烟囱脱硫内筒壁防腐蚀材料性能分析

 1. 国内套筒湿烟囱内壁防腐蚀案例简要分析
　　由于国内对火电烟气进行湿法脱硫除尘的时间较短，套筒湿烟囱的案例较少，加上其它种种原因的影响，关于套筒湿烟囱方面的实际资料不够完整。本文仅就国内已采用的几种套筒湿烟囱：钢烟囱内壁复合钛合金、耐酸胶泥砌筑耐酸砖内筒、钢烟囱内壁粘贴泡沫玻璃的防腐蚀性能、施工安装性能以及造价情况进行简要分析，参见表1所示。
    2. 玻璃钢烟囱的应用技术介绍
　　2.1 冷轧厂用玻璃钢烟囱简介
    在钢铁行业的冷轧厂，由于需要将热轧钢板放入浓度约25%左右、温度85℃左右的盐酸或者硫酸中进行酸洗作业，以彻底清除钢板表面的铁锈等杂质，从而制造出接近于镜面光泽的冷轧钢板。因此，冷轧厂的酸洗车间内部酸雾缭绕，废气腐蚀非常严重。在1965年以前，我们都是为冷轧厂制作钢烟囱，然后进行内防腐，使用寿命一般为1年就需要进行维修。
    1965年，冶金部建筑研究总院（现中冶集团建筑研究总院）利用刚刚在我国出现的玻璃钢材料，为鞍山钢铁公司冷轧厂制作了一座玻璃钢烟囱，其基本尺寸为：Φ2,820×40,000mm，上口Φ1,200mm，自承重，无支撑，钢丝牵拉固定。使用条件为：硫酸含量0.65～0.75%，排气量为5～10×104m3/h，平时烟气温度为45℃，最高70℃，冬季外部温度-30℃。由于烟气温度较低，在烟囱内壁经常有大量的烟气冷凝成酸液流出。同时由于环境空气中含有较多的硫酸烟雾，烟囱外壁也经常有酸液形成。
    该烟囱于1965年12月1日安装就位后，立即投入实际使用。直到1976年鞍钢冷轧厂酸洗车间进行扩产改造，原有的玻璃钢烟囱排气量不能达到实际需要，该玻璃钢烟囱才被拆除，此时已安全使用达11年之久[10]。
    2.2 铜冶炼厂玻璃钢烟囱简介
    有色冶金工厂是我们冶金行业腐蚀最严重的。对于铜冶炼厂来说，严重的腐蚀主要来源于两个方面：第一：铜矿均伴生着硫化物，因此，铜冶炼厂均副产硫酸。硫酸回收工段是冶炼厂腐蚀最严重的区域之一；第二，铜电解车间。是将温度为85℃左右的硫酸铜，在高压电的作用下，利用电场的作用而变成高纯度的电解铜，由于温度的作用，电解车间也会产生大量的硫酸酸雾。
    沈阳冶炼厂制酸尾气的化学成分为：F-：30～50mg/m3，H2O：2～3%，SO2：0.2～0.5%，SO3：0.01～0.05%，烟气温度：70～80℃，最高120～140℃。
    原来的尾气烟囱直径2,200mm，高度40m，为8mm钢板内衬2布环氧树脂玻璃钢，1969年投入使用。间断使用两年后发现，烟囱内衬变黑发脆，钢板外壳腐蚀穿孔。
    我院于1975年采用当时新研制出来的高耐腐蚀性聚酯树脂，用整体缠绕法，为沈阳冶炼厂制作出一座新的玻璃钢烟囱，其尺寸为：Φ2500×102,000mm，钢筋混凝土框架支撑[11][12][13]。
    该烟囱安装就位后一直安全使用到1992年，因为沈阳冶炼厂进行扩建改造才被拆除。
   3. 当前火电烟囱防腐蚀方面存在的问题
　　据中国工程院院士柯伟所领导的中国腐蚀损失调查项目组于2002年得出的结果，2001年我国的腐蚀损失约5000亿元[14]，约占当面国民经济总量的5～6%！其中能源系统（电力、石油、煤炭）约170亿元。而如果采取适当的防腐蚀措施，大约25～30%的腐蚀损失是可以避免的[14]！对能源系统来说，如果采取适当的防腐蚀措施，就意味着每年有40亿以上的腐蚀损失可以避免，也就是说可以多出40亿以上的利润！
    但是，实际上防腐蚀问题一直未能得到很好的重视。仅就烟囱腐蚀问题来说，国内有众多的干排气烟囱腐蚀严重，某资料列举的16座有严重腐蚀问题的烟囱中[12]，有12座是电站干排气烟囱。目前，随着湿法脱硫装置的加装，烟气的腐蚀问题更为严重，如果不采取适当的防腐蚀措施，肯定会带来更为严重的烟囱腐蚀问题。
    4. 玻璃钢整体烟囱用做火电厂套筒湿烟囱内筒的可行性分析
　　4.1 综合性能分析
    由前面的资料介绍，可以很方便的推导出如下结论：玻璃钢整体烟囱完全可以用于当前的湿法脱硫除尘后的套筒湿烟囱。主要基于如下几点：
    （1）防腐蚀材料技术的不断进步。
    冶建总院早在1965年～1976年之间，在我国玻璃钢技术刚刚起步、技术人员还处于10年动乱阶段不能安心从事技术开发的条件下，所研制的玻璃钢烟囱，就能够在腐蚀性比现在的湿法脱硫后的烟气的腐蚀性严重得多的环境中，安全使用达15年之久而未见损坏，那么，在我院防腐蚀新材料不断进步的今天，完全有能力做好湿烟气用的玻璃钢烟囱。
    我院于1983年研制成功并不断进行技术改进的YJ系列呋喃树脂，其长期液态使用温度可达140℃，短期可达180℃，耐腐蚀性能则为：可耐30～40%的苯、40～50%的硫酸与15～18%的氢氧化钠在120～140℃的交替作用[15]。从材料的防腐蚀性能来说，用于FGD法脱硫后的烟气排放，其防腐蚀性能、耐温性能拥有巨大的裕量空间，完全可以放心使用。
    例如，吉林化学工业公司污水处理厂将YJ呋喃树脂用于污泥焚烧系统烟囱内壁防腐就取得了成功，到1994年时已经使用7年而烟囱内壁仍然完好，（以当时的价格计算）不仅节约资金20多万元，而且保证了整体设备的安全运行[16]。
    济南裕兴化工总厂酸解烟囱的使用环境条件为：正常工作温度70℃，瞬间180℃；工作压力为烟囱段常压，弯头段0.15MPa；工作介质为0.65%的硫酸型酸水、酸雾；设计风速25m/s，抗震烈度为7级。其树脂选择为：下部集气段及弯头部位腐蚀严重，温度较高，选用YJ呋喃树脂，上部温度较低，选用乙烯基酯树脂[17]。
    （2）玻璃钢结构设计技术的不断完善。
    玻璃钢作为一种在力学性能上的各向异性材料，在其出现初期，我们对它的各方面的特性还认识不足，在结构设计上要么留下了过大的裕量，造成浪费；要么刚度不足，导致各种问题的出现。但是，自从该材料于1958年在我国出现以来，经过近50年的不断研究、探索，我们对其性能已有近似完美的掌握，各类玻璃钢材料的结构设计、加工工艺设计，已不存在任何问题。
    在结构可设计性方面，玻璃钢材料与传统上的金属材料相比，拥有巨大的优势：玻璃钢的比抗拉强度高于优质合金钢，我们可以在其需要高强度的方向上，很方便地达到使用要求；玻璃钢的弱点在于刚度不足，但是，我们可以利用其结构可设计性，在刚度不足的部位或者方向上设计出加强筋、中空结构、变形结构等，来提高其整体刚度。
    例如，我国当前航天飞行器的头锥，均是采用碳纤维玻璃钢材料制造，在火箭升空时超过7.8km/s的极高速度飞行时，完全可以抵挡空气产生的超高气压而不产生破坏，可见我国当前的玻璃钢结构设计技术，对于FGD脱硫后的湿烟筒内筒设计来说，无任何困难。
    （3）玻璃钢制造技术方面的飞跃，为整体玻璃钢套筒的制造提供了保障。
    早在近40年前，冶建总院的技术人员就可利用手糊法制造出40m高的无支撑玻璃钢烟囱，并且安全使用11年而未见损坏。在近30年前，采用自制缠绕设备，生产出尺寸达Φ2500×102,000mm的整体玻璃钢烟囱，安全使用15年之久未见损坏。当前，我们在大型回转体玻璃钢构件的制作方面，均采用电脑控制的自动缠绕设备，加工手段出现了天壤之别。
    现在，我们的机械缠绕设备可加工管道的最大直径达15m，最大单根管道长度达12m，最大管道内压可达24MPa（最大尺寸、最高性能不能同时达到）。
    那么，在原材料的防腐蚀性能、耐温性能有着巨大性能裕量，设计技术完全可满足需要，加工制造技术用上电脑控制的今天，采用玻璃钢做套筒湿烟囱内筒，是完全不存在问题的。
    （4）现场安装技术问题。
    玻璃钢的抗拉强度决定于玻璃纤维，制造成玻璃钢后，沿纤维方向上的抗拉强度可达300MPa以上；玻璃钢的抗压强度决定于树脂，树脂固化后的抗压强度一般在80MPa以上。据我们以前的工程实践经验以及其他单位的工程经验，玻璃钢烟囱的自支撑高度可达40m左右[10]，而实际上，目前混凝土烟囱内部的牛腿间距，一般在20多米，因此，无论采取悬挂法或者是下支法安装玻璃钢烟囱内筒，在玻璃钢烟囱的抗拉强度、抗压强度方面，均不存在任何问题。
    对于玻璃钢烟囱的安装就位问题，我们一般是将玻璃钢制造成为10m左右的长度，采取普通钢管内筒的顶升或者提升方式，在将玻璃钢烟囱升至安装高度后，用树脂、玻璃纤维布带以及配套的接头，将两根玻璃钢管道连接起来，并通过混凝土烟囱的牛腿加以固定，随即进行下一节玻璃钢管的安装施工。
   （5）玻璃钢管道的特殊优点――内壁摩擦力极小，绝热性能好。
    我们制造出来的玻璃钢管道，由于采用特殊模具加工而成，使得玻璃钢管道的内壁极为光滑，表面粗糙率可低至0.008，其水流摩阻损失系数f为0.000915，较钢管（f=0.00179）能显著减少沿程的流体压力损失，提高输送能力20%以上。非常有利于高含水烟气的流动、排放。
    此外，玻璃钢材料的导热系数只有钢材的0.5%左右，在一定的程度上，可以降低保温费用。
    4.2 国内其他单位的玻璃钢烟囱应用业绩
    在国内，除了冶建总院于1965年研制出第一根玻璃钢烟囱并取良好的使用效果外，其他单位也在玻璃钢烟囱的研制、应用上有所作为，使用效果良好。
    例如：核工业部404厂的大型酸解罐烟囱、东北轻合金厂36m玻璃钢烟囱、济南裕兴化工厂24m酸解烟囱等，均取得了良好的经济效益和社会效益[17]。
    4.3 国外玻璃钢烟囱的应用情况
    在国外，早就有采用玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢，Fibers Reinforced Plastics）内筒[18]。例如，日本关西电力南港发电厂的烟囱内筒，即为玻璃钢材料制造，该内筒由内径5.3m，管段长度为11m，共计51根玻璃钢管段组装而成[19]。
    另据日本昭和高分子有限公司提供的内部资料介绍，1992年，由日本三井造船为泰国石油公司制造的电厂吸收塔、烟囱、PH控制槽等，均为玻璃钢材料制造。
    4.4 玻璃钢套筒湿烟囱与其他防腐蚀结构的经济比较
    国内外几种套筒湿烟囱的造价，参见表2。
    从上述国内、国外两方面的材料造价比较，我们可以很方便地得出如下结论：
    （1）玻璃钢整体套筒湿烟囱的造价，均只有钢－钛复合结构的60%以下；
    （2）玻璃钢整体套筒湿烟囱的造价，不高于砖内衬烟囱。
    由此，通过国内外两个方面的资料比较，可以看出，整体玻璃钢套筒湿烟囱，完全具有实际推广应用价值，可以为火电厂节约大约700万元～1000万元/座的基建费用，并且工程质量更有保证。
    5. 结论与建议
　　通过以上内容中关于国内、外不同套筒湿烟筒的防腐蚀性能、存在问题以及工程造价等方面得比较，笔者提出如下建议，供国内各电力设计院、火电厂在进行加装FGD装置时参考：
    整体玻璃钢套筒在防腐蚀性能、耐热性能方面，是完全可以满足套筒湿烟囱的长期运行要求的；
    整体玻璃钢套筒的设计、加工技术是成熟的，整体玻璃钢套筒的安装，与普通钢套筒没有本质上的区别；
    在加装FGD装置后的旧烟囱改造或者新建烟囱时，采用整体玻璃钢套筒，可为电厂节约巨额投资；