玻璃钢烟囱在燃煤发电厂烟囱中的应用

    燃煤电厂烟气排放污染问题逐渐被人们所关心和重视。为满足国家环保法规，同时降低工程成本，各大发电公司普遍采用的湿法脱硫(FGD)不加装烟气加热系统(GGH)工艺。加装FGD且不上GGH，排入烟囱的烟气温度在50℃左右，湿烟气在烟囱内结露形成冷凝酸液，对烟囱的腐蚀性大大加强。为了解决湿烟囱的防腐问题，必须寻求一种耐酸防腐、满足结构要求、同时又经济适用的烟囱型式，玻璃钢烟囱为我们提供了一种较好的选择。
　　玻璃钢(Fiberglass Reinforced Plastic)，玻璃纤维增强塑料（FRP或GRP），是由高强度的玻璃纤维和树脂复合而成的新型复合材料，玻璃纤维提供FRP的强度和刚性，树脂提供FRP的耐化学性和韧性。玻璃钢集中了玻璃纤维和合成树脂的特性，具有质量轻、强度高、耐化学腐蚀、绝缘隔热、耐瞬时高温烧蚀、强度和形状可设计性强等优点。成型后的玻璃钢结构层抗拉强度与普通钢材相当，但其容重仅为钢材的1/4~1/5。由整体缠绕成型工艺生产的玻璃钢排烟筒能够自承重，具备比耐硫酸露点钢更加优异耐酸防腐性能，可以取消保温层，特别适合燃煤电厂脱硫不加GGH的湿烟囱运行条件。

1 国外玻璃钢烟囱的应用概况
　　国外玻璃钢烟囱在电力行业的应用始于FGD开始应用的20世纪70年代。截止到2003年，FRP烟囱在美国的电厂烟囱工程中已经占到10%。
　　早在1977年，美国 East Kentucky Power Cooperative 公司即在其 Spurlock 电站305MW的1号机组烟囱内部使用FRP内衬（高度802ft./245m，直径15.5ft./4.73m，烟气含硫量1.4%），至今仍在安全使用。
　　文献报道的美国的最新的FRP烟囱应用是2007年完成脱硫改造的P4电厂(Pleasant Prairie Power Plant)在实施环保改造工程中表现突出，被选入2007年的“TOP PLANTS”。P4电厂建于20世纪80年代中早期，装机容量2×617MW，燃用Powder River Basin煤。2号机组在2003年进行了SCR改造。现又对1号机组进行SCR改造，为两台机组加装了FGD系统，工程于2007年完成。在脱硫改造中，新建一座双内筒套筒烟囱，每台炉引入一座排烟筒。新建烟囱由Pullman Power公司设计。外筒为钢筋混凝土结构，高131.064m，直径20.599m。外筒采用滑模施工（滑模速度平均1英尺/小时）。两个内筒为FRP结构，内筒直径为8.1m。FRP筒壁树脂采用Hetron FR992。内筒现场缠绕和安装，制作时每根内筒分为12段，每段9.144m。烟囱内部结构见图1。
　　据Dow化学公司的资料，FRP烟囱也在欧洲大量应用。英国Eggborough Power Station于2002年为其2台500MW机组加装湿法FGD装置，同时在混凝土烟囱内安装了两个184m的FRP内筒。德国于2001年9月建成的Kraftwerk Simmering电站，采用高度200m、直径4.8m的FRP烟囱。另外，德国还在全世界率先采用烟塔合一技术，使用FRP制造直径达7m~10m排烟管道。捷克125MW的Vresova电厂建于1967年，2000年7月签约加装湿法FGD时的方案，烟囱则为钢结构支撑的FRP烟囱。
　　在日本，关西电力南港发电厂的800MW机组采用3个FRP内筒的烟囱，FRP内筒直径5.3m，高度200m。见图2。
　　国外经常多年的研究和工程应用，已经形成了FRP烟囱或管道结构设计、制造和施工方面的标准，如美国的ASTM D 5364、ASTM RTP-1和英国的BS4994等。
2 国内FRP烟囱的研究和应用情况
　　我国对玻璃钢的研究和应用是从1958年开始的，最初FRP结构主要用在航天、造船等行业，后来逐渐应用于化工、汽车、医药和土木工程领域。FRP在土木工程方面的应用主要集中于结构加固、预应力筋和桥梁。从20世纪70年代开始，我国化工、冶金行业有关单位开始玻璃钢烟囱的研究和应用。
　　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：Φ2820×40，000mm，上口Φ1200mm，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。1975年，冶金部建筑研究总院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，烟囱使用条件为：F-含量30~50mg/m3，H2O含量2~3%，SO2含量0.2~0.5%，SO3含量0.01~0.05%，烟气温度70~80℃，最高120~140℃。
　　哈尔滨玻璃钢研究所从上个世纪80年代初期开始从事玻璃钢烟囱的研制，近20年来为我国的化工、化纤、冶金等行业研制了多个玻璃钢烟囱，如核工业部404厂的酸解罐烟囱、东北轻合金加工厂的Φ500×36000烟囱等。
　　2006年5月，亚洲首个烟塔台一工程用大型玻璃钢烟道在北京高碑店华能热电厂吊装。所用玻璃钢管道最大直径7m，长240m。管道制造采用DOW化学的乙烯基酯树脂，重庆ECR耐酸玻纤直接缠绕纱与单向布。管道制造摒弃了传统的螺旋缠绕（因用此法制造的管两端过渡段缠绕角大、轴向强度不够），而是采用单向布提供轴向强度，径向强度仍采用环向缠绕。因管径大，以立式与卧式缠绕机2台现场制造。管道由德国GEA公司提出要求，中方设计制造。
　　2006年12月27日，由北京国电华北电力工程有限公司设计、河北冀州市中意复合材料有限公司制造，具有自主知识产权的国内第一个烟塔合一项目──国华三河发电厂二期工程烟塔合一排烟冷却塔玻璃钢烟道，在河北三河吊装成功。河北三河电厂采用的大型排烟冷却塔玻璃钢烟道全长236米，直径5.2米，最大跨度48米，由冀州市中意复合材料有限公司制造，所用树脂为亚什兰公司乙烯基酯树脂，增强材料为重庆国际复合材料有限公司生产的国家重点新产品ECR环保高性能无氟无硼无碱玻璃纤维。该项目由武汉理工大学承担玻璃钢烟道检验及检测。
　　2007年，北京国电华北电力工程有限公司为华能辛店电厂二期机组脱硫改造工程设计了一座玻璃钢内筒套筒烟囱，该烟囱FRP内筒由中国京冶建设工程承包公司现场缠绕制造和安装。烟囱外筒为钢筋混凝土结构，高178m；内筒为玻璃钢结构，等内直径6.6m，顶标高180.0m。内筒分段支承于内外筒间的斜柱钢环梁钢结构平台上。斜撑平台标高分别为35m、60m、85m、110m、135m、160m、175m，顶部平台采用压型钢板组合楼板封闭，其余各层钢平台均铺钢格栅板。竖向交通考虑在内外筒间设置环形钢梯。玻璃钢内筒主要构件的树脂采用ASHLAND公司DERAKANE 470HT-400耐高温环氧乙烯基酯树脂，增强材料则根据需要和成型工艺采用重庆国家复合材料有限公司生产的ECR型玻璃纤维短切毡、单向布和缠绕纱。成型根据构件形状采用现场缠绕或糊制。FRP筒壁各层构成和要求为：（1）防腐蚀隔离层：DERAKANE 470HT-400环氧乙烯基酯树脂，MC(ECR)450-1040型短切毡3层糊制，总厚度不小于2.5mm。防腐隔离层内侧应采用碳纤维毡和导静电剂设置不小于0.25mm厚的静电释放层。防腐层中还应添加非卤素类阻燃剂，要求氧指数达到30%。（2）结构层：DERAKANE 470HT-400环氧乙烯基酯树脂，增强材料为DW(ECR)430-630单向布、ECR469L-2400缠绕纱，总厚度不小于16mm。制作时采用轴向单向布和环向缠绕纱交替布置的方式进行。结构层中玻璃纤维含量按重量计应在55%~70%之间。（3）外保护层：DERAKANE 470HT-400环氧乙烯基酯树脂，增强材料为MC(ECR)450-1040型短切毡1层，厚度约0.3~0.8mm。2007年6月，在施工过程中由于施工分包商不慎引发火灾，导致内筒损毁。3 FRP烟囱应用中的几个问题讨论
3.1 FRP烟囱的造价问题
　　根据国内外的玻璃钢烟道、罐体工程经验，呋喃树脂玻璃钢整体排烟筒的综合工程造价是钛合金复合钢板的60%左右，但比砌筑耐酸砖排烟筒高出16%左右。
　　华能高碑店热电厂“烟塔合一”工程中的大口径(Φ6.5m)玻璃钢烟道造价高达15~20万元/m。主要原因是这个“烟塔合一”项目从设计到工程安装由德国GEA公司总包，包括塔芯淋水材料和烟道都由GEA供货。在国内也有企业具有生产大口径玻璃钢烟道的能力，这些企业生产的直径Φ6.0m的玻璃钢烟道的工程造价大约5.0万元/m。
　　华能辛店电厂二期烟囱Φ6.6m玻璃钢内筒工程造价约1000万，约合5.6万元/m，换算为体积单价为13.4万元/m3。该FRP内筒采用分段自立式，壁厚20mm（结构层大于16mm）。由表1中美国的工程实例，他们的FRP烟囱壁厚一般在0.46~0.67in./12~17mm。若在FRP连接时加强烟囱纵向的强度，将FRP内筒改为悬挂式，可以将FRP壁厚优化到10~12mm，将可以较大程度上降低工程造价。
　　以当前湿烟囱常用的防腐方式来和FRP烟囱作个比较，比较结果见表2。由表2可知，现在FRP烟囱的工程造价与普通钢内筒烟囱相当，甚至比现在大多数工程采用的自立式钢内筒价格还要便宜。另外，需要注意的是，表2中用来对比的钢内筒筒壁材料按普通钢板考虑，而国内目前投产的钢烟囱，筒壁材料多采用耐硫酸露点钢，因此其造价还要高。
　　如果从工程结构的全寿命来考虑，FRP烟囱的总造价可能更有竞争力，因为FRP材料耐化学性能十分优秀，后期维护工作量很小。
　　目前FRP烟囱造价偏高一个主要原因是合成树脂材料主要靠进口。据报道，我国不饱和聚酷树脂与环氧树脂已是世界上最大的生产国与消费国。2006年我国不饱和聚酩树脂逾110万t，同比增长10%，环氧树脂增长11%。美国2005年树脂基复合材料达326万t，占全球的40%。预计我国玻璃钢/复合材料产量将在“十一五”末期超过美国。随着我国FRP产业的高速发展和合成树脂质量的提高，FRP烟囱的工程造价将大幅度降低。碳纤维布加固从最初的2000元/m2降到目前的500元/m2，其成本变化就是一个最好的例证。
3.2 FRP材料的老化问题
　　一般FRP材料在长期使用过程中会出现光泽减退、颜色变化、树脂脱落、纤维裸露、分层等老化现象，FRP的结构性能可下降20~50%。FRP材料在军工、航天、造船等行业应用广泛，为了了解各种树脂材料的耐老化性能，国内外进行了大量的FRP长期曝露或加速老化试验，对FRP材料的老化规律已经有了一定的认识。
　　玻璃钢烟囱多作为套筒烟囱的内筒，除筒首外受日光和大气的影响较小，另外，玻璃钢烟囱主要用于脱硫后的湿烟囱，处于潮湿和酸性环境。针对FRP烟囱的使用环境，FRP烟囱树脂优先选用环氧树脂或改性的环氧树脂，增强材料选用耐酸耐水性能优异的E-CR型玻璃。
　　在FRP烟囱设计时，可通过合理的铺层构造和在结构设计时考虑FRP性能随时间衰减的折减系数来确保FRP烟囱的耐久性。FRP长期性能的折减可参考BS 4994、ASTM D 5364等标准和厂家的试验资料。
3.3 FRP材料的耐温防火问题
　　FRP在低温下有优异的耐腐性能和结构性能，但随着温度的升高，其结构性能衰减很快。即使是热固性树脂，当使用温度超过其热变形温度(HDT)后，树脂的结构性能会发生很大的改变。一般玻璃钢不能在高温下长期使用，如聚酯玻璃钢在40~50℃以上，环氧玻璃钢在60℃以上强度就开始下降。ASTM规范适用的温度范围为正常运行温度不高于93℃、短时异常高温不高于121℃。文献对耐温性能较好的乙烯基酯不饱和聚酯玻璃钢最高设计温度为120℃。在设计中，当环境温度可能超出常规适用范围时，应选用耐高温的树脂材料，如固化后的DERAKANE 470-300环氧乙烯基酯树脂浇铸体热变形温度HDT为150℃，而DERAKANE 470HT-400的HDT可以达到180℃。由于FRP材料性能的变异性，每个工程只有在成型后才有确定的参数，因此，应采用与FRP筒身等条件下的试件进行高温性能测试，并据此对FRP烟囱进行核算。华能辛店电厂采用的DERAKANE 470HT-400环氧乙烯基酯树脂缠绕制作的FRP铺层典型的高温性能曲线见。
　　在一定的条件下，聚合物都是可燃的。国内外对聚合物的燃烧和阻燃技术进行了大量的研究。不同的树脂FRP可燃性不同。通常通过用氧指数（在规定的试验条件下，在氮、氧混合气流中，刚好维持试样燃烧所需的最低氧浓度）来衡量聚合物燃烧的难易程度。如不饱和聚酯的氧指数为19.5%~21.5%，环氧树脂的氧指数大约为20%~21%，酚醛树脂的阻燃性能要好于不饱和聚酯和环氧树脂。FRP烟囱设计时可提出氧指数要求，当FRP不能满足要求时可通过添加阻燃剂等方法来解决。
4 结语
　　烟气脱硫，发展清洁能源是大势所趋。玻璃钢复合材料具有天然的低温防腐优势，十分适合燃煤电厂脱硫后的湿烟囱采用。在美国玻璃钢排烟筒占有10~15%的市场率，已有30多年的应用经验，国内对FRP结构的设计、加工和制作方面也积累了丰富的经验，完全能满足FRP烟囱的设计和施工需要。相信随着大家对FRP材料认识的深入和不断的探索实践，FRP烟囱必将物尽其用，为燃煤电厂湿烟囱设计思路的拓展、为我国电力行业清洁能源的发展发挥应有的作用。