煙塔合一的冷卻塔腐蝕與防護
摘要: 通過冷卻塔排放濕法脫硫凈煙氣, 會使煙氣中殘留的腐蝕性介質隨煙氣進入冷卻塔, 由此造成對冷卻塔混凝土的腐蝕。本文通過對排煙冷卻塔內腐蝕介質分析及其對混凝土的腐蝕機理的探討, 按照混凝土防腐的一般原則, 提出煙塔合一冷卻塔防腐蝕初步構想。
關鍵詞: 煙塔合一, 腐蝕介質, 防腐蝕
1 煙塔合一技術簡介
長期以來, 煙囪是火力發電廠必不可少的重要設施。隨著濕法脫硫脫硝技術的運用, 使處理后的煙氣溫度和煙氣成分與過去相比發生了變化, 溫度降低而濕度卻大大增加, 若繼續采用常規煙囪排放, 一般需設GGH對煙氣進行加熱。能否利用冷卻塔內巨大的熱空氣流通過冷卻塔排放低溫高濕的脫硫凈煙氣呢? 德國技術人員在20世紀70 年代開始了這一問題的研究, 通過對塔內氣體流動工況及煙氣在大氣中的擴散模式的研究, 認為利用冷卻塔巨大的熱空氣抬升脫硫后的煙氣是可行的。圖1為煙氣通過冷卻塔排放的技術方案。
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如圖1所示: 由脫硫塔頂部出口處出來的凈煙氣通過大直徑玻璃鋼煙道直接送入自然通風冷卻塔內, 在配水裝置除水器上方與塔內飽和熱空氣混合后向上排入大氣。
2 煙塔合一冷卻塔中的腐蝕介質及腐蝕機理
2.1 腐蝕介質
煙氣中含有大量的二氧化碳、二氧化硫等有害成分, 即使濕法脫硫后的凈煙氣仍含有一定量的二氧化硫( SO2 ) 、三氧化硫 ( SO3 ) 、一氧化氮(NO ) 、氯化物、二氧化碳(CO2 ) 等有害氣體(煙氣成分見表1 ) , 濕法脫硫后的凈煙氣進入冷卻塔后在塔內上升過程中與飽和熱濕空氣接觸, 部分水蒸氣遇冷凝結成霧滴, 其中一些霧滴會在冷卻塔塔壁上聚集成較大的液滴, 這些液滴因含有煙氣所帶的酸性氣體而呈現出較強的酸性 ( PH值最高可達1 ) , 表2 所列是德國某電廠煙氣冷凝水的成分分析結果, 而煙塔合一的冷卻塔基本為混凝土結構, 這些液滴沿筒壁流動會對塔筒筒壁局部造成嚴重的腐蝕。因此, 脫硫煙氣的進入冷卻塔后, 如不采用針對性的防護措施, 塔筒混凝土的碳化和腐蝕將會非常嚴重。
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2.2 腐蝕機理
2.2.1 碳化
日常使用過程中, 煙氣中的二氧化碳會逐漸向混凝土內部擴散, 并與混凝土中的氫氧化鈣發生作用, 生成碳酸鹽或其他物質, 從而使水泥的堿度降低, 使混凝土碳化, 其碳化的主要化學反應為:
CO2 +H2O→H2 CO3 Ca (OH) 2 +H2 CO3 → + 2H2O
碳化降低了混凝土的堿度, 從而破壞了鋼筋表面的鈍化膜, 使混凝土失去了對鋼筋的保護作用, 給混凝土中的鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時, 碳化還會加劇混凝土的收縮, 這些都可導致混凝土的裂縫, 加速混凝土結構的破壞。
2.2.2 硫酸根離子腐蝕
進入冷卻塔的濕煙氣中存在的SO4 2 - 接觸混凝土表層與混凝土的某些成分反應, 生成物吸水膨脹產生膨脹應力, 當應力達到一定程度時混凝土就產生裂縫, 這種腐蝕作用在不同條件下又有兩種表現形式, 即E鹽破壞和G鹽破壞。 E鹽破壞即鈣礬石膨脹破壞, 其生成物的體積比反應物大115倍多, 呈針狀結晶, 引起很大的內應力, 其破壞特征為混凝土表面出現幾條較粗大的裂縫。G鹽破壞即石膏膨脹破壞, 當外界中SO4 2 - 濃度達到1000mg/L, SO4 2 - 可與Ca (OH) 2 反應生成石膏晶體, 生成的CaSO4 ·2H2O體積增大1.24倍, 導致混凝土因內應力而破壞, 其破壞特征為混凝土表面雖無粗大裂縫但是遍體潰散。
2.2.3 氯離子腐蝕
一般情況下, 由于混凝土為堿性物質, 其液相PH值為12.5 ～13.5, 鋼筋在這種環境中能形成鈍化膜, 它不僅可以隔絕氧接觸鋼筋, 而且阻止鋼筋內部形成腐蝕電流, 因此對鋼筋起到保護作用。然而, 進入冷卻塔的煙氣中存在氯化物(HCl) , 當氯離子滲透到鋼筋表面并達到一定濃度時會使得局部保護膜破壞, 成了活化態。活化的鋼筋表面形成一個小陽極, 未活化的鋼筋表面成為陰極, 在氧和水充足的條件下鋼筋開始銹蝕。鋼筋的銹脹體積一般增大 2.5～5倍, 在塔內部水份這樣充足的條件下體積膨脹甚至可達7倍, 從而導致混凝土保護層開裂(即順筋裂縫) 、鋼筋銹蝕, 降低或破壞了鋼筋與混凝土的握裹力, 鋼筋截面減小、承載能力降低, 從而降低了結構的耐久性。同時氯鹽還可以和混凝土中的Ca離子反應生成易溶的 CaCl2并帶有大量結晶水, 形成比反應物體積大幾倍的固相化合物, 造成混凝土的膨脹破壞。如果水泥中鋁酸三鈣含量高于8% , 其制成的混凝土很容易受到Cl- 腐蝕。
2.2.4 煙氣作用對冷卻塔混凝土的影響
煙氣中含有大量的二氧化碳及二氧化硫, 同時含有硫酸根離子(SO4 2 - ) 、硝酸根和氯化物等有害物質, 煙氣中的這些離子會與混凝土發生反應侵蝕混凝土, 并使鋼筋銹蝕。煙氣中的二氧化碳加速了混凝土碳化, 致使混凝土的堿度降低加快, ( PH值由1215降到 9以下) 更快的趨于“中性化”, 破壞了鋼筋表面的鈍化膜, 在塔中氯化物及水分的作用下使鋼筋銹蝕更快, 繼而將引起鋼筋銹脹, 產生順筋裂縫破壞保護層、降低粘結力、減少鋼筋截面面積, 而影響混凝土結構的承載力。煙氣中的硫酸根離子等有害物質又會對混凝土造成侵蝕, 引起混凝土膨脹破壞。
由此可見, 采用煙塔合一技術的冷卻塔, 面臨著如何保證在上述有害物質的作用下, 冷卻塔混凝土不被腐蝕, 鋼筋不被銹蝕的問題。
3 混凝土的防腐
為達到混凝土的耐久性要求, 提高混凝土的防腐能力, 通用常采取基本和附加兩種措施。基本防腐措施就是最大限度地提高混凝土自身的防護能力, 附加防腐措施是加強對混凝土和鋼筋的保護, 彌補混凝土保護能力的不足。
3.1 基本防腐措施
最大限度地提高混凝土自身的防護能力在于最大限度地提高混凝土的密實性。混凝土密度的提高, 必將降低混凝土的滲透性, 減緩有害物質(如氯離子、二氧化碳) 的擴散速度, 就能提高混凝土的耐久性。
提高混凝土的密度和性能, 一般應從原材料的控制、摻合料的選擇、水灰比的降低、外加劑的選用及質量的控制入手。
原材料的選擇包括膠凝材料及骨料的選擇: 膠凝材料一般可采用C3A含量不超過8%的普通硅酸鹽水泥摻入一定量的摻合料或抗硫酸鹽水泥作為膠凝材料。
國內外對水泥中摻入摻合料的膠凝材料做了大量的研究, 研究表明, 摻入粉煤灰、硅灰及礦渣等摻合料的混凝土抗腐蝕能力將有很大的提高。以摻硅灰為例: 摻入8%硅粉的混凝土達到氯離子臨界腐蝕濃度的時間比普通混凝土延長8倍。粗料宜采用吸水率低且級配良好的石灰石、花崗巖等硬質巖石粗骨料, 細骨料要求一定的細度模數。
水灰比控制: 水灰比對混凝土的滲透性有決定性的影響, 歐洲《CEB 混凝土結構耐久性設計與施工指南》給出的水灰比與滲透性的關系, 表明水灰比越低混凝土抗滲透性越好, 也表明混凝土的透氣性和離子穿透性越差, 抗腐蝕性能越好。
外加劑的選用及混凝土質量控制: 在于提高與混凝土的含氣量, 避免出現干縮、溫度裂縫等施工缺陷, 從而提高混凝土質量。
3.2 附加防腐措施
附加措施, 在于強化對鋼筋的保護, 彌補混凝土保護能力的不足。一般的附加技術措施見表3。
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最常用的附加措施是采用環氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑及混凝土表面涂層。
4 塔煙合一冷卻塔防腐方案的初步構想
根據上述對煙塔合一冷卻塔所處環境、腐蝕介質、腐蝕機理及防護措施的分析, 對煙塔合一冷卻塔擬采用如下防腐方案:
砼: 采用高性能砼, 強度不低于C40。
抗滲: 塔筒及人字柱不低于W10, 其他部位不低于W8。
抗凍: 按工程所處環境確定。
水泥: 采用普通硅酸鹽水泥(C3A) 5～8%。
摻合料: 采用雙摻, 摻入8～10%的硅灰或 30%左右的粉煤灰。
最小膠凝材料量用400～430kg/m3 , 最大水膠比不大于0.4。
骨料: 粗骨料采用低吸水率的花崗巖, 顆粒級配良好, 粒徑5～20mm。
添加劑: 摻入高效減水劑和引水劑, 砼含氣量平均值6% , 氣泡間距不大于200μm。
混凝土的電通量(56天齡期) ≤1000C。
鋼筋保護層厚度: 塔內壁40mm, 除水器以下用50mm, 塔外壁用35mm; 人字柱、淋水構架及基礎用50mm。
設計控制: 裂縫開展寬度不大于0.1mm, 梁兩側設間距不大于200mm的腰筋。
施工控制: 硬化后的混凝土氯離子含量不應超過膠凝較重的011% , 其次加強混凝土養護和施工縫處理。
混凝土表面防腐: 采用涂層防腐。內表面采用一底三面成膜厚不小于200μm 防腐涂層, 涂層可采用環氧基涂料或聚胺脂樹脂涂料及其它適宜的涂料; 塔筒外表面采用一底一面成膜厚度80um涂層, 涂料采用丙烯酸樹脂涂料或丙烯酸樹脂與氯磺化樹脂合成涂料。
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