焦化廠大氣環境對混凝土耐久性損傷影響研究

周 楠

(中冶集團建筑研究總院，北京 100082)

0 引言

我國是世界焦炭生產大國，焦炭產量占世界焦炭總產量比重較高[1]。焦化廠一般由三大部分組成，分別為煉焦車間、回收車間和焦油加工車間。焦化工序包括備煤、裝煤、煤的高溫干餾、推焦、熄焦、破碎篩分、荒焦爐煤氣凈化、化學品回收(包括焦油、粗苯的精加工、脫硫)及其廢水處理等多步環節[2]。整個生產過程中，會產生包含諸如CO2，SO2，NOx，H2S的廢氣[3]，而這些腐蝕性氣體會隨著時間的推移，對混凝土結構造成較為嚴重的耐久性破壞。因此，有必要對焦化廠的大氣環境及其混凝土結構的耐久性損傷現狀進行分析總結。

本文以某鋼鐵集團燒結廠焦爐和煤精分廠回收作業區為例，對其進行了詳細的調查和現場檢測，采集了溫度、相對濕度、腐蝕氣體濃度(CO2,SO2,NO2,H2S)數據，分析了焦爐、硫銨大樓等主要混凝土建構筑物所處局部環境特點，收集了各混凝土建構筑物耐久性損傷情況，通過對比局部環境數據和損傷情況總結了焦化廠混凝土耐久性破壞嚴重程度及相應的破壞形式，并對工業建筑混凝土耐久性檢測與評定工作提出了幾點建議。

1 焦化廠現狀概述

煉焦作為煉鋼全流程最為重要的配套環節之一，其環境特點主要為高溫、腐蝕氣體種類多、濃度高，加上焦化廠大多數混凝土建構筑物處于露天狀況，會受到偏酸性的雨水沖刷等外部因素影響。在整個煉焦過程中，又以焦爐和化學產品回收片區的局部環境狀況最為惡劣，相應的耐久性損傷情況最為嚴重。以某鋼鐵集團7.36 m焦爐(2號焦爐)為例，其建于2007年，端臺為鋼筋混凝土框架結構，中部為框剪結構和焦爐燃燒設備，平面整體呈矩形，其現狀如圖1所示。煤精分廠三回收作業區，其平面布置如圖2所示。

2 焦化廠環境狀況分析

課題組于2020年12月份對某鋼鐵集團焦化廠進行了短期的環境監測，監測內容包括：溫度、相對濕度、腐蝕氣體濃度(CO2,SO2,NO2,H2S)。其中溫度和相對濕度采用溫濕度記錄儀進行監測，每個測點視現場檢測條件連續監測5 d～7 d，以消除不必要的誤差。腐蝕氣體濃度采用便攜式高精度氣體檢測儀進行測量，在測點附近位置取多次測量值平均數。由于測點眾多，且具有一定重合性，所以選取部分具有代表性的測點進行作圖分析。

2.1 溫度分析

圖3為某鋼鐵集團2號焦爐12月份某日部分測點溫度變化。圖4為該鋼鐵集團三回收作業區12月份某日部分測點溫度變化。測點位置及相關信息統計如表1所示。

表1 部分測點位置及溫度信息

根據以上溫度數據，對于焦爐，其溫度變化大致可分為三類：以底部一層為代表的低于常溫平緩波動，以二層中部為代表的常溫平緩波動和以爐頂為代表的高溫劇烈波動。同一時刻爐頂局部環境溫度最高，爐底外圍剪力墻最低。同時，由于焦爐測點為露天狀態，受當日一般大氣溫度影響較大。

對于煤精分廠回收作業區，各測點溫度波動較小，大致可分為低于常溫波動、常溫波動和高于常溫波動。生產過程、設備運轉會對測點溫度產生一定的影響。

2.2 相對濕度分析

在對溫度進行監測的同時，采集了對應測點對應時刻的相對濕度數據。圖5為某鋼鐵集團2號焦爐對應時刻對應測點相對濕度變化，圖6為該鋼鐵集團三回收作業區對應時刻對應測點相對濕度變化。相關信息統計于表2。

表2 部分測點位置及相對濕度信息

由圖5，圖6及表2可知，測點相對濕度變化趨勢與對應測點的溫度變化趨勢大體相反，符合理想情況。同時，相對濕度變化幅度明顯高于溫度變化，溫度較高的焦爐爐頂的濕度波動極其劇烈。

2.3 腐蝕氣體濃度分析

表3為某鋼鐵集團2號焦爐和煤精分廠三回收作業區部分對應測點的腐蝕性氣體濃度情況，數據包括CO2，SO2,NO2,H2S四大類。通過表3中數據可以看出：測點位置不同，工藝流程不同，其各腐蝕性氣體的濃度也有很大差異。各測點SO2,H2S的濃度差值顯著高于CO2,NO2濃度差值。對于焦爐，爐頂腐蝕性氣體濃度最高，其余部位的濃度相差不大；對于煤精三分廠回收作業區，硫銨大樓的腐蝕性氣體濃度明顯高于其他部位，其中又以硫銨大樓三樓離心機層的濃度最高。

表3 部分測點腐蝕氣體濃度 mg/m3

3 耐久性外觀損傷檢測與分析

高溫、高腐蝕性氣體濃度等惡劣的局部環境，必然會對鋼筋混凝土結構的耐久性造成較大的影響。課題組于12月份對某鋼鐵集團2號焦爐和三回收作業區的硫銨大樓進行了詳細的耐久性外觀損傷檢測。圖7～圖10為部分混凝土柱、剪力墻、梁板系統的耐久性損傷現狀。

可以看出，焦爐和硫銨大樓的混凝土構件出現了耐久性損傷，而損傷形式和程度由于局部環境的差異，又有明顯不同。文獻[4]也指出對結構耐久性破壞起關鍵性作用的是局部環境狀態。對其耐久性損傷的相關信息進行分析并統計，如表4所示。

表4 部分混凝土構件損傷現狀信息統計

由現場檢測的混凝土耐久性損傷現狀可知，對于焦爐，影響其耐久性損傷的因素主要為腐蝕性氣體含量，以及露天雨水反復沖刷。靠近爐體的建構筑物還會受到高溫的影響，溫度越高，二氧化碳在混凝土中的擴散速度越快，碳化反應速率也加快[5]。爐體兩端的框架柱體、梁板以及爐底下部的外圍剪力墻均會出現不同程度的耐久性損傷，主要表現為露筋銹蝕，混凝土保護層開裂甚至脫落。

對于以硫銨大樓為代表的回收作業區，影響其耐久性損傷的因素主要為以SO2和H2S為代表的腐蝕性氣體含量，梁板柱均會出現表層起皮、露筋銹蝕等損傷。其劣化程度與酸性氣體濃度的分布有直接關系，對處于酸性氣體濃度較高的部位，混凝土柱膨脹腐蝕現象較明顯，結構耐久性損傷也較嚴重[6]。

4 結語

1)焦化廠作為煉鋼全流程中的重要一環，其局部環境具有自身的特點。影響其混凝土耐久性損傷形式和嚴重程度的主要因素主要包括溫度、相對濕度和以SO2為代表的腐蝕氣體濃度。

2)由于局部環境的差別，各混凝土構件的耐久性損傷形式也明顯不同。高爐主要為露筋銹蝕，混凝土保護層開裂甚至脫落；以硫銨大樓為代表的三回收作業區主要為表層起皮、酥松，露筋銹蝕。

3)對于今后有關焦化廠的耐久性檢測鑒定工作，工作人員應對個別區域著重關注，例如焦爐的框架柱、板以及爐底外圍剪力墻，硫銨大樓的流化床、離心機和結晶槽等工段的混凝土構件。