[摘要]結合工程設計的實踐經驗,談談城市生活垃圾焚燒工程中煙囪設計的體會,內容包括與煙囪設計有關的工藝設計、結構設計、煙氣腐蝕機理分析及相應的防腐蝕措施。
[關鍵詞]垃圾焚燒廠 煙囪 設計 防腐蝕
引言 近幾年來,國內建設的垃圾焚燒廠不斷增多。除了極少數焚燒特殊垃圾(例如醫療垃圾)的焚燒廠外,對于絕大多數城市生活垃圾焚燒廠,煙囪都是必不可少的設施。目前,國內外建設的很多火力發電廠以及一些自用鍋爐的大中型廠礦企業,也都需建設煙囪。過往的煙囪設計,大多比較成功,但也存在一些問題。這些經驗和教訓,為近幾年來開始興建的城市生活垃圾焚燒廠的煙囪設計,提供了寶貴的借鑒。與火力發電廠的煙氣相比,垃圾焚燒產生的煙氣成份不同、排放標準不同、煙囪的運行方式也不一樣,垃圾焚燒廠的煙囪設計有自身的特點。本文結合多個工程的設計實踐經驗,談談城市生活垃圾焚燒工程中煙囪設計的體會。
1 工藝設計
煙囪的作用是將燃燒尾氣排向大氣,利用大氣的擴散作用將尾氣擴散稀釋。工藝專業設計的內容含:煙囪的高度、排氣筒管徑、煙氣流速、煙氣溫度、排氣筒的布置形式。
1•1煙囪高度
煙囪高度越高,尾氣擴散稀釋的效果越好,同時,建設費用亦越高,因此,煙囪高度應根據環境影響評價要求,在滿足國家環境保護要求的前提下,適當考慮
1•2排氣筒管徑、煙氣流速
尾氣從煙囪口排出的速度越大,擴散稀釋的效果越好。但是,速度越過30m/s,會發生笛音現
象,所以尾氣排放速度不能大于這個值。如果煙氣流速過低,又會增加煙氣對排氣筒腐蝕的可能,也降低煙氣的擴散稀釋效果,通常的煙氣流速控制在10~20m/s。確定了煙氣流速,根據產生的煙氣總量,便能確定出排氣筒管徑。煙囪(排氣筒)出口內徑d(單位:m)由下式確定:
d=ndVy3600×0.785w0
式中 nd—由一個煙囪(排氣筒)負擔的蒸汽數值(單位:t/h);
Vy—每小時產生1t蒸氣的煙氣量(單位:m3/h);
w0—煙囪出口處的煙氣流速(單位:m/s)。圓形煙囪(排氣筒)的出口內徑,一般不小于
0•8m,內表面無須防護處理且無須人員入內維護的鋼制煙囪(排氣筒)不受此限。
1•3煙氣溫度
煙氣溫度取決于煙氣凈化設備出口的煙氣溫度,但不能低于煙氣露點,以避免煙氣在排氣筒內
結露,對排氣筒造成腐蝕。
1•4排氣筒的布置形式
垃圾焚燒設施的尾氣排放量與垃圾熱值和焚燒負荷有關,同時運行的垃圾焚燒爐臺數對尾氣
排放量有很大影響。如果多臺焚燒爐的尾氣從一只煙囪(排氣筒)排出,焚燒的運行狀況不同(例如,其中一臺或幾臺焚燒爐停爐維修),尾氣排放量及排放速度均不同,使煙氣在煙囪排氣筒內的流度、流量、溫度難以控制在設計允許的范圍內。一臺焚燒爐一個排氣筒,能夠有效地利用尾氣自身擁有的能量,較為方便地控制煙氣的流速、溫度。但是,如果一個排氣筒設一只煙囪,建設及維護費用都很高。目前,國內外通常的做法,是采用組合式煙囪,即一臺焚燒爐設一個排氣筒,多個排氣筒組合在一起,形成一只煙囪,換而言之,即在一只煙囪內,設多個排氣筒,各排氣筒相互獨立。上海垃圾焚燒廠采用一只組合式鋼筋混凝土煙囪,內設3個鋼排氣筒,每臺焚燒爐一個排氣筒;其煙囪的高度:80m,排氣筒管徑:1800mm,煙氣流速:15m/s,煙氣溫度120~140℃(排氣筒出口溫度)。
2 結構設計
盡管實際工程中,組合式煙囪、集中式煙囪(多爐共用1個排氣筒)和獨立式煙囪(1爐1個
排氣筒1只煙囪)都存在,但本文僅討論在城市生活垃圾焚燒廠工程中常用的組合式煙囪。從結構受力的角度,組合式煙囪可粗分為三種形式:混合式煙囪:外筒為鋼筋混凝土結構,作
為受力結構,排氣筒為鋼制大直徑圓形管道,僅作為煙氣排放的通道,不作為受力構件;塔架式鋼煙囪:塔架獨立承擔外荷載作用,鋼制排氣筒為非受力構件,依附于塔架,鋼制排氣筒的荷載(包括自重及外荷載),由塔架承擔;排氣筒受力塔架式鋼煙囪:鋼制排氣筒作為塔架中的受力構件(肢柱),參與塔架整體受力分析。確定適當的結構受力體系后,選用恰當的程序進行計算分析。有關規定,按照《煙囪設計規范》GB50051執行。本文不作贅述。五洲工程設計研究院設計的一些實例為:上海江橋城市生活垃圾焚燒廠煙囪:三管集束式組合煙囪,外筒為鋼筋混凝土墻體作為受力結構,內設3根普通碳素鋼制排氣筒,懸掛式受力形式;河北靈達垃圾轉化熱電站煙囪,四管集束式組合煙囪,結構同上,僅排氣筒為4根;廣東東莞橫瀝垃圾轉化熱電站煙囪,為單筒集中式煙囪,鋼筋混凝土筒體結構,內砌防護砌體墻。
3 煙囪的防護設計
煙囪的防腐蝕設計,應考慮下列因素:煙囪內煙氣的腐蝕等級;結構重要性;煙囪的運行方式
(經常性或間隙性運行方式);煙囪內是否有結露現象;技術經濟比較;檢修條件。
煙囪的腐蝕,主要包括自然環境腐蝕和排氣筒內的煙氣腐蝕,煙囪的防護設計,也主要是針對這兩種腐蝕的防護。自然環境的腐蝕,主要是雨雪、空氣中有害成分(大多來源于工業生產的排放物)的腐蝕等,對這種腐蝕,有許多有效的防護措施,較為常見,本文不作贅述,本文主要討論煙囪排氣筒內壁針對煙氣腐蝕的防護設計。談到排氣筒內壁的防護,有必要討論煙氣成分、煙氣腐蝕的機理、煙氣凈化的工藝與防護的關系。
3•1煙氣的成分
煙氣的成分比較復雜,不過,無論采用何種煙氣凈化工藝,正常生產狀態下,從煙囪出口排出的煙氣的成分,必須達到國家標準(或國際標準)。
上海垃圾焚燒廠執行的標準(含氧量為11%的干氣體)。
除了上表中列出的成份以外,煙氣中還有排放標準中不控制但對排氣筒腐蝕有影響的成分,例如水汽、CO2。
3•2煙氣對鋼材腐蝕的機理
從煙氣成分分析,煙氣中對鋼有腐蝕作用的成分主要是HCl、HF及SOx、CO2、水汽等。干燥的HCl、HF、SOx氣體對鋼材的腐蝕作用非常輕微。據有關資料,200℃的干燥的HCl氣體,300℃的干燥的SO2氣體,對碳鋼的腐蝕深度在0•1~1mm/a,按照均勻腐蝕10級蘇聯標準判斷,為6~7級(尚耐腐蝕),按照均勻腐蝕3級標準判斷,為2級(可用);CO2氣體對鋼材幾乎沒有
如果煙氣中含有足夠的水份,并且出現了結露,那么,排氣筒筒壁上將會出現酸性液體,對排
氣筒產生嚴重的腐蝕作用,HCl、HF酸性液體能直接與鋼材發生化學反應。煙氣中的SO2,通常先與水H2O反應生成H2SO3,也可能同時與水汽H2O和氧氣O2反應,生成H2SO4,而H2SO3、H2SO4再與鋼材反應,從而對鋼材產生腐蝕作用。煙氣中的CO2,會與水H2O反應生成H2CO3,也會對鋼材產生一定的腐蝕。此外,還有其它腐蝕。碳鋼在無氧酸(如鹽酸、氫氟酸等)中能被強烈腐蝕,被腐蝕的速度隨酸的濃度增加而加快;碳鋼在含氧酸(如硫酸等),被腐蝕的速度取決于酸的氧化能力。因此,工藝專業應選擇合適的煙氣流速及溫度,采用適當的煙氣凈化工藝,以降低煙氣濕度;建筑專業在排氣筒外壁采取適當的保溫措施,以確保煙氣在排氣筒流動過程中不結露或盡可能少結露。在工程設計中,采取這些措施后,可以認為正常生產狀態下產生的煙氣,對鋼材的腐蝕作用,可以得到有效控制。
3•3煙氣凈化工藝與排氣筒防護
煙氣凈化工藝形式較多,按吸收劑的狀態及其系統中是否有廢水排出,可分為濕法、半干法和
干法三種。對于采用濕法煙氣凈化工藝,其處理后的煙氣中,含水量相對較大,對排氣筒的腐蝕作用也較大,一般都需要對排氣筒采取防護措施。在日本、歐洲,有一些針對性防護作法,可供
參照。在國內普通火力發電廠工程中,常常采用磚砌煙囪或者鋼筋混凝土煙囪,內設耐火磚襯里的做法,這樣成功的工程實例很多,可供參照;近些年,采用鋼管煙囪的工程實例也逐漸增多。對于采用半干法或干法煙氣凈化工藝,其處理后的煙氣中,含水量相對較少,對排氣筒的腐蝕作用也較小。若采用磚砌煙囪或鋼筋混凝土煙囪,其防護做法可以參照用于濕法煙氣凈化工藝的煙囪防護做法。本文主要討論鋼制煙囪(排氣筒)及鋼筋混凝土組合式煙囪中的鋼制排氣筒,對經過半干法或干法工藝處理過的煙氣的防護問題進行探討。通常,對于采用半干法或干法煙氣凈化工藝,在正常生產狀態下產生的煙氣,排氣筒鋼管采用普通碳素鋼,排氣筒內壁不采取任何防護措施,排氣筒壁外裹隔熱保溫層。隔熱保溫材料多為礦棉或玻璃纖維,厚度根據熱工計算確定,應能使排氣筒內煙氣溫度在設計允許的范圍內,排氣筒隔熱保溫層外的溫度不高于45℃。采用半干法或干法煙氣凈化工藝,在非正常生產狀態下(如試運行、啟動、停爐等時期)煙氣的成分、溫度、流速等諸參數可能達不到設計指標,盡管這種狀態不會持續很長時間,但由此導致的煙氣對排氣筒的腐蝕的可能性是存在的。因此,還需要采取一些輔助防護措施。輔助防護措施的第一種方法:依據煙氣對排氣筒的腐蝕作用的大小,在結構計算所需排氣筒鋼管壁厚的基礎上,增加一定厚度,即“腐蝕厚度裕度”,使煙囪在結構設計使用年限內,扣除因煙氣腐蝕而損失的鋼管壁厚度后,所剩下的鋼管壁厚度,依然能使鋼管具有足夠的強度、剛度、穩定性,能滿足結構安全使用的需要。目前,國內外尚沒有充分的煙氣對排氣筒鋼管壁的腐蝕數據,通常對于結構設計使用年限為50年的排氣筒,考慮煙氣腐蝕而增加的最小腐蝕厚度裕度取為2-3mm,有隔熱層時取為2mm,無隔熱層時取為3mm。對于“非正常生產狀態”經常發生,例如某些垃圾焚燒爐每隔2~3年停爐檢修一次的情況,應適當增加“腐蝕厚度裕度”到3~4mm,有隔熱層時取為3mm,無隔熱層時取為4mm;鋼材為普通碳素鋼的“腐蝕厚度裕度”偏上限取值,鋼材采用可焊接低合金耐候鋼的,“腐蝕厚度裕度”可偏下限取值。
輔助防護措施的第二種方法:在排氣筒鋼管內壁,涂能耐160℃高溫的耐酸性防護涂料,做法可參照用于濕法凈化工藝的排氣筒防護做法。綜合考慮兩種方法的費用,以及第二種方法
中涂料老化、日常維護困難的原因,作者建議采用第一種方法為宜。除以上兩種方法外,煙氣管道還可以用不銹鋼制作,但費用較高,考慮到我國國情,筆者不建議采用這種方法。另外,排氣筒筒首部分,是最易腐蝕的部位,設計時應采取專門的防護措施,一般宜采用不銹鋼制造,高度為1•5倍左右的排氣筒出口直徑。
4 關于《煙囪設計規范》GB50051-2002的一點建議《煙囪設計規范》(GB50051-2002)第10•1•1條規定,“煙囪內的煙氣溫度低于150℃,且燃煤的含硫量大于0•75%時,煙囪的防腐蝕設計應符合本章的有關規定。”;第10•1•2條規定,根據燃煤含硫量的不同,將煙氣劃分為不同的腐蝕等級。筆者認為這樣欠妥,理由如下:
1•無論燃煤含硫量多少,其排放出的煙氣都應該符合國家的煙氣排放標準,對于不符合標準
的,應該采取諸如增加脫硫設施等凈化措施,以使其達標排放。不能說:因為購進的燃煤含硫量高,就有充分的理由超標排放。
2•煙氣腐蝕作用的大小,與煙氣中腐蝕性成
份的含量、煙氣含水量、煙氣的流速、外界環境、結露情況等因素有關;再者,含硫量相同的燃煤,燃燒后的煙氣,經過不同的煙氣凈化工藝處理后,煙氣的成份也存在差異,因此,不能簡單地以燃煤的含硫量作為判定腐蝕等級的唯一依據。
3•實際工程中,除了以燃煤作燃料的鍋爐外,還有以燃油(重油、渣油、柴油、煤油等)、燃氣、
垃圾等作為燃料的。對于不是以燃煤作燃料的鍋爐,其產生的煙氣的腐蝕等級,缺少判斷的依據。作為國家規范,應照顧全面。筆者建議:不要以燃料的成分作為判斷煙氣腐蝕等級的依據,而應以煙氣自身的成份作為判斷的依據,并且要綜合考慮煙氣的流速、含水量、外界環境、結露情況等相關因素。目前,先進的煙氣在線檢測技術已經得到廣泛應用,可以較為方便地得到諸如煙氣成分、流速等檢測數據,使綜合判定腐蝕等級的方法的制定和實施,具備了數據條件。
5 結束語
提高煙囪的設計質量,關鍵在于做好煙囪的防腐蝕設計。而煙氣的腐蝕,與煙氣的成份、溫度、濕度、流速,煙囪的高度、受力形式、保溫措施、輔助防護措施、運行方式等等諸多因素有關。
因此,在設計過程中,需要參加設計的工藝專業、建筑專業、結構專業等密切配合。每個專業,如果能多了解其他專業相關的專業知識,對提高本專業的設計質量和綜合設計質量,是十分有益的。
