腐泡沫玻化陶瓷砖在性价比上有优势,故西宁电厂二期工程烟囱防腐选用此方案。随着新工艺、新材料、新技术的采用,对于湿法烟气脱硫烟囱防腐研究还需不断总结经验,完善措施,使烟囱能满足各种工况要求并达到设计寿命。