摘要：煙囪脫硫是一種新型煙囪技術，即利用旋渦流動的空氣動力學特點，妥善地解決了濕法脫硫后煙囪內壁的腐蝕問題。同時，新型煙囪還具有更好的節能、環保效果。本文介紹濕法脫硫后煙氣的特點和火電廠常見煙囪結構形式及其特點，比較煙氣脫硫(FGD)系統設置與不設置煙氣加熱系統的優劣，從技術和經濟兩方面分析論證了排煙筒的材質選擇及防腐處理措施，經比較推薦采用國產泡沫玻化磚鋼套筒式煙囪。
　　關鍵詞：火電廠；煙囪；結構
　　
　　隨著我國環保標準的逐步提高和公眾環境意識的增強，新建火電廠都要求進行煙氣脫硫。選擇一個適合此運行工況的煙囪，對于電廠的安全經濟運行至關重要。
　　一、脫硫煙氣的特點及腐蝕性
　　煙氣采用濕法脫硫工藝的脫硫效率≥90%，雖然煙氣中SO2的含量大大減少，但對煙氣造成腐蝕的主要成分SO3脫除效率不高，僅約20%左右。此外，由于FGD系統不設置GGH時占地面積較小、投入及運營效益明顯，現大多火力發電廠均采用FGD系統不設GGH，但這也帶來一些負面影響，濕法脫硫系統且不設GGH的煙氣相較設置GGH的煙氣其腐蝕性更強。不設GGH，脫硫后煙氣溫度僅有50℃左右，且濕度很大并處于飽和狀態。由于低于酸露點溫度，煙氣含水量增大，在煙氣上升過程中，煙囪內壁會出現結露現象；同時，煙氣密度增加，煙囪自拔力減小，煙囪內的煙氣壓力升高；脫硫后的煙氣中含低溫高濕稀酸型腐蝕水液。改變了煙囪的運行狀況。當FGD系統設置GGH，可使脫硫處理后排放的煙氣溫度提高到80℃左右，以減緩煙氣冷凝結露產生的腐蝕性液體，但煙囪內壁上仍會呈微濕狀態。
　　以上因素造成了煙囪的運行條件較差，使煙囪處于腐蝕狀況，加劇了腐蝕性煙氣對內襯及承重筒的腐蝕。因此，煙囪結構的選型是否合理，將直接影響到煙囪的造價、施工、運行及壽命。
　　二、相關標準
　　我國煙氣脫硫還處于起步階段，大多是新建工程，運行時間短，因此煙氣脫硫后煙囪腐蝕的調查和研究資料較少。在現行國家和電力行業關于煙囪的設計標準中，均未對脫硫處理的煙囪防腐設計做出具體規定，只是從煙氣的腐蝕性等級對煙囪的防腐設計作出了要求。
　　1.“國際工業煙囪協會(CICIND)”的設計標準。“國際工業煙囪協會(CICIND)”的設計標準指出：“（1）煙氣冷凝物中氯化物或氟化物的存在，極大增加了煙氣的腐蝕性、（2）處于煙氣脫硫系統下游的濃縮或飽和煙氣條件通常被視為高腐蝕等級。（3）確定含硫氧化物的煙氣腐蝕等級是以SO3的含量值作為確定依據。（4）煙氣中氯離子遇水蒸汽形成氯酸，它的化合溫度約為60℃，低于氯酸露點溫度時，將會產生嚴重腐蝕，即使是化合中很少量的氯化物也是如此。”燃煤電廠脫硫煙囪雖然在脫硫過程中已除去了大部分的二氧化硫，但在脫硫后，煙氣濕度通常較大，溫度很低，且煙氣中單位體積的稀釋硫酸含量相應增加。因而，處于脫硫系統下游的煙囪，其煙氣通常被視為高化學腐蝕等級，即強腐蝕性煙氣等級，故煙囪應按強腐蝕性類型設計。
　　2.《火力發電廠土建結構設計技術規定》的設計標準。按照電力行業標準DL5022－1993《火力發電廠土建結構設計技術規定》第7.4.4條的要求:當排放強腐蝕性煙氣時，宜采用多管式或套筒式煙囪結構，即把承重的鋼筋混凝土外筒和排煙內筒分開，使外筒受力結構不與強腐蝕性煙氣相接觸。
　　3.在行將出版的《火力發電廠風煤風管道設計技術規程》中對濕法脫硫后不設GGH的濕煙氣定為強腐蝕等級煙氣。中國電力顧問集團公司于2005年在上海召開的“火力發電廠煙囪設計技術交流會”中指出：“濕法脫硫煙囪的設計可按強腐蝕性考慮；煙囪的結構選型宜綜合考慮煙囪的安全耐久性、運行維護條件和施工等方面的因素，宜采用鋼筋混凝土外筒和排煙筒脫開布置的套管式或多管式煙囪。”
　　三、火電廠常見煙囪結構及特點
　　1.鋼筋混凝土錐形單筒式煙囪
　　鋼筋混凝土錐形單筒式煙囪是在火力發電廠未設置煙氣脫硫裝置（其煙氣溫度在130℃以上）時普遍采用的一種結構形式。該結構為隔熱層及防腐內襯組成的排煙筒，其排煙筒緊貼鋼筋混凝土承重外筒并支撐在外筒壁環向牛腿上。其內襯多采用普通耐酸磚，隔熱層多采用膨脹珍珠巖或巖棉板等。此形式的煙囪結構安全、構造簡單、施工方便，造價相對較低，在我國從設計到施工均積累了豐富的經驗。
　　在設GGH裝置的脫硫煙囪中，也有工程從節省投資角度出發，采用了鋼筋混凝土單筒式煙囪，但在設計過程中，一般都對單筒煙囪做了如下改進：a.改變常規煙囪體型線和直徑，使其煙氣全程負壓，減少氣體腐蝕性；b.對筒身混凝土提出相關要求，使其密實性、抗滲性更好；c.在煙囪筒壁內側貼三布四涂呋喃玻璃鋼，形成防腐抗滲隔離保護層，進一步保護煙囪筒壁本體不受損壞；d.隔熱層采用憎水性材料，采用現澆發泡聚氨酯，阻止液體的滲透；e.內襯磚與煙氣接觸表面釉化處理，改進外形，使磚與磚之間契口咬合；f.采用揉擠法施工耐酸膠泥，且對砌筑方式和膠泥性能提出明確要求。但由于砌體的灰縫(尤其是垂直灰縫)不可能完全密閉，而采用濕法脫硫工藝的煙氣溫度降低，含水量增大，煙囪內的煙氣壓力升高，筒內的煙氣基本上處于正壓運行工況。在煙氣壓力和濕度的作用下，極易滲透到砌體內部，使煙囪結構內部遭受腐蝕，而由于排煙筒緊貼承重外筒，會直接影響到承重外筒的安全，對電廠的正常運行可能帶來較大影響。
　　2.鋼筋混凝土套筒式煙囪
　　鋼筋混凝土套筒式煙囪是將鋼筋混凝土承重外筒與排煙筒功能分開的結構形式。承重外筒的直徑及線型根據結構自身自振周期及變位限值，考慮風荷載與地震作用和檢修空間、排煙內筒直徑共同決定。由于其承重外筒與排煙筒脫開，承重外筒不直接受煙氣的高溫和腐蝕作用，而且具有檢查、維修方便，可靠性高等特點，是火力發電廠煙氣設置脫硫裝置后較多采用的結構型式，目前被廣泛地應用。
　　從套筒的材質上可分為:磚套筒和鋼套筒煙囪。磚套筒結構與鋼套筒結構在支撐體系上有較大差別，磚內筒為分段支承結構，分段支承在各層平臺的環梁上。鋼內筒為自承重結構，設置一定數量的側向支撐和檢修平臺（吊裝平臺）。采用套筒煙囪具有檢修和維護空間，一旦需要，可隨時方便地對排煙筒實施維護和補強，更為安全可靠。在正常運行條件下，鋼筋混凝土筒身承重結構不直接與煙氣接觸，基本處于常溫條件下工作，其溫度應力顯著減少，避免了筒體由于溫差過大造成裂縫的產生和腐蝕，延長煙囪壽命，保證電廠的安全運行。而且由于溫度應力的顯著減少，承重外筒鋼筋用量相對低于單筒式煙囪。
　　磚排煙筒采用耐酸膠泥砌筑耐火磚，外表面作耐酸水泥封閉層和保溫層，保溫層采用巖棉或超細玻璃絲棉氈。磚排煙筒中的磚體本身耐腐蝕性和經濟性都較好，但形成砌體后的抗滲密閉性和整體性較差，自重大。
　　鋼套筒為自承重結構，鋼內筒由于封閉性好、整體性強、無連接接頭，其優勢相對磚砌內筒就較為突出。鋼排煙內筒外采用玻璃棉氈作保溫層外包鍍鋅鋼絲網，其防腐內襯主要可分為以下幾種：
　　a.內襯貼玻璃磚
　　排煙筒采用Q235B作鋼筒，內部貼玻璃磚。玻璃磚分國產和進口兩類，進口玻璃磚比較有代表性的是美國賓高德玻璃磚。賓高德磚通過賓高德膠粘材料牢固地粘在基底上，從而提供有彈性的耐酸隔離層以保護基底。特種玻璃磚具有耐酸腐蝕、高絕熱、耐高溫、低熱膨脹系數、多用途、質量輕、安裝簡便的優點。但這種材料是進口的，成本昂貴，投資費用較高。
　　b.內襯鈦板
　　鈦板有非常好的防腐效果，脫硫后的強腐蝕性煙氣對鈦板的腐蝕性很小，是國際工業煙囪協會推薦的不設置GGH情況下煙囪防腐內襯之一。
　　鈦是一種非常活潑的金屬，其平衡電位很低，在許多介質中很穩定。因為鈦和氧的親和力很大，在空氣中或含氧介質中，鈦表面生成一層致密的、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕。鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。介質溫度在315℃以下鈦的氧化膜始終保持這一特性，完全滿足鈦在惡劣環境中的耐蝕性。由于鈦的表面鈍化膜的性質決定了鈦對中性、氧化性、弱還原性的介質具有較好的耐蝕性。
　　目前國內已有多家電廠采用鈦鋼復合板鋼套筒的煙囪。鈦鋼復合板是以低碳鋼Q235B為基材，以鈦板為復層的兩層金屬復合板，并將Q235B基材作為排煙筒受力支撐結構。鈦鋼復合板是一種成熟的組合材料，有專門的國家標準，但造價較高。
　　c.國產泡沫玻化磚內襯
　　排煙筒采用Q235B作鋼筒，內部貼國產泡沫玻化磚。國產泡沫玻化磚是以碎玻璃為主要原料，加入發泡濟、外滲濟，高溫發泡成型制成的一種輕質多孔玻璃材料。泡沫玻璃內部形成獨立的封閉微小氣孔結構，集傳統隔熱保溫于一體，它不吸水、導熱系數小、耐酸堿(氫氟酸除外)，是良好的內襯材料。與之配套的特種耐酸耐高溫膠粘濟，耐高溫，粘接強度高，有較強的耐酸性和韌性。目前看來，此類煙囪適用于各種形式濕法脫硫工藝的套筒煙囪，安全可靠、技術合理，造價較低。該種煙囪已在國內得到了較為廣泛的應用。
　　d.耐候鋼內襯材料
　　各種鋼材在不同溫度和酸液濃度下抗腐蝕性能是變化的。普通碳素鋼板在80℃以下時，鋼板受酸腐蝕速度甚快；耐候鋼抗酸腐蝕性能好于普通碳素鋼，為普通鋼材的2~4倍。所以可采用耐候鋼增加鋼板防腐蝕厚度，使鋼內筒在使用期間，不因腐蝕而影響其安全使用。
　　國內設計中常采用的耐候鋼一般選用“NS1耐硫酸露點防腐蝕鋼板”，NS1耐候鋼熱軋板帶試樣在硫酸濃度50%，溫度70℃環境下的腐蝕實驗表明：其抗硫酸腐蝕能力是同等實驗條件下CORTEN鋼的1.5～2.0倍，1Cr18Ni9Ti的6.58倍，Q235A的6.21倍，20#鋼的3.58倍。從使用期間的抗硫酸腐蝕能力看，可以滿足火電工程煙囪的需要。
　　e.鎳基合金內襯
　　鎳基合金是國際工業煙囪協會推薦的FGD系統不設GGH情況下另一種煙囪防腐內襯。據了解美國配用的均是鎳基合金復合板（材料C276+Q235）鋼煙囪。用于煙囪內襯的鎳基合金是C276，Ni基中同時加入Cr、Mo。鎳鉻鉬合金具有單相奧氏體結構，顯示出優異的耐蝕性能。不僅在氧化性介質，而且在還原性介質中均具有很好的抗腐蝕能力，特別是在有F-、Cl-等離子的氧化性酸中、在有氧或氧化劑存在的還原性酸中、在氧化性酸加還原性酸的混合酸中、在濕氯和含氯氣的水溶液中均具有其它耐蝕合金難以相比的耐蝕性。
　　根據資料表明，鎳合金是最能適應各種嚴酷環境的優良耐蝕材料，是比鈦板防腐性能更好的材料。但由于造價太高目前國內電廠還沒有采用鎳基合金作為煙囪防腐內襯的先例。
　　四、用煙囪結構方案技術經濟性比較
　　采用不同的煙囪型式，其相應的費用也不同，涉及到工程的整體投資。本著“安全可靠，經濟適用”的原則，在各種煙囪的結構型式比較的基礎上，還應對各型煙囪的技術經濟性能進行了進一步的分析比較。以下以某300MW工程采取濕法脫硫的煙囪為例（高度210m，出口內徑6.0m），進行技術經濟性對比。
　　
　　
　　
　　序號 結構形式 估計工程造價
　　（萬元） 結構特點 適用工況
　　1 鋼筋混凝土
　　單筒煙囪 950 構造簡單，方便施工，無檢修條件，不利于排煙筒的維護檢修，防腐性能相對較差，造價低 適用于不設置濕法脫硫的煙囪
　　3 改進型耐酸磚
　　套筒煙囪 1650 內筒分段支承，利于煙氣抬升，維護檢修相對方便，防腐性能較好，價格適中 適用于設置GGH的濕法脫硫煙囪
　　4 耐候鋼-鋼內筒
　　套筒煙囪 2050 內筒獨立支承，自重輕，全高等直徑布置，利于煙氣抬升排出，維修方便，防腐性能好，價格適中 適用于設置GGH的濕法脫硫煙囪
　　5 Q235B鋼內襯玻璃磚
　　套筒煙囪 2090 內筒獨立支承，自重輕，全高等直徑布置，利于煙氣抬升排出，維修方便，防腐性能好，價格適中 適用于未設置GGH的濕法脫硫煙囪
　　6 Q235B鋼內襯國產泡沫玻化磚
　　套筒煙囪 2030 內筒獨立支承，自重輕，全高等直徑布置，利于煙氣抬升排出，維修方便，防腐性能好，價格適中 適用于未設置GGH的濕法脫硫煙囪
　　7 鈦合金板-鋼內筒
　　套筒煙囪 3000 內筒獨立支承，自重輕，全高直布置，利于煙氣抬升排出，維修方便，防腐性能好，價格貴 適用于未設置GGH的濕法脫硫煙囪
　　
　　五、結論
　　通過以上分析可以看出，采用濕法脫硫工藝的火力發電廠，不宜采用鋼筋混凝土單筒式煙囪，應采用鋼筋混凝土套筒煙囪。
　　從現有的應用經驗和技術成熟方面來講，磚內筒煙囪和鈦合金板或內襯玻璃磚、玻化磚的鋼內筒作為濕法脫硫煙囪應用比較多。從防腐等級和耐久性方面來看，采用鈦鋼合金板或內襯玻璃磚、玻化磚鋼套筒煙囪比磚套筒煙囪優勢較明顯，但在經濟方面而言磚套筒煙囪卻有著較大的優勢。
　　從國內的實際應用來看，無論是磚內筒還是鋼內筒在一定條件下均能有效地防止脫硫后煙氣結露產生的腐蝕性稀酸液對承重外筒的腐蝕，利于煙囪排煙、便于維修，減少正壓影響的煙氣侵蝕等問題。但從耐久性和可靠性方面來看，鋼內筒較磚內筒具有較好的優勢，其后期維護費用較低，而磚內筒需要必要的維護甚至更換，后期維護費用比較高。
　　從使用要求方面看，如設置GGH，鋼筋混凝土磚內筒套筒煙囪能基本滿足濕法脫硫后的煙氣防腐要求；但如不設GGH，由于磚套筒采用分段支撐的結構，考慮到外筒的受力要求，其下部煙氣進口處內筒無法形成直筒，加上煙氣溫度的降低，整個錐形結構的內筒難以保證煙氣全程負壓，其防腐效果將受到制約，鋼內筒套筒煙囪在防腐技術的耐久性和可靠性方面更有利更合適。
　　經上述各方面論證比較，從利于煙囪排煙、減少環境污染、便于維修、減少內筒煙氣壓力從而減少煙氣侵蝕出發，對于濕法脫硫后，不設置GGH的工程，根據“國際工業煙囪協會（CICIND）”的設計標準及《煙囪設計規范》GB50051-2002和電力行業標準《火發電廠土建結構設計技術規定》的規定，本著“安全可靠，經濟適用”的原則，推薦采用Q235B鋼內筒內襯國產泡沫玻化磚鋼筋混凝土套筒式煙囪。