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1 贾军刚1 王金兴2

1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司,中国 太原,030001)

2.太原市奥爱姆烟囱材料有限公司,中国 太原,030001)

Analysis of single tube chimney design Based on wet desulphurization

Chai Jun1 Jia Jungang1 Wang Jinxing2

1.China Energy Engineering Group Shanxi Electric Power Engineering Co.,Ltd,Taiyuan,030001,China

2.Taiyuan OM Material Co.,LtdTaiyuan030001China

[ ]本文讨论了近年来单筒烟囱运行中出现渗漏的原因,针对种燃煤火力发电厂湿法脱硫后的单筒烟囱筒身构造进行了深入剖析,通过计算分析,并针对单筒烟囱设计施工中存在的薄弱环节,给出了适用于该工况下的新型筒身构造,对后续的设计工作提供了积极的参考。

[关键词]单筒烟囱;保温隔热层;牛腿节点;排水;防水

中图分类号: 文献标识码:A

Abstractd on a new project of fossil-fired power plant in Shanxi Province as an example, the mountain site of ground foundation treatment are carried on in-depth analysis, and Combining with the actual situation and construction requirements

Key wordssingle tube chimney;thermal insulation; bracket nodedrainage; water proof


0 引言

单筒式钢筋混凝土烟囱依其内部构造设置不同可分为砌筑内衬筒身、粘贴泡沫玻璃砖筒身以及整体浇注料筒身。筒身构造横向大都由承重结构钢筋混凝土筒壁、保温隔热层及内衬层组成。而纵向则由牛腿(钢筋混凝土悬臂承重结构,沿烟囱高度约10~15m设置一级)承担着烟囱的垂直膨胀以及内衬层和保温隔热层的重量。

我国近50多年的火力发电厂建设发展过程中,单筒式钢筋混凝土烟囱一直被广泛应用。其运行条件先后经历了***初的高温干烟气到上世纪70年代期间水沫除尘并低级脱硫条件下的潮湿烟气(冬季北方为湿烟气条件),再到80年代中后期电除尘采用后的高温干烟气,以及本世纪初湿法脱硫技术采用后的低温50℃)湿烟气条件。单筒式钢筋混凝土烟囱的应用范围仍十分广泛。其中,亦不乏旧有单筒式钢筋混凝土烟囱出现渗漏后进行“湿法改造”。

湿烟气条件下,烟囱内部温度大大降低,而湿度大大增加,每小时产生约数吨冷凝水。笔者经对部分湿法脱硫电厂的烟囱冷凝水取样分析可知:

1、烟气冷凝水的酸浓度普遍较低。为稀酸溶液。

2、烟气冷凝水PH值普遍较低,属强酸范畴。

3、结合岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)[1]12.2.1中相关内容,依取样溶液中的硫酸盐含量以及环境类型进行区分,取样冷凝水均属于弱腐蚀等级。

4、湿烟气环境下,单筒式烟囱的防腐已逐渐弱化,日益突出的是烟囱筒壁的防渗问题。从设计角度,应针对筒壁防渗行针对性的构造改进。

1 烟囱冷凝水取样分析

序号

电厂名称

检验值(%

PH

腐蚀等级

1

山西神头二电厂

0.210

1.4

2

山西太原一电厂

0.046

2

3

山西河津电厂

0.200

1.4

4

山东邹平四电厂

0.280

1.2

5

山东邹平三电3#

0.120

1.6

6

山东邹平三电4#

0.070

1.8

7

山西国锦煤电

0.240

1.3

8

山东恒台汇丰石化

0.062

1.9

9

山西河津铝业热电

0.058

1.9

10

新疆东方铝业1#

0.091

1.7

11

山西大同一热二期

0.082

1.8

:表中腐蚀等级中环境类别按II类选取。

1 单筒式烟囱选型比选

1.1 砌筑内衬筒身

砌筑内衬多采用耐酸胶泥砌筑耐酸砖实施。但由于现阶段火电工程施工工期的压缩,加之施工队伍素质的参差不齐和质检过程的不严格,砌筑内衬砌体的横、竖灰缝(尤其是竖缝)不易饱满,造成砌体的气密性不好;且现阶段大多烟囱均处于正压运行,腐蚀性湿烟气容易透过内衬和保温隔热层在混凝土筒壁内侧冷凝结露,并不断在保温隔热层处积聚大量酸液,严重腐蚀烟囱混凝土外壁。特别是冬季,时有结冰现象发生,对混凝土筒壁有冻胀作用。此时,保温隔热材料也极易受潮而降低隔热效果,从而增大了钢筋混凝土筒壁的温度应力,促使了筒壁裂缝的开展。

1.2 粘贴泡沫玻璃砖筒身

粘贴泡沫玻璃砖筒身采用泡沫玻璃砖直接粘贴于钢筋混凝土筒壁内侧。从而取消了传统的保温隔热层。从材料来源上,大致可区分为国产泡沫玻璃砖和进口泡沫玻璃砖。宾高德是进口泡沫玻璃砖的主要代表,以泡沫硼硅玻璃结合人造橡胶技术形成防腐衬里,通过宾高德专用胶粘贴于钢筋混凝土筒壁内侧,从而形成防腐体系。具有耐酸腐蚀、绝热、耐高温、低热膨胀系数等优点;该体系在国内外有着不少成功运行业绩。但该体系材料价格颇高,为业主选材带来困惑。相比之下,国产泡沫玻璃砖则较为经济,但应用时间不长,部分技术参数尚未形成稳定品质,尤其是基底粘接胶,时有脱落、开胶现象出现。

1.3 整体浇注料筒身

整体浇注料筒身是一种采用耐酸轻质整体浇筑料作为内衬的做法,使其与烟囱外筒身形成一体,既可保温隔热,同时兼作外筒的保护层。内衬层与保温隔热层合二为一。但随着近年来湿法脱硫工艺的采用,逐渐凸显的防水问题对整体浇注料内衬提出了新的要求,目前看来,在正压湿烟气作用下,自身裂缝较多的整体浇注料内衬较难阻挡湿烟气的侵蚀,***终形成渗漏。虽然防水型浇注料的研制工作已经取得进展,但***终得到可靠的运行业绩还尚需时日。

1.4 小结

烟囱选型,一直以来都是业界讨论的焦点,尤其是在实行湿法脱硫工艺以后。根据前几年湿法脱硫后火电厂运行过程中单筒式钢筋混凝土烟囱出现较多渗漏情形,一些业内人士对传统单筒式钢筋混凝土烟囱的继续设计使用提出了质疑,并在《烟囱设计规范》(GB 50051-2013)[2]中表11.2.1给出了湿烟气环境下,单筒式钢筋混凝土烟囱为“不应采用的方案”的建议;以及潮湿烟气环境下(设置GGH),单筒式钢筋混凝土烟囱为“不宜采用的方案”。但笔者认为单筒式钢筋混凝土烟囱,在历经数十年的运行考验下,充分体现了混凝土在耐久性以及经济等方面的优势。目前,烟气工况有所改变,但作为一种简捷且久经实践检验一劳永逸的结构形式在进行相关构造优化设计以及细致的质量监控后,依然可以在现今火力发电厂湿法脱硫后烟囱设计中发挥其优势。

2 单筒式烟囱构造优化讨论

2.1 保温隔热层

在湿法脱硫后的低温环境中,保温隔热层的存在意义大不如前,反而很可能会成为渗漏的隐患[3]。原因如下:

首先,由于现阶段大多烟囱均处于正压运行,腐蚀性烟气很容易透过内衬和隔热层在混凝土筒壁内侧冷凝结露,并不断在隔热层不密实处积聚,形成酸液槽,严重腐蚀烟囱混凝土外壁。

其次,保温隔热层的存在,使得在施工中多种材料的运输、保管工序复杂化,进而增加了业主的投入费用。

再次,保温隔热材料的多具易燃性,对于施工安全的保证是一个较大的隐患。

再有,对于面积庞大,且多为高空作业的保温隔热层施工质量控制很难。

2.2 内衬层

内衬层分为砌筑内衬和浇筑内衬。对于浇筑内衬层,其主要材料多为整体浇筑料,但浇注内衬层成形后强度较低,且容易开裂形成裂缝,业界已很少采用。砌筑内衬为现阶段内衬采用的主要形式。而砌筑内衬对于现阶段的“湿烟气”工况,有着如下隐患:

首先,常规砌筑内衬砌体的横、竖灰缝(尤其是竖缝)不易饱满,造成砌体的气密性不好。

其次,内衬层以及保温隔热层面积庞大、高空作业,且多为相互交叉作业,施工质量控制难度较大。

另外,砌筑内衬以往承担着承受烟气冲刷,抵抗机械与化学腐蚀的功能,而现阶段砂浆类材料以及玻璃钢类材料的抗烟气冲刷能力已大大提高,可以满足烟囱运行时烟气的物理冲刷。即便运行后有少量磨损,也可以在大修(通常为45天)期间维护恢复。简便易行,时间充裕。

2.3 牛腿

牛腿作为承载以及吸收内衬层竖向膨胀的关键部位,在保温隔热层以及砌筑内衬层取消的背景下,其有效作用逐渐弱化,同时也成为渗漏的多发部位。原因如下:

首先,常规牛腿节点做法对于上下两段内衬的连接处,仅用耐酸胶泥封堵,对于冷热交替频繁的牛腿部位,在正常垂直缩胀过程中,应力集中,极易引起防腐层(耐酸胶泥斜坡)应力开裂而形成渗漏通道。

其次,牛腿作为突出筒壁的异性节点对于运行中的烟气也产生了不可避免的阻碍。

再次,牛腿处构造多复杂,且目前没有很有效的做法。

2.4 小结

综上所述,传统保温隔热层、砌筑内衬层以及牛腿的存在已显保守,并会对现阶段“湿烟囱”的防腐抗渗呈负面影响,建议取消。取消的同时应注意以下几点:

首先,混凝土筒身保护层厚度增大40mm。

其次,混凝土抗渗等级不低于P6。

再次,防腐抗渗隔离层施工前应做好基层处理。包括:

1、保证承重结构钢筋混凝土筒壁的强度达到100%。

2、筒壁施工缝、模板对拉螺栓孔封严。

3、模板脱模后筒壁残留的脱模剂应清除干净。

4、施工缝应加设止水条。

5、对模板接缝处的不平整部分打磨平整。

6、用高压水冲洗打磨后的筒壁。清洗干净后用水泥砂浆进行抹面找平。

***后,在筒壁内表面平整度检验合格后,实施防腐抗渗隔离层。承担防腐抗渗功能的材料若为无机砂浆,则在无机砂浆内掺纤维以约束砂浆表面的裂缝开展;承担防腐抗渗的材料若为有机玻璃钢,则每层实施的时间间隔不宜过短,亦不宜过长,一般控制为4~12h。分段施工时,应控制好搭接长度,以保证整体实施效果。防腐抗渗隔离层总厚度约1.2~1.5mm厚。实施完毕后,亦应仔细检验保证施工质量。

2.1 常规筒身构造

2.2 新型筒身构造

3 数模分析对比

为验证优化后筒身构造的可行性,本文选取业界较为担心的冬季(-40℃),且设置烟气温度为脱硫设施的耐受上限温度(90℃)应用热工计算原理对优化后的新型筒身水平裂缝、竖向裂缝、迎风面竖向钢筋应力、背风面混凝土竖向压应力以及环向钢筋应力等指标进行了对比分析(下表3.1~3.5),并针对目前单筒式烟囱的几种型式就筒壁水平裂缝宽度进行了横向对比(下图3.1),数据显示,取消保温隔热层、砌筑内衬层以及牛腿前后,烟囱的结构层也即钢筋混凝土筒壁的各项指标并没有明显变化,满足相关规范及使用功能要求。

3.1 筒壁水平裂缝宽度

不同高度均120m数值单位mm

温度(℃)

高度(m

-10℃

-20℃

-30℃

-40℃

允  许

180

0.106

0.127

0.171

0.191

0.2

210

0.127

0.147

0.189

0.198

0.2

240

0.118

0.144

0.192

0.198

0.2

3.2 筒壁竖向裂缝宽度

不同高度均120m数值单位mm