烟囱排烟筒型式及防腐材料的合理选用

烟囱排烟筒型式及防腐材料的合理选用

陈 飞（华东电力设计院，上海，200063）

摘 要 

本文为即将颁布的新版国家标准《烟囱工程技术标准 GB50051-202x》的排烟筒型式及防腐材料选用条文编制情况介绍。本文试图结合在烟囱防腐蚀方面若干年来烟囱腐蚀工程案例、处理经验和研究成果，着重介绍根据防腐材料的工程实际使用效果、按烟气类型(湿烟气、潮湿烟气和干烟气)和烟囱排烟筒型式(砖烟囱、钢烟囱、单筒式钢筋混凝土烟囱、砖套筒及钢套筒或多管式烟囱)，如何选择防腐性能相适用的防腐材料，使得既保证烟囱外筒受力结构的安全可靠又完成排烟筒在规定使用年限内的功能要求。

关键词 烟囱规范 排烟筒选型 湿烟囱 潮湿烟囱 防腐

Reasonable selection for the liner type and anticorrosion material of Chimney
Chen ｆｅｉEast China Electric Power Design Institute，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００６３，China）
Abstract: This paper introduces the compilation of normative provisions of the draft liner type andthe selection of anti-corrosion materials in the new edition of national standard "technical standard forchimney Engineering (GB 50051-202x)". Attempts to combine chimney corrosion engineering cases,treatment experience and research results within several years , this paper mainly introduces thepractical application effect of anti-corrosive materials , according to the type of flue gas (Wet flue gas,Humid flue gas and Dry flue gas) and liner type (Brick chimney, Steel chimney, Single cylinder reinforced concrete chimney, Brick sleeve, Steel sleeve or multi tube chimney), how to select the anti-corrosive material with suitable anti-corrosive performance, so as to ensure safety and reliability for the structure of
the chimney，and to complete the exhaust function in the specified service life successfully.
Key words：code for chimney，make choice of liner，wet chimney，humid chimney，anti-corrosive 

1. 引言
2004 年以前，国内火力发电厂工程一般未安装湿法脱硫系统(FGD)。自 2004
年 1 月 1 日国家环保总局颁布实施《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2003），国内火力发电厂工程烟气排放全面进行脱硫处理。而当时脱硫设施旁路烟道的设置，实际上提升了烟气温度，减少了湿烟气的酸液结露，相对减缓了烟囱的腐蚀问题。烟囱设计遵循的《烟囱设计规范》(GB50051-2002)主要针对排放的干烟气，烟气腐蚀等级按燃煤含硫量确定。

2010 年 6 月环保部办公厅颁布《关于火电企业脱硫设施旁路烟道挡板实施铅封的通知》(环办〔2010〕91 号)、2012 年 1 月国家环保部和质监总局联合颁布《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)的开始严格实施，脱硫设施运行逐步进入了正常化和标准化，烟囱内烟气温度趋于稳定。烟气未设置加热装置（GGH）的排烟筒由于湿烟气排烟温度降低，酸液结露严重，很多电厂的烟囱结构安全都不同程度上受到了湿烟气腐蚀的严重威胁。

《烟囱设计规范》GB50051－2013 版结合当时近十年来火力发电厂烟囱及其
它行业烟囱设计经验，提出了对排放不同腐蚀性等级的干烟气、湿烟气和潮湿烟
气的烟囱结构型式选择要求“烟囱结构型式选用表”，选用表细化了针对不同的
烟气类别和腐蚀等级选择相适应的烟囱结构型式。

受到烟气旁路烟道设置对湿烟气腐蚀性质、烟囱早期腐蚀是否施工质量导致、排烟筒防腐材料使用时间较短等因素的影响，2013 版选用表有进一步充分反映各种防腐措施实际防腐性能的修订空间。

新版国家标准《烟囱工程技术标准GB50051-202x》的排烟筒型式及防腐材料选用条文编制，试图结合在烟囱防腐蚀方面若干年来烟囱腐蚀工程案例、处理经验和研究成果，根据防腐材料的工程实际使用效果、按烟气类型（湿烟气、潮湿烟气和干烟气）和烟囱排烟筒型式（砖烟囱、钢烟囱、单筒式钢筋混凝土烟囱、砖套筒及钢套筒或多管式烟囱），选择防腐性能相适用的防腐材料，使得既保证烟囱外筒受力结构的安全可靠又要完成排烟筒在规定使用年限内的功能要求。

结合排烟筒布置型式，根据烟气的类别和腐蚀等级，选择合适的烟囱防腐材料，并在施工中得以可靠实施，是烟囱能否成功防腐完成排烟功能的关键。如何进行脱硫烟囱，特别是湿烟气排烟筒的选型和防腐蚀防渗漏设计，使其达到既安全、可靠、耐久，又可行、经济、适用的目标要求，这是烟囱设计人员必须面对和又要做好的事情，需要不断地进行探索与求是。

2. 新版《烟囱工程技术标准 GB50051》“烟囱防腐材料选用表”的
条文编制

1） 《烟囱设计规范》GB50051－2002 版编制时，燃煤电厂极个别机组投运湿法脱硫系统，烟囱主要排放干烟气，烟气腐蚀等级按燃煤含硫量确定；并根据烟气腐蚀性分级，提出了排放腐蚀性烟气的烟囱结构型式选择要求。当烟气属强腐蚀性，烟囱高度小于等于 100m 时，宜采用套筒式烟囱，即在承重外筒内，另做独立砖内筒，使外筒受力结构不与强腐蚀性烟气接触；烟囱高度大于 100m 时，宜采用多管或套筒式烟囱。

2） 2013 版《烟囱设计规范》结合当时近十年来火力发电厂烟囱及其它行 业烟囱，在不同使用条件，特别是烟气湿法脱硫运行条件下，采用不同烟囱结构型式和防腐蚀措施在运行后出现的渗漏腐蚀现象及处理经验，提出了对排放不同腐蚀性等级的干烟气、潮湿烟气和湿烟气的烟囱结构型式选择要求“烟囱结构型式选用表”，选用表细化了针对不同的烟气类别和腐蚀等级选择相适应的烟囱结构型式。

  表 2.1-1 2013 版规范烟囱防腐材料选用表

3） 新版《烟囱工程技术标准 GB50051-202x》的排烟筒型式及防腐材料选
用条文烟囱防腐材料的选择应根据烟囱的分类和腐蚀等级确定，可按照烟囱防腐材料选用表的要求并结合工程实际情况进行选取(新烟囱标准 12.2.1 条)。烟囱结构及其排烟筒型式选择根据防腐蚀方案按表所示选择单筒烟囱、套筒烟囱或多管烟囱(新烟囱标准 12.2.2 条)。

新烟囱标准的烟囱防腐材料选用表中，着重根据烟囱排烟筒防腐材料的工程实际使用效果，结合近年来防腐蚀方面工程案例及处理经验，将烟气类型分为湿
烟气/湿烟囱、潮湿烟气/潮湿烟囱和干烟气/干烟囱；烟囱排烟筒分为砖烟囱、钢烟囱、单筒式钢筋混凝土烟囱、砖套筒及钢套筒或多管式烟囱等型式；结合适用的排烟筒型式选择项分为“建议采用”、“可采用”、“谨慎采用”、“不应采用”、“可采用但经济性差”。

3. 目前国内湿法脱硫烟囱排烟筒型式

1） 单筒式钢筋混凝土烟囱
内衬和隔热层直接分段支承在钢筋混凝土筒壁牛腿上或内衬直接黏贴在筒壁上的普通烟囱。当采用传统常规做法，钠水玻璃耐酸胶泥砌筑的耐酸砖内衬和膨胀珍珠岩板隔热层与钢筋混凝土筒壁紧贴，并分段由钢筋混凝土筒壁伸出的环形悬壁支承，混凝土内表面设常规防腐涂层处理，一般适用于干烟气条件。这一类型的烟囱还有单筒式烟囱的衍生类型，如耐酸防腐蚀整体浇筑料内衬和下部局部套筒处理的改进型砌体内衬。

在湿烟气条件下使用时，须采用可靠的隔热耐腐抗渗内衬材料；中小型烟囱在外形和综合造价上，较套筒烟囱有一定优势；传统做法的单筒钢筋混凝土烟囱
湿烟气条件下改造使用时，应拆除砖砌体或浇注料内衬后将可靠防腐内衬直接设置在钢筋混凝土筒壁内壁上，避免在原砖砌体内衬上增设防腐层。

2） 砖套筒烟囱
筒壁内设置一个砖排烟内筒的烟囱。砖内筒与钢筋混凝土外筒壁分离布置；砖内筒的荷重是由分段设置的内部支撑平台传给外筒壁，国内砖内筒一般由钠水玻璃耐酸胶泥砌筑的耐酸砖砌体和钠水玻璃耐酸砂浆封闭层构成。一般适用于潮湿烟气排放。

3） 钢或纤维增强塑料套筒及多管式烟囱

一个/两个或多个的钢或纤维增强塑料排烟内筒共用一个外部筒壁或塔架组成的烟囱。内筒与钢筋混凝土外筒壁分离布置；内筒可自立式，也可悬挂式；自
立式内筒的荷重直接落在烟囱基础上，悬挂式内筒是由分段设置的内部支撑平台悬吊。目前工程中该型式烟囱使用的比例较大。

钢内筒内表面需做防腐内衬，防腐内衬有：硼硅酸盐泡沫玻璃砖、镍基或钛基复合金属内衬、防腐涂层、轻质防腐砖内衬、不锈钢内衬，其防腐性能特点及应用效果差异明显。由于若干年前的认识和条件限制，在湿烟气条件下出现比较多的腐蚀状况。

防腐材料的采用应体现湿烟气和潮湿烟气冷凝液结露及腐蚀条件明显差异；两台及多台炉共用一个排烟筒时，应按更加可靠的防腐材料选用。纤维增强塑料排烟内筒更适用于湿烟气条件，选用表中的“缠绕纤维增强塑料排烟内筒”，指以纤维及其制品为增强材料、以合成树脂为基体材料，用机械缠绕成型工艺分段制造、连接和安装的排烟内筒；未包括在排烟筒内侧直接喷射或手糊工艺成型的纤维增强塑料防腐内衬。

4） 钢/纤维增强塑料自立式烟囱
自立式烟囱，即筒身在不加任何附加支撑的条件下，自身构成一个稳定结构的烟囱。在湿烟气条件下，应充分考虑到自立式烟囱的结构特点来选择防腐材料，即排烟筒筒体不能因为受到烟气腐蚀而影响其作为烟囱受力体的作用。

5） 烟囱排烟筒型式对烟气排放和运行维护的影响

单筒式烟囱：工程中大都是考虑两台及以上的机组烟气接入，其中任意一台机组运行时就不具备烟囱筒身内部的检修维护条件；全部机组停运时，才有机会
对其内衬等的腐蚀状况进行检查维护处理。烟囱出口尺寸较大，烟气抬升的高度要小于双管式和多管式烟囱，烟囱内烟气流速较低，从而引风机负荷较低。
套筒式烟囱：与单筒式烟囱类似，工程中大都是考虑两台及以上的机组烟气
接入。钢筋混凝土外筒与排烟筒间脱开布置，设有检查维护空间，便于在需要时对排烟筒的腐蚀状况进行排烟筒外部处理。在需要排烟筒内部检修维护时，受到 接入的相关机组运行的影响，很多时间段难以进行。承重的钢筋混凝土外筒处于常温下工作，无温度应力影响，也避免了烟气的直接接触。烟气抬升的高度要小于双管式和多管式烟囱。

双管及多管式烟囱：一台机组一般接入一个排烟管的配制使烟气运行互不影响，烟气抬升的高度要高于单筒式和套筒式烟囱，容易满足环保要求；与套筒式烟囱一样，钢筋混凝土外筒始终处于常温下工作，它与排烟筒间设有检修维护空间，具备检修维护条件；排烟筒在需要检修维护时，将只受到一台机组的运行影响，容易进行；排烟筒的防腐表面积和外筒直径大于单筒式和套筒式烟囱，造价增加明显。 

4. 国内火力发电工程烟气排放的特点及防腐对策
2004 年以前，国内火力发电厂工程一般未安装湿法脱硫系统。烟囱设计遵循的《烟囱设计规范》主要针对排放的干烟气，(GB50051-2002)版规定烟气腐蚀等级按燃煤含硫量确定；更早的(GBJ51-83)版规定烟气的适用范围未包含 SO2≥
1%或温度<100℃或湿度≥60%的烟气。

自 2004 年 1 月 1 日国家环保总局颁布实施《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2003），要求 SO2≤400mg/m3，国内火力发电厂工程烟气排放全面进行脱硫处理。而当时脱硫设施大多设置旁路烟道，实际可能提升了脱硫烟气的温度；烟气脱硫设施的运行水平参差不齐，这可能使得运行的实际烟气条件变得复杂，出现烟气湿－干状态、低温－高温状态间的变化不定；再加上缺乏对各脱硫工况腐蚀性的客观认识和各种防腐材料的实际使用经验，难以判定防腐防渗失效的主要原因是质量施工质量还是材料性能原因；一般的烟囱防腐防渗设计也难以做到完全适应可能多变的烟气条件，排烟内筒及单筒式外筒的安全可靠性和使用状况是难以预料的。

2010 年 6 月环保部办公厅颁布《关于火电企业脱硫设施旁路烟道挡板实施铅封的通知》(环办〔2010〕91 号)、2012 年 1 月国家环保部和质监总局联合颁布《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)，SO2≤100 mg/m3（重点地区≤50 mg/m3）的开始严格实施，脱硫设施运行逐步进入了正常化和标准化。没有了旁路烟道的烟气掺入，烟囱内烟气温度趋于稳定，湿法脱硫系统不设加热装置（GGH）和设有 GGH 的烟气条件和腐蚀性的差异明显体现出来。烟气未设置加热装置（GGH）的排烟筒由于湿烟气排烟温度降低，酸液结露严重，烟囱防腐除涉及到材料的耐腐蚀、抗渗透、耐老化、耐高温、防水和抗冲刷等问题，同时面临高空施工作业、质量控制困难以及运行工况的变化等复杂环节，造成防腐失败案例高发，烟囱的腐蚀问题更加突出。

新烟囱标准中的“湿烟囱”，指排放相对湿度为饱和状态、温度不大于 60℃的烟气的烟囱。相当于排放湿法脱硫处理无 GGH 系统的烟气。湿烟囱排放的烟气含湿量达饱和状态，烟气温度为 50℃左右，低于烟气水结露点温度；湿烟气与温度低的筒壁排烟筒内表面接触，通过毛细凝聚、化学凝聚及吸附凝聚结露沉积在排烟筒内表面形成肉眼可见的一层 1mm 左右的液膜，并形成冷凝结露液流淌，如图 4-2。这层水膜为含有 H2SO3、H2SO4、HCl、HF 等无机酸和 Cl-、F-等还原性阴离子的水溶液薄膜，提供电化学腐蚀所必须的电解质液膜。在湿烟气中的腐蚀即为薄液膜下气体，液体和固体多相作用的电化学腐蚀。在湿烟囱冷凝薄液膜下的腐蚀热力学本质与全浸方式可能是一致的，但其腐蚀反应动力学过程复杂，其机理仍值得更进一步的试验研究。湿烟囱结露的冷凝液PH 值 1.3~2.2，含有较大量的稀硫酸，少量的盐酸、氢氟酸、氯酸，使得对排烟筒具有液态腐蚀性；火电厂排烟筒某冷凝液成分如表 4-1。

排烟筒冷凝液的量各电厂排烟筒有差异，量小的如流水成线，量大的每小时十数吨，如图4-3、图 4-4。含有腐蚀介质的饱和水蒸气遇到温度低的筒壁时将快速冷凝，形成一种腐蚀性很高、渗透性很强的低温高湿稀酸型腐蚀环境，对钢质、砼质烟囱及排烟筒的腐蚀性极强。缠绕纤维增强塑料排烟筒、硼硅酸盐泡沫玻璃砖（进口宾高德）排烟筒防腐内衬、钛基复合金属内衬排烟筒防腐内衬基本能满足湿法脱硫系统不设加热装置（GGH）湿烟气的防腐防渗要求。

“潮湿烟囱”，指排放相对湿度大于 60%、温度大于 60℃但小于 90℃的烟气的烟囱。相当于排放湿法脱硫处理设 GGH 系统的烟气；潮湿烟气的温度一般高于其水结露点温度，排烟筒内壁相对干燥，无烟气冷凝结露液流淌，如图 4-1。“干烟囱”，指排放相对湿度小于 60%、温度不小于 90℃的烟气的烟囱。相当于排放未经湿法脱硫处理的烟气；以烟气二氧化硫含量 500～1000ppm、1000～1800ppm、大于 1800ppm 为界，分为弱、中、强的烟气气态腐蚀等级。防腐措施可用于排放原烟气、干法脱硫烟气，原烟气烟道可参照使用；采用的不锈钢内衬包括 6XN、317L、316L 等，应与烟气的腐蚀成分及腐蚀等级相适应。

目前，在我国燃煤电厂湿法烟气脱硫工艺中，未经湿法烟气脱硫装置处理前的烟气温度一般为 100~130℃，经吸收塔洗涤降温后的烟气温度会降低到 50℃左右，这些低温饱和湿烟气，直接经烟囱进入大气环境，遇冷凝结成微小液滴，产生白色烟羽，形成“大白烟”。而过高的烟气流速，将自吸收塔出来的烟气夹带液和冷凝液带出，形成“烟囱雨”。随着我国环保标准日益严苛，前几年多个省市政策对消除石膏雨、有色烟羽（烟气脱白）提出了治理要求，2019 年 10 月环保部等 16 部委《关于印发<京津冀及周边地区 2019-2020 年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案>的通知》（环大气【2019】88 号）对稳定达到超低排放要求的电厂不得强制要求治理“白色烟羽”。

工程实际中有多种采取烟温控制及其他有效措施的解决办法，如烟气-烟气换热器（GGH）、蒸汽-烟气换热器（SGH）、热媒烟气-烟气换热器（MGGH）、水媒烟气-烟气换热 WGGH。相应烟囱排烟筒的防腐措施是按照湿烟囱或潮湿烟囱来考虑，取决于其烟气温度、湿度、压力条件下，排烟筒内壁是否会形成结露液膜并形成冷凝液。工程中通过控制烟气流速、装置冷凝液收集系统来减缓或消除“烟囱雨”现象。湿法脱硫不上 GGH 的情况下，烟囱排烟筒内烟气温度较低，酸液结露严重，呈液态强腐蚀性，业主方和设计方须特别重视排烟筒防腐方案的选择。设计方应结合烟气类型、排烟筒型式，按照表 2.1-2“新烟囱标准烟囱防腐材料选用表”(即新烟囱标准 表 12.2.1)合理选择防腐性能相适用的防腐材料。确保防腐施工质量对烟囱排烟筒防腐方案实施成功与否有举足轻重的作用。在招标和施工过程中必须对生产安装厂家的原材料、现场施工环境和产品质量控制等严格要求和监管。

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