玻璃钢（FRP）烟囱在火电厂的应用研究

1、.玻璃钢（FRP）烟囱在火电厂的应用研究李飒岩，韩晶神华国华（北京）电力研究院有限公司结构技术部 （100069）: - 5 -【摘 要】：本文通过回顾湿烟囱防腐各种技术方案的工程经验，针对国外成功运行30年的玻璃钢（FRP）烟囱防腐技术，从全过程的角度剖析了玻璃钢防腐方案的技术难点，从工程建设技术控制角度提出了应对策略和建议。【关键词】：火电厂 湿烟囱 防腐 玻璃钢 FRP1 前言火电厂以燃煤为主，燃烧过程排放出各类大气污染物，如粉尘、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）等，其中二氧化硫（SO2）的排放是电厂环保重点控制项目之一。燃煤火电厂的烟气脱硫（简称“FGD”）系统是控制二氧化硫排放

2、的主要措施。其中石灰石石膏湿法脱硫（WFGD）是当今世界各国应用最多的工艺。国内火力发电厂燃煤机组安装的烟气脱硫装置（FGD）中，85%以上使用的是石灰石石膏湿法脱硫（WFGD）工艺。石灰石石膏湿法脱硫（WFGD）系统一般分为有无烟气换热器（GGH）两类技术，其中采用无GGH的情况较多。从2009年规划院对全国湿烟囱防腐状况调查结果看，无GGH的湿法脱硫烟囱腐蚀发生概率大，腐蚀后果也更严重。湿法脱硫（WFGD）的烟道系统，也分为有否设旁路烟道两种技术方案，近期拟建火电项目大多采用了无旁路烟道技术。当WFGD设有旁路烟道时，烟囱除满足湿烟囱防腐要求外，还应满足排放未经脱硫的旁路烟气的要求。尤其是

3、需要满足两种烟气状况相互切换过程各种烟气指标变化对防腐系统的冲击。2 火力发电厂烟囱的主要防腐方式我国的火力发电厂烟囱防腐蚀型式经历了由防腐内衬层分段贴于混凝土外筒内侧的单锥筒形式向内外筒分离，外筒保证结构安全，内筒负责防腐的转变，形成了套筒烟囱。国内各电厂根据其脱硫系统是否设GGH、是否设旁路、是否多台锅炉的烟道排入一个烟囱内筒等技术条件和投资策略，选择了多种防腐方案。在工程中实施的防腐技术有以下4种类型：1）涂料类方案，有代表的是OM 涂料、聚脲涂料、固斯特涂料、萨维真涂料等。2）帖衬泡沫玻璃砖方案，有代表的是宾高德玻璃砖、国产泡沫陶瓷砖、国产泡沫玻璃砖等。3）整体浇筑料类。4） 钢内筒衬

4、贴钛板 (TiCr2)方案。对老烟囱的改造项目采用的防腐技术方案更多。2007 年之后，国家环保总局从严执行燃煤电厂WFGD 投运率考核指标，各电厂WFGD 全力投入运行。目前，采用上述防腐技术防腐方案进行防腐的烟囱不同程度出现了问题。3 湿烟囱防腐问题分析我国的火力发电厂湿烟囱防腐出现了方案的多样性，其中钛板防腐技术目前出现的问题较少，防腐造价高。同时，实验室分析结果表明，钛板的使用年限理论值不高，而且国内最长工程使用年限为5年左右，是否能满足今后的工程防腐需要还有待验证。而其它方案没有形成种一种公认合理的防腐方案。这表明我国目前我国的火电厂湿烟囱防腐研究工作还不完善。3.1湿烟囱防腐基础研

5、究滞后湿法脱硫烟气形成的腐蚀环境十分复杂，一般采用烟气湿度、冷凝液硫酸浓度、PH值、烟气温度、烟气平均压力、烟气平均流速等指标参数进行特征描述。这种表述是不全面的。工程实例表明，在烟囱与烟道入口相交处防腐失效案例较多。针对某个工程的烟囱内部烟气流场数值分析表明，该处烟气流速明显不均匀，而且同截面烟气压力变化很大。图1为投运前的泡沫砖防腐烟囱内壁，图2为投运仅半年后泡沫砖磨损的图片，这样的磨损在平均20m/s的流速下是很难发生的，当流场设计不当时，泡沫砖防腐材料的磨损是严重的。需要说明的是，烟气数值分析是建立在一系列流体力学假定的基础上进行的，精度很低。这些假定与真实条件下的流场必然发生很大的误

6、差应与实际烟囱环境或模型环境的烟囱流场进行对比调整，才能客观反应实际情况。国内针对烟囱内部流场分析的研究工作进行的不多。再比如，冷凝液的硫酸浓度指标，一般通过对湿烟囱排出的冷凝液进行化学分析确定，PH值在1.93.4左右。而国内的工程案例表明，某烟囱防腐体系的硅胶材料在几个月到半年的时间就发生了严重的粉化，似乎受到超出了设计预期的腐蚀。国内的某研究机构的试验表明，在较高硫酸浓度的环境下这种材料的粉化腐蚀才会发生。因此，一些技术研究人员怀疑湿烟囱的冷凝液在烟气干湿交替环境下发生了浓缩，而实际的验证数据至今没有取得。由于这些研究工作的滞后，给湿烟囱防腐的方案确定带来了一定的难度。3.2 湿烟囱防腐

7、施工技术研究的滞后国内湿烟囱防腐施工企业，由于市场竞争激烈，防腐施工的利润不高，施工队伍一般根据工程需要临时组建或仅维持生存，施工技术力量不足，研究和发展投入很少。由于没有国家的公益性投入，很难开展系统的从机理到工程转化的全过程研究工作。综上所述，在国内快速大量的火电项目建设时代，各种研究并不充分的烟囱防腐方案不断出现，发生的很多工程防腐失效案例给实际工程的安全运行带来了危害和潜在的风险。4 玻璃钢（FRP）烟囱在国外使用现状FRP烟囱在美国电力行业的应用始于FGD开始应用的20世纪70年代。截至到2008 年年初，在美国火电行业新建的脱硫烟囱中，大约80%以上采用耐腐蚀FRP 材料作为混凝土

8、烟囱的防腐蚀内筒。国外经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。近几年，美国新建电厂一般同步建设湿法脱硫（WFGD）系统，老电厂也逐步进行湿法脱硫改造。据有关资料介绍美国玻璃钢烟囱的应用统计，2004、2005年有8个项目，2006年38个项目，2007年增加至49个项目，到2008年上半年已经有39个项目。1975年美国Kennecott Copper（Magma,犹他州）建造了直径7.3m，壁厚12.7mm，总长度1215英尺（370m）FRP内筒烟囱，经过34年的使用

9、（图3）。图32004年美国杜克能源公司对位于北卡罗莱纳州特瑞尔市的马绍尔（Mashall）电厂进行了脱硫改造。烟囱为三管式套筒烟囱，烟囱内筒采用FRP。FRP烟囱内径9.0m，选用Ashland公司Hetron FR992树脂，欧文斯康宁公司的E-GLASS玻纤。同时脱硫塔至烟囱之间的烟道也采用FRP（图4）。图4据Dow化学公司的资料介绍，FRP 烟囱在欧洲和日本也有应用。2000 年7 月捷克的Vresova 电厂、2001 年9 月德国的Kraftwerk Simmering 电厂、2002 年英国的Eggborough 电厂以及日本关西电力南港电厂都采用了FRP烟囱。国外工程案例说明

10、玻璃钢（FRP）烟囱在一些经济发达国家得到认可，适合湿烟囱防腐。5 玻璃钢（FRP）烟囱应用研究2007年，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。烟囱外筒为钢筋混凝土结构，高178m；内筒为玻璃钢结构，内直径6.6m，顶标高180.0m。内筒分段支承于内外筒间钢结构平台上。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。该工程由于在施工后期发生火灾而未投产，对玻璃钢烟囱的应用风险起到了警醒作用。2006年5月和2

11、006年12月，高碑店电厂一期和国华三河二期工程烟塔合一玻璃钢烟道相继投产，目前，哈尔滨第一热电、锦州热电、天津东北郊热电等电厂玻璃钢烟道相继安装完成或投产。国内积累了一些大直径玻璃钢烟道制作和研发的经验。虽然我国的玻璃钢烟囱工程实践和玻璃钢制作等方面有一定的技术积累。但同样存在基础研究深度不足和施工技术研究滞后的问题，为了保确保工程质量可靠和可控。避免在工程实践中摸索防腐方案的现象。神华国华电力研究院在2010年申请了神华集团重点科技创新项目。通过收集国内外对玻璃钢内筒烟囱的研究成果，分析工程应用中的技术风险。重点解决玻璃钢内筒的设计优化、缠绕制作质量控制、施工安装的安全措施等问题。通过对原

12、材料的质量控制、玻璃钢内筒的设计分析、玻璃钢内筒的制作和起吊安装、质量检验及工程验收质量控制等全过程系统的应用研究，降低新技术在工程应用中的风险。玻璃钢内筒的设计分析研究是课题研究的主要技术难点，课题将开展五个方面的工作并与美国的计算分析结果进行对比分析，逐步完善为一套系统的分析体系。(1) 悬挂式玻璃钢内筒的受力分析(2) 研究外力作用下，悬挂式玻璃钢内筒与钢筋混凝土外筒壁间的相互作用(3) 悬挂式玻璃钢内筒悬挂点的研究分析(4) 止晃装置的研究分析(5) 膨胀节处玻璃钢内筒变形分析玻璃钢内筒的制作和起吊安装、质量检验及工程验收质量控制是玻璃钢内筒烟囱质量形成的过程。虽然在美国、欧洲和日本等

13、国有大量的工程实践，但国内还没有工程和管理经验。在学习和吸收美国工程管理施工技术经验的基础上，制定并完善一套技术实施与管控体系。神华某2x600MW电厂根据湿烟囱防腐发展趋势，并结合上述研究课题，计划采用玻璃钢内筒烟囱，鉴于我国对湿法脱硫后烟囱的腐蚀条件和玻璃钢内筒烟囱技术体系认识不足等状况，制定了全面引进和消化吸收美国工程经验的技术策略，利用国内、外制作和安装及检测设备，寻找一种有效的、经济的、安全的火力发电厂湿烟囱防腐技术方案。随后将进行建设的神华集团电厂则采用玻璃钢内筒和钛板等两种技术方案并列，待玻璃钢烟囱防腐技术逐渐成熟后，最终确定。我们相信，通过大家的共同努力，玻璃钢（FRP）烟囱将会在国内火力发电厂中得到普遍应用。参考文献【1】牛春良烟气腐蚀与烟囱防腐蚀设计特种结构 2008年6月 第25卷第2期【2】烟囱设计规范GB50051-2002【3】火力发电厂土建结构设计技术规定DL5022-93【4】美国电力研究院（EPRI）湿烟囱设计导则【5】 张大厚. 火力发电厂烟囱防腐存在的问题及建议J. 高科技与产业化, 2009, (1)【6】 左萍梅. 电厂烟囱结构选型J. 科技情报开发与经济, 2007, 17(21)【7】李