玻璃鋼在工業煙氣排放煙囪中的防腐蝕淺析

王天堂，陸士平

(上海富晨化工有限公司，上海 200233)

0 引言

近年來，國家環保法規對煙囪排出的氣體清潔度提出了嚴格要求。采取各種洗滌塔、吸收塔對煙氣進行脫硫、脫硝及其他脫酸等處理措施后，煙氣的溫度越來越低(45～95℃)，尚存的未處理干凈的SO3，SO2，HCL，HF等介質都在其本身的露點溫度以下，導致濕煙氣的酸性增大，對排煙筒體表面的腐蝕性增強。針對強腐蝕濕煙氣，歐美發達國家從1970年開始采用玻璃鋼排煙筒進行排放，以有效應對煙氣對排煙筒的腐蝕。幾十年的玻璃鋼煙囪使用業績也證明了它具有防止腐蝕和長期承受荷載的能力。為此美國頒布了《燃煤電廠玻璃纖維增強塑料(FRP)煙囪內筒設計、制造和安裝標準指南》(ASTM5364);國際工業煙囪協會(CICIND)也發布了《玻璃鋼(GRP)內筒標準規范》。

國內玻璃鋼煙囪使用起步較早，從20世紀60、70年代開始，在化工、有色、冶金等行業的排氣筒都有應用，但直徑比較小(1m～2m)，高度也不超過50m;80年代中期河北省中意玻璃鋼廠首家引進玻璃鋼纏繞技術與設備，推動玻璃鋼煙囪進入了快速發展期，目前玻璃鋼煙囪的直徑達到了5m，高度達到了100m以上。由于沒有相應的規范，其使用受到了限制。目前，尤其國內燃煤電廠的大機組用煙囪，面臨著脫硫后的酸性濕煙氣對排煙筒體表面的強腐蝕性，采用玻璃鋼煙囪將是解決煙囪腐蝕問題的一條新途徑。本文結合有關已實施或即將實施的標準，對于玻璃鋼煙囪中的一些技術進行探討。

1 煙囪防腐的形式選擇

排放干煙氣的煙囪受腐蝕比較嚴重的部位是在煙囪上部，這些部位由于受室外空氣的影響容易形成冷凝酸。凡設有內襯的煙囪，腐蝕介質容易侵入的部位，一是通過襯里分段的交接處;二是通過磚砌體的夾縫進入到外筒與襯里之間的夾縫處的煙氣介質，進而腐蝕外壁。

對于排氣腐蝕性強的濕煙囪和潮濕(半干)煙囪，要采用耐腐蝕材料制作或在筒內襯耐腐蝕材料。根據不同工況條件，可以采用不同的防腐蝕材料以及不同的結構形式:腐蝕較嚴重的煙道和煙囪可根據腐蝕介質的不同和工況條件而采用塑料、耐酸石材、耐酸磚、玻璃鋼、不銹鋼、合金綱，鈦板等;腐蝕較輕的煙囪，可以采用耐酸混凝土、涂層襯里等;腐蝕嚴重的煙囪，一般不宜采用磚砌外筒。玻璃鋼是發展較早、應用廣泛的一種復合材料，具有十分顯著的性能特點。與金屬材料或其他無機材料相比，它耐腐蝕、重量輕、比強度高、電絕緣、耐瞬時高溫、傳熱慢，克服了傳統襯里材料與結構材料之間存在的附著力差異，膨脹系數不同而發生脫落，分層等質量隱患，是一種兼具功能和結構特性的新型材料，玻璃鋼煙囪較其他材料制成的煙囪如不銹鋼更常用。表1列出了幾種電廠煙囪適用材料的比較。

表1 電廠煙囪中的幾中材料比較

2 玻璃鋼煙囪的一般規定

2.1 使用溫度和年限

在《燃煤電廠玻璃纖維增強塑料(FRP)煙囪內筒設計、制造和安裝標準指南》(ASTM5364)中規定:玻璃鋼煙囪適合于無GGH的濕飽和煙氣運行溫度(60℃以下)，當FGD吸收塔有旁路時，在開啟旁路煙道后的煙氣溫度，則在短時間內不超過121℃。國內燃煤電廠用于排放濕法脫硫煙氣的溫度，在無GGH時，大約在45℃ ～55℃范圍;有GGH時，大約在80℃ ～95℃范圍。從我們調查的國內化工、冶金和輕工等行業現有玻璃鋼煙囪的使用情況來看，絕大多數長期運行溫度不超過100℃。當煙氣溫度于100℃時，可在煙囪前段采取冷卻降溫措施，以確保煙氣運行溫度在合適的區間內。

根據有關國內外的標準，整體玻璃鋼煙囪的設計使用年限如下:ASTM D5364標準規定使用壽命為35年;CICIND標準規定使用壽命為25年。

2.2 玻璃鋼煙囪設計中的一般規定

玻璃鋼煙囪的筒壁應由防腐內襯層、結構層和外表面層組成，并應符合下列規定:

(1)防腐內襯層由富樹脂層和次內襯層組成，富樹脂層厚度應不小于0.25mm，宜采用玻璃纖維表面氈，其樹脂含量應不小于85%;次內襯層應采用玻璃纖維短切原絲氈或噴射紗，其厚度應不小于2mm，樹脂含量應不小于70%。

(2)防腐蝕內層及外表層樹脂含量高，強度及模量低，在計算結構強度和承載力時，均不考慮。另玻璃鋼的彈性模量較低，因此需對撓度做出相應規定。在力學計算設計時，要綜合考慮各種因素，包括煙囪的軸向強度和穩定性計算、煙氣正負壓和風荷載下的強度計算、玻璃鋼筒外側壓力驗算、加強肋的抗彎強度驗算、開口補強和連接處的計算等。

(3)外表面層中的最后一層樹脂應采取無空氣阻聚措施。當玻璃鋼煙囪暴露在室外時，外表面層應添加紫外線吸收劑，外表面層厚度應≥5mm。

(4)由于玻璃鋼材質的耐磨性能不強，在高的煙氣流速下，對拐角或突變部位的沖擊和磨損加大，導致腐蝕加強。可通過在樹脂中添加耐磨填料(如碳化硅等)來提高該部位玻璃鋼的耐磨性。

(5)防腐蝕內層和結構層宜選用同類型的樹脂;當選用不同類型的樹脂時，層間不得脫層。

3 玻璃鋼煙囪的樹脂選擇

玻璃鋼作為一種新型的防腐蝕形式，其防腐蝕樹脂的選擇是相當重要的。目前，國內用的比較多的防腐蝕樹脂主要有雙酚A型不飽和樹脂、氯化不飽和樹脂和環氧乙烯基酯樹脂。

雙酚A型不飽和聚酯樹脂具有良好的耐酸、一定的耐堿性和較好的綜合機械性能和耐溫性，國外20世紀70年代作為耐蝕型UPR的代表大量使用，但由于其斷裂延伸低、脆性，80年代后逐漸被環氧乙烯基樹脂所取代。氯化不飽和聚酯樹脂具有優良的耐腐蝕性能及良好的阻燃性。特別適合用于制造耐高溫、耐含氯(氟)化學介質或耐強氧化環境的設備。環氧乙烯基酯樹脂是國際上公認的高度耐腐蝕樹脂，它結合了環氧樹脂的優良耐熱、機械和化學性能及UPR樹脂的優良工藝性能。目前乙烯基系列產品中，有常規的雙酚A環氧型、酚醛環氧型、高交聯型、阻燃型等產品，結合相關標準的內容，新國家標準中規定采用反應型阻燃環氧乙烯基樹脂。

4 全玻璃鋼形式結構及安裝

全玻璃鋼的煙道和煙囪可以采用纏繞工藝進行制造。一般有以下幾種結構形式:自立式、拉索式、塔架式、套筒式或多管式玻璃鋼煙囪。目前常見的主要塔架式和套筒式等形式，下面就這幾種形式的一些制造和安裝細節進行說明。

4.1 拉索式

拉索式玻璃鋼煙囪是采取拉索進行水平支撐，經濟性較好，目前在一些小型煙囪中應用較多，如一些燒結機裝置中的吸收塔與煙囪一體裝置中等。在采用拉索式玻璃鋼煙囪時，拉索設置應滿足以下規定:當煙囪高度與直徑之比小于15時，可設1層拉索;煙囪高度與直徑之比大于15時，可設2層拉索。拉索一般為3根，平面夾角為120°，拉索與煙囪軸向夾角不小于25°。

4.2 塔架式

以支架為承重結構，支承一個或一個以上的排氣筒，是化工排氣筒常見的型式，塔架式排氣筒可采用鋼或鋼筋混凝土的支架，筒體高出支架。玻璃鋼排氣管采用各類樹脂和玻璃布纏繞成型，一般使用溫度可以到80℃以上，有的可高達200℃。玻璃鋼的線膨脹系數比聚氯乙烯塑料小得多，因此100m以內高度，一般可不設膨脹節。玻璃鋼整體性好，力學強度和耐熱性能比聚氯乙烯塑料好，防腐性能好，防腐范圍寬。近二十年來在硝酸、硫酸、過磷酸鈣、合成纖維等生產中都有良好的應用。

4.3 套筒式

套筒式結構人稱筒中筒結構，是用鋼筋混凝土或磚砌體為支承結構，支承一個或一個以上的排氣筒。這種形式在化工、冶金部門采用過，國內外大機組濕法脫硫電廠絕大多數采用。套筒式排氣筒的支承結構內設操作平臺，可在內外筒之間檢修。其優點:整體性好，能有效地防止介質從接縫處的腐蝕滲透，可避免受風力等的作用和影響;玻璃鋼結構的內膽和外筒是相對獨立的不同材質的筒體，能有效的避免由于介質環境的溫差引起不同材質的收縮性不一致，而引起的內應力破壞;由于玻璃鋼結構輕質高強，起吊安裝方便;施工周期短，費用少。

5 全玻璃鋼形式應用注意事項

(1)由于玻璃鋼材料為各向異性，容易產生應力集中，因此下部煙道接口建議設計成圓形，以盡量減小對玻璃鋼筒體的破壞，同時玻璃鋼煙囪的連接可采用承插粘接或平端對接等方式。

(2)煙囪膨脹節宜采用玻璃鋼法蘭形式連接，連接節點應嚴密，連接材料的防腐和耐溫性能應符合工藝要求。另外玻璃鋼加強肋間距應不超過煙囪直徑的1.5倍，同時不大于8m。

(3)在實際應用中要根據具體腐蝕性介質及溫度、是否含水等情況選擇防腐樹脂;同時考慮樹脂的力學性能，因為FRP形式的煙道在高空下會受氣流等形式的影響，在設計上就要求有延伸率較高、韌性更好的耐用腐蝕樹脂，且在高溫下FRP的力學性能會有所下降，在設計中要充分考慮到這一點。

(4)結構樹脂的選擇。目前，國內FRP的外側會采用常規的通用樹脂以降低成本，但通用樹脂適用較低溫度，在較高的溫度下通用樹脂的力學強度損失較大，就會增加由于結構樹脂的力學損耗造成的煙囪的力學破壞，最后導致防腐蝕失效，所以我們建議在較100℃以上的使用溫度情況下，建議用乙烯基礎酯樹脂或雙酚A樹脂等進行制作結構層，或進行整體FRP制作。

(5)增強材料的選擇:在防腐蝕層制作時，要充分考慮增強材料選擇的重要性，一般情況下，玻纖是一種經濟高性能的選擇，但在如含氟、強堿等情況下，就不適合選用玻纖了，碳纖維或一些有機纖維是較好的選擇。

(6)玻璃鋼煙囪在制造過程中，一定要注意不能讓玻璃鋼材料受到破損和破壞，從纏繞的設備能力和安裝能力等方面綜合考慮可采用分段制造，并增加每節筒體長度。

(7)在裝卸、存放和安裝玻璃鋼煙囪期間，施加在玻璃鋼上的載荷及由此而產生的應力，需考慮加到設計中去。對于直徑超過3m的分段玻璃鋼煙囪宜垂直位置存放和移動。當分段的玻璃鋼煙囪進行水平和垂直位置的相互變換時，應符合底部邊緣點的載荷設計，并且防腐蝕層表面不得產生裂紋。每段玻璃鋼煙囪上的對稱吊環，應滿足安裝期間所施加的各種載荷。

［1］化學工業部化工機械研究院.腐蝕與防護手冊:化學生產裝置的腐蝕與防護［M］.北京:化學工業出版社出版，1991.

［2］中國腐蝕與防護學會.合成樹脂及玻璃鋼［M］.北京:化學工業出版社，1995.

［3］王天堂，陸士平.酚醛環氧乙烯基酯樹脂的性能及在耐高溫強腐蝕場合中的應用［J］.全面腐蝕控制，2001，(5):20 －23.

［4］王天堂，陸士平.VEGF鱗片膠泥在煙氣脫硫裝置中的應用［J］.中國環保產業，2002，(Z1):70 －72.

［5］GB50051－2002，煙囪設計規范［S］.

［6］GB50078－2008，煙囪工程施工規范［S］.

［7］郭東明.硫氮污染防治工程技術及其應用［J］.北京:化學工業出版社，2001.