耐酸膠泥在脫硫煙囪防腐中失效原因初探

耐酸膠泥在脫硫煙囪防腐中失效原因初探

(上海富晨化工有限公司 上海 200233, )

摘 要：結(jié)合一失敗案例, 探討了耐酸膠泥內(nèi)襯在脫硫煙囪排煙筒中使用的技術(shù)可行性,從設(shè)計,施工,材料特性等方面進行了分析,得出了耐酸膠泥內(nèi)襯在脫硫后的濕煙囪排煙筒中需要慎重使用的結(jié)論。

關(guān)鍵詞： 水玻璃 耐酸膠泥 脫硫煙囪 防腐蝕 應(yīng)用

一、前言

由于國內(nèi)有關(guān)脫硫煙囪防腐蝕設(shè)計施工等規(guī)范的編制滯后,使得目前電廠脫硫煙囪的防腐蝕內(nèi)襯形式多樣,但因各種煙囪工藝條件及技術(shù)觀點的不同，眾多功能不一的防腐蝕材料正被選用后處于使用和實踐過程中，其中也包括以水玻璃類為基礎(chǔ)的耐酸膠泥.究竟哪些材料適宜用于煙囪的內(nèi)襯防腐蝕材料，還需要有一個較長時間使用考驗后才能判定。筆者與國內(nèi)許多電廠就煙囪防腐蝕內(nèi)襯形式有過技術(shù)上的交流與溝通，從中得到了大量的應(yīng)用反饋，其中于2008年6月應(yīng)邀到江蘇南通某熱電廠2*115MW機組共用的脫硫煙囪進行了實地考察.本文將結(jié)合近期業(yè)主方的使用反饋意見和現(xiàn)場情況,探討耐酸膠泥在煙囪中使用的技術(shù)可行性。

二、案例說明

南通某電廠的脫硫煙囪防腐蝕內(nèi)襯是在2006年做的耐酸膠泥（也稱輕質(zhì)耐酸澆注料），在此后不到一年的運行時間里，業(yè)主發(fā)現(xiàn)煙囪外壁會滲出大片液體，同時會殘留大量的白色結(jié)晶物（如圖1）。

（圖1：煙囪外壁滲出液體）                

煙囪是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),高120米,頂部直徑3.3米，底部11.3米.筒壁內(nèi)襯采用山東一城市材料廠生產(chǎn)的某不定型耐火材料廠生產(chǎn)的耐酸膠泥，該耐酸膠泥以輕質(zhì)骨料、粉料、粘合劑和添加劑組成，粘合劑主要成分為水玻璃。該耐酸膠泥亦作為煙囪隔熱材料使用，煙囪不另設(shè)隔熱層。輕質(zhì)骨料結(jié)構(gòu)孔隙率大，表面粗糙，粒徑約5mm，骨料和粉料吸水率和吸濕性大，按配合比攪拌后流動性差。對運輸和倉儲要求比較高，生產(chǎn)廠家出廠時已把骨料和粉料配成混合料并用編織袋包裝好運到現(xiàn)場，臨時存放在排水措施良好、防雨防潮干燥的倉庫。

該材料具有體積密度小、凝固快、使用溫度高，抗壓強度隨著溫度和酸度的提高而提高，導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)小等特點，目前國內(nèi)一些廠家的商品名雖然有所差別，但基本組成和特性均相近，主要成份均是輕質(zhì)性水玻璃膠泥。

三、工程回顧

在該煙囪防腐蝕工程中，內(nèi)襯膠泥要求施工工藝流程較復(fù)雜：模板安裝→強制式攪拌機拌料→混膠泥入槽→丁字型專用工具振搗密實→膠泥固結(jié)后拆模→割縫處境→模板拆卸。施工時要嚴格按配合比下料，施工時注意配料順序，掌握攪拌時間，做好天氣及環(huán)境溫度變化的施工措施，不準使用機械振搗，只能使用專門制作的丁字型工具進行搗固。澆注料在搗固成型固結(jié)拆除模板后，要用2.5～3mm厚的無齒鋸切割伸縮縫，尺寸為1.5×1.5m，深度約為25mm.

從現(xiàn)場情況看到：使用不到兩年的內(nèi)襯有很多細小紋裂，在積灰平臺上看到有多條5mm左右寬的裂縫(如圖2)，在一裂縫處取下一塊膠泥塊，在內(nèi)襯與基面粘結(jié)層處看到有一層白色結(jié)晶物，這與煙囪外壁滲出的白色物體色澤一致。

（圖2：積灰平臺處膠泥裂縫圖片）

四、案例解析

把取下的耐酸膠泥樣塊用水沖洗潔凈,放在陽光下晾曬一段時間后發(fā)現(xiàn)，樣塊表面又有一層白色結(jié)晶物析出，與在煙囟內(nèi)析出的結(jié)晶物一致。這種結(jié)晶物為何會大量的透過防腐內(nèi)襯層，在內(nèi)襯層與煙囪混凝土內(nèi)壁處及外壁上都析出這種結(jié)晶物呢？這可能與防腐蝕所采用的內(nèi)襯材料結(jié)構(gòu)是否致密有關(guān)?；谀退崮z泥的結(jié)構(gòu)疏松,孔隙率大，表面粗糙，其吸水率和吸濕性就很大，因此脫硫后濕煙氣中的酸水液會被內(nèi)襯層吸收；同時基于脫硫后煙囪內(nèi)壁可能出現(xiàn)的正壓區(qū)，這樣飽和濕煙氣中酸水液會輕易地滲透過煙囪的密實性較差的耐酸膠泥層，甚至會滲透到煙囪的混凝土筒體，由于脫硫后的飽和濕煙氣中的酸水液體腐蝕性極強，這樣整個防腐蝕屏障就失效了。這種腐蝕性液體,一是可能耐腐蝕層和混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的某些物質(zhì)反應(yīng)結(jié)合而生成結(jié)晶物；二是煙氣中可能也存在一部分脫硫工藝中生成的硫化物。綜合以上情況，我們認為從技術(shù)上和實際應(yīng)用情況來看,耐酸膠泥應(yīng)用于脫硫后的濕煙囪上可行性是值得懷疑的，至少說是要慎重考慮的。

關(guān)于水玻璃類材料的選用,在《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》（GB50046-2008）中已有明確規(guī)定：常溫介質(zhì)作用時，宜選用密實型水玻璃類材料；當介質(zhì)溫度高于100度時，不應(yīng)選用密實型水玻璃類材料。經(jīng)常有稀酸或水作用的部位，應(yīng)選用密實型水玻璃類材料。這也就說明在脫硫后的煙囪運行中如果存在介質(zhì)溫度變化(事故和直排,或濕煙氣)的情況，則不應(yīng)選用水玻璃類材料，因為在實際煙囪運行中均會存在高溫與低溫交替共存的情況，從而導(dǎo)致不論是輕質(zhì)型水玻璃類材料或密實型水玻璃類材料，均不能滿足這種有高、低溫的工況條件；其二是在脫硫后濕煙囪的實際工況中，恰恰是有大量的稀酸或水作用的腐蝕性環(huán)境，根據(jù)標準是應(yīng)選用密實型水玻璃類材料的（在介質(zhì)溫度不高于100度情況下），而不是輕質(zhì)型耐酸膠泥,因為后者比前者的抗?jié)B透性差。

基于耐酸膠泥工藝特性，即厚漿成膜的施工工藝在凝結(jié)固化過程中應(yīng)力過大會產(chǎn)生不規(guī)則紋裂，在吸水情況下，由于耐酸膠泥與基面膨脹系數(shù)相差過大（4.3見相關(guān)數(shù)據(jù)），在煙囪內(nèi)的正壓及高溫作用下這種紋裂會進一步擴張，耐酸膠泥層內(nèi)外表面的膨脹系數(shù)的不一致可能會導(dǎo)致脫層甚至剝離的可能。煙氣中的液體也會直接接觸到煙囪混凝土筒體，在材料吸水后防腐蝕層的保溫效率大大下降，一般結(jié)構(gòu)中不再設(shè)保溫層，這樣就會加速對基礎(chǔ)造成破壞，這種情況的存在也就更加惡化了耐酸膠泥層對溫度沖擊的抵抗作用。另外在熱煙氣通過裂縫滲透到基礎(chǔ)表面時，使不同區(qū)域的基礎(chǔ)表面的溫度有梯度差，而耐酸膠泥在干態(tài)時的保溫效果較好，從而可能會導(dǎo)致在受直接煙氣高溫作用下的區(qū)域局部出現(xiàn)耐腐膠泥層的“外拱”現(xiàn)象，最后會導(dǎo)致脫落，這種“外拱”情況在一些采用玻璃磚作內(nèi)襯防腐蝕工程中也有出現(xiàn)。

而在實際工程應(yīng)用中，上述幾種情況可能會是相互作用的，會形成惡性循環(huán)而加劇了耐腐蝕的失效，最后會出現(xiàn)開裂、脫層的情況，也包括腐蝕性氣液的外泄，上圖中的現(xiàn)象是很好的說明了該種情況。

之后我們參照了有關(guān)資料，并與有關(guān)設(shè)計單位進行了有效的溝通，結(jié)合現(xiàn)場實際情況認為耐酸膠泥從技術(shù)上不適合濕煙囪的應(yīng)用環(huán)境，具體分析如下：

4． 1施工困難帶來的質(zhì)量隱患

這類材料在實際施工時，對環(huán)境的要求和人員的操作水平要求較高，施工時要求溫度以5℃～30℃為宜，低于5℃或高于30℃時要經(jīng)過廠家現(xiàn)場技術(shù)員調(diào)整配合比后才能施工。夏秋季時間，大部分施工時環(huán)境溫度都在30℃上下波動，并且溫差較大，需要經(jīng)常調(diào)整配合比。尤其在雨水較多、濕度較大的南方地區(qū)，同時在高達180-240米高的煙囪上，施工難度極大。

同時在施工過程中也極易受溫差應(yīng)力影響，尤其是在炎熱的夏季，白天、晚上的溫差會較大，白天上午與下午的溫差也較大，這樣在上午太陽曬到半邊煙囪筒體，下午曬到另外半邊，這樣筒體的受熱程度就不一樣，溫差引起的脹縮就不一致，這就對在不同季節(jié)施工時，要工人控制好溫差的作業(yè)風險，這難度是可想而知的。

4．2高載荷風險

雖然該類材料的密度較小（約0.6-1.0間），但總體用量較大，而廠家要求施工后的厚度約為8-10cm，這樣折算下來每平米材料的用量約50KG，如果煙囪基礎(chǔ)不好，尤其是舊煙囪改造時，強度遠遠達不到要求。假設(shè)對一個防腐面積達近萬平米的煙囪防腐工程而言，采用耐酸膠泥方案在現(xiàn)有煙囪內(nèi)壁將增加約480t載荷（而當煙囪通濕煙氣后充分吸水情況下，煙囪所增加的負荷遠遠超過480t的載荷）。施工中需將如此重的物料通過施工吊籠逐級輸送至180-240m高，勢必增加施工中的安全風險。因為電廠老煙囪一般為傳統(tǒng)單筒式煙囪，鋼筋混凝土筒壁與排煙筒未脫開，磚砌排煙筒分段支承牛腿并荷載分段傳給鋼筋混凝土筒壁，內(nèi)襯耐火磚或陶土磚，這種基面其附加承載能力有限，不允許采用荷載較大的防腐材料，只能采用輕質(zhì)且不吸水的防腐材料。另外即使強度可以滿足要求，但在施工中，設(shè)備的載荷能力也是一個關(guān)鍵的安全要素，有待于進一步考慮核對。而一般老電廠在加裝FGD后，場地較緊，運輸?shù)缆泛蜔焽璧撞客ǖ廓M窄，大量物料輸送將帶來工期延誤風險。

4．3溫度沖擊

當煙囪在FGD正常運行時，煙囪內(nèi)部溫度大約在45℃-80℃，煙氣為飽和濕煙氣。但當FGD事故狀態(tài)或是設(shè)備停運時，煙囪內(nèi)部溫度將在短時間內(nèi)升至140℃-180℃，原來的飽和濕煙氣將以原煙氣狀態(tài)通過鍋爐煙囪進行排放。煙囪煙氣的不規(guī)則排放，使煙囪內(nèi)壁防腐層材料處于急冷急熱和干濕交替狀態(tài)下運行，這就對材料的耐溫度沖擊提出了要求。水玻璃類耐酸膠泥材料的熱膨脹第系數(shù)為0.03*10^-6/℃，而混凝土的膨脹系數(shù)為7-10*10^-6/℃，耐酸磚為5-7*10^-6/℃。在長期高低溫干濕交替作用下，由于膠泥成膜時就會產(chǎn)生紋裂，膠泥吸水率高產(chǎn)生的容重變化，再加上耐酸膠泥材料與基礎(chǔ)（混凝土或耐酸磚基礎(chǔ)）的熱膨脹系數(shù)相差較大，這樣在受溫度沖擊的內(nèi)應(yīng)力作用下會使內(nèi)襯層紋裂進一步擴大進而發(fā)生開裂甚至脫層等情況，而事實上我們也觀察到了由于溫度沖擊原因而產(chǎn)生的這些不規(guī)則裂紋及裂縫。

4．4耐腐蝕性的局限性

    以水玻璃的作為粘合劑的耐酸膠泥有一個重要特性，是其耐強酸的特性遠大于其耐弱酸的特性，在長期煙氣的作用下（包括在露點下的酸液），可能膠泥層表面會逐漸受到侵蝕而影響粘接效果,而如果濕煙氣中含有氟化物,則對水玻璃材料的腐蝕將是致命的；另外由于材料的多孔性特點，而這些孔也是非封閉性的，因此在煙氣作用下，會逐漸擴散滲透到基礎(chǔ)，使基礎(chǔ)受到腐蝕破壞。根據(jù)國家的設(shè)計標準的要求，水玻璃類耐酸膠泥是不適合用在脫硫煙囪存在的干濕(高,低溫)交替工況條件。

4．5高吸水性風險

根據(jù)材料生產(chǎn)廠家提供的說明，材料的體積吸水率在加熱情況下一般約為10%，各個生產(chǎn)廠家的材料的吸水率均相近，根據(jù)這個數(shù)值，我們以平均密度為0.8計算推斷，那吸水率近12.5%（以重量計算），那是一個相當高的吸水率，這是上文提及的材料選擇原則相違背。而原因是因為耐酸膠泥料的結(jié)構(gòu)疏松,孔隙率大，表面粗糙，不致密,從而注定其抗?jié)B性很差。因這種厚漿成膜的施工工藝在凝結(jié)固化過程中應(yīng)力過大產(chǎn)生不規(guī)則紋裂，在膠泥層吸水后，由于耐酸膠泥與基面膨脹系數(shù)相差過大，在煙囪內(nèi)的正壓及高溫作用下裂紋會進一步擴張，甚至開裂進而可能與基面剝離，因此煙氣中的酸性液體也會直接滲透接觸到煙囪混凝土筒體，從而防腐失效，另外在材料吸水后防腐蝕層的保溫效率大大下降，也同時結(jié)構(gòu)中不設(shè)保溫層，可能對基礎(chǔ)造成破壞，并且吸水后整體煙囪載重能力是另一種安全隱患。

4．6其它

    由于材料的化學特性，采用水玻璃為粘合劑，可修補性較差，包括在施工過程中或使用中的維修；另外據(jù)施工公司的反應(yīng)，在實際施工和應(yīng)用操作中，極易產(chǎn)生施工人員的中毒情況。

五、結(jié)語

在最近筆者還獲悉在江蘇一電廠由北方某一膠泥生產(chǎn)廠家施工的煙囪內(nèi)襯，在不到一個月的時間就有大面積脫落，究其是材料的粘結(jié)性能差還是因固化過程中應(yīng)力過大而剝離現(xiàn)還不得而知，據(jù)現(xiàn)場施工人員反映在現(xiàn)場施工的人員還會有不同程度的不適表征。

綜上所述，我們從技術(shù)角度上認為采有耐酸膠泥做脫硫后的煙囪內(nèi)襯風險是很高的，這類材料如用作非脫硫后煙囪的內(nèi)襯倒是一種不錯的材料，因此業(yè)主、煙囪設(shè)計人員及材料供應(yīng)商對脫硫后煙囪防腐內(nèi)襯材料選擇耐酸膠泥出現(xiàn)這一系列問題都是要正視的事情。

The discussion of  anti-corrosive application feasibilities of acid-proof mortar in FGD stack

Deng Mingjie Wang Tiantang Lu Shiping  Yang Huaping

（Shanghai Fuchen Chemicals Co.,LTD  Shanghai 200233）

Abstract：on the basis of analysis of a default case employing acid-proof mortar in FGD stack, as well we discussed several technical tips including its  material properties, engineering ability and others, a conclusion concerning the application feasibility is summed up that the mentioned mortar is not applicable in FGD stack.

Keywords： soluble glass, acid-proof mortar, FGD stack, anti-corrosion, application

參考文獻：

1、 牛春良  煙囪工程手冊，《煙囪設(shè)計規(guī)范》組，2003年；

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10、HJ/T179-2005《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范__石灰石/石灰-石膏法》