煙囪防腐工藝的問題及對策

據德國火力發電廠的統計，熱交換器占總投資費用的7.0%[1]；珞璜電廠3、4號FGD在主要設備進口的情況下，2臺國產光管和螺旋肋片管煙氣加熱器（GGH）占總設備費的3.5%左右。若取消GGH，降低FGD總壓損、FGD增壓風機容量和電耗，可大大減少運行和檢修費用。就我們的經驗，燃用高硫煤的GGH檢修、改造費用相當高，同時，GGH還是造成FGD事故停機的主要設備。在大多數情況下，一套精心設計的濕煙囪FGD的總投資和運行、維護費用較裝有GGH的FGD要低得多。

目前，許多FGD系統（特別是德、日）都裝有GGH，但自20世紀80年代中期以來，美國設計的大多數FGD已選擇濕煙囪運行[2]。近年，我國也提出了采用濕煙囪工藝的要求。本文將概要地介紹采用濕煙囪需要考慮的問題，以供選擇工藝方案時參考。

GGH的功能：（1）增強污染物的擴散；（2）降低煙羽的可見度；（3）避免煙囪降落液滴；（4）避免洗滌器下游側設備腐蝕。

就目前的FGD工藝技術水平而言，加熱煙氣對于減少洗滌器下游側的冷凝物是有效的，但對去除透過除霧器被煙氣夾帶過來的液滴和匯集在煙道壁上的流體重新被煙氣夾帶形成的較大液滴作用不大。因此，加熱器對于降低其下游側設備腐蝕的作用有限。實際上，無論是洗滌器上游側的降溫換熱器還是下游側的加熱器，其本身的腐蝕就令人頭痛。隨著ME、煙道、煙囪設計的改進和結構材料的發展，從技術和經濟的角度來說，省卻GGH是可行的。

2.1 影響選擇濕煙囪的因素

火電廠選擇濕煙囪運行通常是出于投資、運行和維修費用的考慮，在大多數情況下，濕煙囪方案具有最低的總費用。但是，煙氣擴散和煙羽的不透明度等其他因素有可能壓倒經濟方面的考慮。

2.1.1 煙流擴散

為防止煙流下洗（downwash），煙囪出口處流速不宜低于該高度處風速的1.5倍，一般宜在20～30m/s，排煙溫度在100℃以上[3]。煙流下洗不僅會腐蝕煙囪的組件材料，而且減弱了煙氣的擴散，影響周圍環境。在低于0℃的氣溫下還會導致煙囪上結冰。外煙囪的直徑過大，會在其下風側產生較大的低壓區，因此，有多個內煙道的煙囪發生煙流下洗的可能性較單煙道煙囪更大。濕煙囪排放的低溫煙氣抬升小，垂直擴散速度低，出現煙流下洗的可能性更大。

濕煙囪的另一個問題是煙囪“降雨”（stack rain out），其起因是煙氣夾帶的液滴，這種降雨通常發生在煙囪下風側幾百米內。雖然加熱煙氣的濕法FGD也可能發生煙囪降雨，但濕煙囪出現的幾率更大。

2.1.2 煙羽的黑度

發電廠排放煙氣的透明度主要受飛灰顆粒物、液滴和硫酸霧的影響，造成煙氣不透明的主要物質是NO2。飽和熱煙氣離開煙囪后溫度下降，形成水霧，這種含有較多水汽或其他結晶物質的白色煙氣會降低煙氣的黑度，使得測得的黑度不能真實地反映污染情況。濕煙囪排放白色煙流更嚴重。

2.1.3 冷凝物的形成

煙囪降雨的直接原因是煙氣中有水滴，其來源：（1）透過ME夾帶過來的液滴，這種液滴直徑通常在100～1000μm，少數大于2000μm，其量與ME的性能、清潔狀況、煙氣流速等因素有關。（2）飽和煙氣順著煙囪上升時壓力下降，絕熱膨脹使煙氣變冷，形成直徑大約為1μm的水滴。（3）熱飽和煙氣接觸到較冷的煙道和煙囪內壁形成了冷凝物。

由于受慣性力的作用，煙氣夾帶的較大水滴撞到煙道和煙囪壁上，并與壁上冷凝液結合，并重新被帶入煙氣，這些重新被帶出的液滴直徑通常在1000～5000μm之間，其量取決于壁面的特性和煙氣流速。粗糙的壁面、較高的煙氣流速使夾帶量增加。

2.2 濕煙囪工藝采用裝置的設計要求

2.2.1 ME的設計

ME的正確設計和運行對于濕煙囪工藝尤為重要。以逆流噴淋吸收塔為例，最上層噴淋母管與ME端面應有足夠的距離；ME端面煙氣的分布應盡量均勻；應選用臨界速度高、透過的夾帶物少（<50mg/m3）、材料堅固、表面光滑的高性能ME；盡可能選擇水平煙氣流ME；設置沖洗和壓差監視裝置。

2.2.2 出口煙道

接觸濕煙氣的煙道壁、導流板、支撐加固件上會留有液體，因此，煙道的設計應盡量減少水淤積，要有利于冷凝液排往吸收塔或收集池；膨脹節和檔板不能布置在低位點，同時要設計排水設施。為盡量減少煙氣夾帶液體，甚至不允許煙道內有加固件。

每種材料都有其特有的煙氣重新夾帶液體的臨界速度，如果煙氣流速始終低于所用結構材料的臨界流速，就可最大限度地減少夾帶液體。對大多數出口煙道材料來說，開始明顯重新夾帶液體的煙氣流速是12～30m/s，對于內表面平整光滑、不連續結構少的煙道，臨界流速可取該范圍的上限。煙囪入口煙道應避免采用內部加固件，一般主張煙囪入口煙道的寬度等于煙囪半徑，這樣可以加劇煙氣的旋流，有利于液滴沉積到煙囪壁上。

對出口煙道和煙囪的煙氣流進行模擬試驗有助于確定煙道尺寸、走向、導流板和集液設施的最佳位置，還可預測液體沉積和煙氣夾帶的情況。

2.2.3 煙囪內煙道

煙囪結構設計的主要要求是能有效地收集煙氣帶入的較大液滴和防止煙囪壁上的液體被煙氣重新帶走，最大限度地減少煙囪排放液體。當煙氣進入煙囪時，煙氣由水平流急轉成垂直流，慣性力使較大的液滴撞向煙囪入口煙道對面的內煙囪壁面上，因此，在此位置上布置集液裝置能有效地收集液滴。此外，煙囪的底部應低于煙囪入口煙道的底部，形成一個集液槽，并配以疏水排放管道和防淤塞裝置。

美國基于其20多年對濕煙囪的研究和實際運行經驗，在濕煙囪材料和煙氣臨界流速方面積累了經驗。表1列出了運用模擬試驗測得的幾種煙囪材料的煙氣臨界流速[2]（表中數據有裕量）。如果煙氣中的液體量較少或在靠近煙囪入口煙道處能有效地收集水滴，煙氣流速可以再高些。實踐表明，參考表中數據設計的煙囪，確實可以避免排放液體。

表1 不同材料內煙道的煙氣臨界流速

材料
內煙囪形狀
煙氣臨界流速

/m?s-1
合金
21
塑料內襯
21
FRP
18
CXL-2000內襯
18
耐酸磚
垂直光滑
17
耐酸磚
3.2mm斜度
9

過去，大多數用耐酸磚砌的內煙囪是圓錐形，現在大部分是等直徑圓柱狀，如表1所示，后者允許的煙氣臨界流速高得多。錐形煙囪每層內襯磚之間有一處磚縫要錯位，大量的錯位縫成了煙氣重新夾帶液體的源頭。減小磚砌錐形內煙囪的斜度，可以允許較高的煙氣流速。由于在煙囪上部的壁面上形成了邊界層，貼近壁面的煙氣流速明顯低于主流體的流速，因此，煙囪上部也允許較高的流速。增加煙囪出口煙氣流速可以減少煙流下洗和增強擴散，為此，美國的做法是在煙囪出口處裝設調節門。

對于有多個內煙道的煙囪，可以使內煙道高出外煙囪2倍內煙道直徑的高度，這樣可以減少煙流下洗。對單煙道的煙囪則無此必要。

2.2.4 替代濕煙囪的設計方案

德國采用的濕煙囪是將煙氣直接排入雙曲線冷卻塔的水霧中，冷卻塔的空氣流量大約是煙氣流量的20倍，這種情況下，更不需要GGH。目前，德國已有超過15座電廠采用此設計方案。當然，對于新建電廠可以預先考慮FGD和冷卻塔的位置，而改建電廠可能會受位置限制。例如德國RWE Wesweiler電廠（總裝機容量1500MW）在20世紀80年代中期將3套改建的濕法石灰石FGD（共5個吸收塔）的煙氣經3個冷卻塔排放，原有的煙囪用于排放旁路煙氣，少建1個濕煙囪，3套FGD至今運行良好。

若僅有1座濕煙囪，則難免要排放高溫未處理煙氣，甚至有可能接觸空預器故障時高達300℃以上的煙氣，為了便于選材和減少今后的維修，可以考慮建干、濕2個煙囪。對于增建FGD的電廠，如果在靠近現有煙囪和引風機的地方布置有困難，可以將煙氣引至可布置的地方，再建1座濕煙囪。為避免出口煙道過長，用原干煙囪排放高溫煙氣。

2.3 濕煙囪的結構材料

濕煙囪襯里材料的可靠性至關重要，如果濕煙氣中腐蝕性液體和顆粒物對煙囪造成損壞以至襯里失效將造成嚴重后果。對于結構材料不適合濕態運行的現有煙囪必須用合適的材料重新襯覆，或另建濕煙囪。在工藝過程確定后，要根據預測的腐蝕環境并兼顧最大限度地減少煙囪排水來選擇材料。

電廠煙囪通常分為干、濕2種，濕煙囪又分為：（1）濕法洗滌后的煙氣不加熱；（2）部分煙氣加熱；（3）必要時排放高溫煙氣。濕煙道和濕煙囪的內壁暴露于硫酸、亞硫酸、氯化物和氟化物的冷凝物和固形物等低pH（往往不超過2）環境中，遇到上述（2）或定期排放旁路煙氣的情況，還要遭受高溫、高酸性和高濃度氯化物、氟化物，濕煙囪將遭到毀壞。制約濕煙囪材料選擇的主要因素是旁路煙氣的輸送方式，水霧夾帶和經濟性。例如，排放部分未處理煙氣、未處理旁路煙氣或啟停機期間的旁路煙氣的煙道，均不能采用FRP、有機改性樹脂襯復鋼板等材料。

在美國，出于費用考慮，耐酸磚成為燃煤電廠砌內煙囪的主要用材。目前流行在混凝土煙囪內表面做鋼套，鋼套內表面噴涂1.5mm乙烯基酯玻璃鱗片樹脂，但這種結構仍受運行溫度限制。表2為部分已用或計劃用于新建或改建濕煙囪的材料特性[2]。

表2 濕煙囪結構材料特性

特點
耐酸磚/膠泥
合G-276
碳鋼板/

硼硅酸鹽玻璃塊
玻璃鋼
碳鋼板/

上釉陶瓷磚板
改性有機樹脂襯
煙氣部分加熱
其他說明需氣封內外煙囪夾層并依據用耐蝕箍加固
隔熱性好、重量輕、減少冷凝物、出口煙道應用的經驗、嚴格質檢

3 結語

（1）就目前技術以及美國20多年的經驗，濕法FGD省除GGH是可行的，而且經濟優勢十分明顯；

（2）必須重視濕煙囪排放對煙流擴散的不利影響，防止煙流下洗和“降雨”。

（3）重視濕煙道、濕煙囪防腐材料的選擇。建濕煙囪時，用耐酸磚內煙囪經濟實用；用合金C-276復合板，維修工作量少，但價格昂貴；建干/濕雙煙囪，有利于材料選擇，運行靈活，今后維修工作量也小，但占地大。最終選用何種方案，應作綜合比較。