根据所建烟囱目的的不同，烟囱新建的设计方案上面也会有一些比较明显的变化，这里就提供一个垃圾焚烧烟囱的设计方案，通过对这个方案进行了解，可以在一定程度上明白垃圾焚烧烟囱的特点和其他一些不是很容解释的东西，由于垃圾焚烧在我国属于严格的法律控制范围的工程项目，因此相关的新建方案也比较少见，这里特别分享一列。

　　近几年来,国内建设的垃圾焚烧厂不断增多。除了极少数焚烧特殊垃圾(例如医疗垃圾)的焚烧厂外,对于绝大多数城市生活垃圾焚烧厂,烟囱都是必不可少的设施。目前,国内外建设的很多火力发电厂以及一些自用锅炉的大中型厂矿企业,也都需建设烟囱。过往的烟囱设计,大多比较成功,但也存在一些问题。这些经验和教训,为近几年来开始兴建的城市生活垃圾焚烧厂的烟囱设计,提供了宝贵的借鉴。与火力发电厂的烟气相比,垃圾焚烧产生的烟气成份不同、排放标准不同、烟囱的运行方式也不一样,垃圾焚烧厂的烟囱设计有自身的特点。本文结合多个工程的设计实践经验,谈谈城市生活垃圾焚烧工程中烟囱设计的体会。

　　1工艺设计

　　烟囱的作用是将燃烧尾气排向大气,利用大气的扩散作用将尾气扩散稀释。工艺专业设计的内容含:烟囱的高度、排气筒管径、烟气流速、烟气温度、排气筒的布置形式。

　　1•1烟囱高度

　　烟囱高度越高,尾气扩散稀释的效果越好,同时,建设费用亦越高,因此,烟囱高度应根据环境影响评价要求,在满足国家环境保护要求的前提下,适当考虑

　　1•2排气筒管径、烟气流速

　　尾气从烟囱口排出的速度越大,扩散稀释的效果越好。但是,速度越过30m/s,会发生笛音现

　　象,所以尾气排放速度不能大于这个值。如果烟气流速过低,又会增加烟气对排气筒腐蚀的可能,也降低烟气的扩散稀释效果,通常的烟气流速控制在10~20m/s。确定了烟气流速,根据产生的烟气总量,便能确定出排气筒管径。烟囱(排气筒)出口内径d(单位:m)由下式确定:

　　d=ndVy3600×0.785w0

　　式中nd—由一个烟囱(排气筒)负担的蒸汽数值(单位:t/h);

　　Vy—每小时产生1t蒸气的烟气量(单位:m3/h);

　　w0—烟囱出口处的烟气流速(单位:m/s)。圆形烟囱(排气筒)的出口内径,一般不小于

　　0•8m,内表面无须防护处理且无须人员入内维护的钢制烟囱(排气筒)不受此限。

　　1•3烟气温度取决于烟气净化设备出口的烟气温度,但不能低于烟气露点,以避免烟气在排气筒内

　　结露,对排气筒造成腐蚀。

　　1•4排气筒的布置形式

　　垃圾焚烧设施的尾气排放量与垃圾热值和焚烧负荷有关,同时运行的垃圾焚烧炉台数对尾气

　　排放量有很大影响。如果多台焚烧炉的尾气从一只烟囱(排气筒)排出,焚烧的运行状况不同(例如,其中一台或几台焚烧炉停炉维修),尾气排放量及排放速度均不同,使烟气在烟囱排气筒内的流度、流量、温度难以控制在设计允许的范围内。一台焚烧炉一个排气筒,能够有效地利用尾气自身拥有的能量,较为方便地控制烟气的流速、温度。但是,如果一个排气筒设一只烟囱,建设及维护费用都很高。目前,国内外通常的做法,是采用组合式烟囱,即一台焚烧炉设一个排气筒,多个排气筒组合在一起,形成一只烟囱,换而言之,即在一只烟囱内,设多个排气筒,各排气筒相互独立。上海垃圾焚烧厂采用一只组合式钢筋混凝土烟囱,内设3个钢排气筒,每台焚烧炉一个排气筒;其烟囱的高度:80m,排气筒管径:1800mm,烟气流速:15m/s,烟气温度120~140℃(排气筒出口温度)。

　　2结构设计

　　尽管实际工程中,组合式烟囱、集中式烟囱(多炉共用1个排气筒)和独立式烟囱(1炉1个

　　排气筒1只烟囱)都存在,但本文仅讨论在城市生活垃圾焚烧厂工程中常用的组合式烟囱。从结构受力的角度,组合式烟囱可粗分为三种形式:混合式烟囱:外筒为钢筋混凝土结构,作

　　为受力结构,排气筒为钢制大直径圆形管道,仅作为烟气排放的通道,不作为受力构件;塔架式钢烟囱:塔架独立承担外荷载作用,钢制排气筒为非受力构件,依附于塔架,钢制排气筒的荷载(包括自重及外荷载),由塔架承担;排气筒受力塔架式钢烟囱:钢制排气筒作为塔架中的受力构件(肢柱),参与塔架整体受力分析。确定适当的结构受力体系后,选用恰当的程序进行计算分析。有关规定,按照《烟囱设计规范》GB50051执行。本文不作赘述。五洲工程设计研究院设计的一些实例为:上海江桥城市生活垃圾焚烧厂烟囱:三管集束式组合烟囱,外筒为钢筋混凝土墙体作为受力结构,内设3根普通碳素钢制排气筒,悬挂式受力形式;河北灵达垃圾转化热电站烟囱,四管集束式组合烟囱,结构同上,仅排气筒为4根;广东东莞横沥垃圾转化热电站烟囱,为单筒集中式烟囱,钢筋混凝土筒体结构,内砌防护砌体墙。

　　3烟囱的防护设计

　　烟囱的防腐蚀设计,应考虑下列因素:烟囱内烟气的腐蚀等级;结构重要性;烟囱的运行方式

　　(经常性或间隙性运行方式);烟囱内是否有结露现象;技术经济比较;检修条件。

　　烟囱的腐蚀,主要包括自然环境腐蚀和排气筒内的烟气腐蚀,烟囱的防护设计,也主要是针对这两种腐蚀的防护。自然环境的腐蚀,主要是雨雪、空气中有害成分(大多来源于工业生产的排放物)的腐蚀等,对这种腐蚀,有许多有效的防护措施,较为常见,本文不作赘述,本文主要讨论烟囱排气筒内壁针对烟气腐蚀的防护设计。谈到排气筒内壁的防护,有必要讨论烟气成分、烟气腐蚀的机理、烟气净化的工艺与防护的关系。

　　3•1烟气的成分

　　烟气的成分比较复杂,不过,无论采用何种烟气净化工艺,正常生产状态下,从烟囱出口排出的烟气的成分,必须达到国家标准(或国际标准)。

　　上海垃圾焚烧厂执行的标准(含氧量为11%的干气体)。

　　除了上表中列出的成份以外,烟气中还有排放标准中不控制但对排气筒腐蚀有影响的成分,例如水汽、CO2。

　　3•2烟气对钢材腐蚀的机理

　　从烟气成分分析,烟气中对钢有腐蚀作用的成分主要是HCl、HF及SOx、CO2、水汽等。干燥的HCl、HF、SOx气体对钢材的腐蚀作用非常轻微。据有关资料,200℃的干燥的HCl气体,300℃的干燥的SO2气体,对碳钢的腐蚀深度在0•1~1mm/a,按照均匀腐蚀10级苏联标准判断,为6~7级(尚耐腐蚀),按照均匀腐蚀3级标准判断,为2级(可用);CO2气体对钢材几乎没有

　　如果烟气中含有足够的水份,并且出现了结露,那么,排气筒筒壁上将会出现酸性液体,对排

　　气筒产生严重的腐蚀作用,HCl、HF酸性液体能直接与钢材发生化学反应。烟气中的SO2,通常先与水H2O反应生成H2SO3,也可能同时与水汽H2O和氧气O2反应,生成H2SO4,而H2SO3、H2SO4再与钢材反应,从而对钢材产生腐蚀作用。烟气中的CO2,会与水H2O反应生成H2CO3,也会对钢材产生一定的腐蚀。此外,还有其它腐蚀。碳钢在无氧酸(如盐酸、氢氟酸等)中能被强烈腐蚀,被腐蚀的速度随酸的浓度增加而加快;碳钢在含氧酸(如硫酸等),被腐蚀的速度取决于酸的氧化能力。因此,工艺专业应选择合适的烟气流速及温度,采用适当的烟气净化工艺,以降低烟气湿度;建筑专业在排气筒外壁采取适当的保温措施,以确保烟气在排气筒流动过程中不结露或尽可能少结露。在工程设计中,采取这些措施后,可以认为正常生产状态下产生的烟气,对钢材的腐蚀作用,可以得到有效控制。

　　3•3烟气净化工艺与排气筒防护

　　烟气净化工艺形式较多,按吸收剂的状态及其系统中是否有废水排出,可分为湿法、半干法和

　　干法三种。对于采用湿法烟气净化工艺,其处理后的烟气中,含水量相对较大,对排气筒的腐蚀作用也较大,一般都需要对排气筒采取防护措施。在日本、欧洲,有一些针对性防护作法,可供

　　参照。在国内普通火力发电厂工程中,常常采用砖砌烟囱或者钢筋混凝土烟囱,内设耐火砖衬里的做法,这样成功的工程实例很多,可供参照;近些年,采用钢管烟囱的工程实例也逐渐增多。对于采用半干法或干法烟气净化工艺,其处理后的烟气中,含水量相对较少,对排气筒的腐蚀作用也较小。若采用砖砌烟囱或钢筋混凝土烟囱,其防护做法可以参照用于湿法烟气净化工艺的烟囱防护做法。本文主要讨论钢制烟囱(排气筒)及钢筋混凝土组合式烟囱中的钢制排气筒,对经过半干法或干法工艺处理过的烟气的防护问题进行探讨。通常,对于采用半干法或干法烟气净化工艺,在正常生产状态下产生的烟气,排气筒钢管采用普通碳素钢,排气筒内壁不采取任何防护措施,排气筒壁外裹隔热保温层。隔热保温材料多为矿棉或玻璃纤维,厚度根据热工计算确定,应能使排气筒内烟气温度在设计允许的范围内,排气筒隔热保温层外的温度不高于45℃。采用半干法或干法烟气净化工艺,在非正常生产状态下(如试运行、启动、停炉等时期)烟气的成分、温度、流速等诸参数可能达不到设计指标,尽管这种状态不会持续很长时间,但由此导致的烟气对排气筒的腐蚀的可能性是存在的。因此,还需要采取一些辅助防护措施。辅助防护措施的第一种方法:依据烟气对排气筒的腐蚀作用的大小,在结构计算所需排气筒钢管壁厚的基础上,增加一定厚度,即“腐蚀厚度裕度”,使烟囱在结构设计使用年限内,扣除因烟气腐蚀而损失的钢管壁厚度后,所剩下的钢管壁厚度,依然能使钢管具有足够的强度、刚度、稳定性,能满足结构安全使用的需要。目前,国内外尚没有充分的烟气对排气筒钢管壁的腐蚀数据,通常对于结构设计使用年限为50年的排气筒,考虑烟气腐蚀而增加的最小腐蚀厚度裕度取为2-3mm,有隔热层时取为2mm,无隔热层时取为3mm。对于“非正常生产状态”经常发生,例如某些垃圾焚烧炉每隔2~3年停炉检修一次的情况,应适当增加“腐蚀厚度裕度”到3~4mm,有隔热层时取为3mm,无隔热层时取为4mm;钢材为普通碳素钢的“腐蚀厚度裕度”偏上限取值,钢材采用可焊接低合金耐候钢的,“腐蚀厚度裕度”可偏下限取值。

　　辅助防护措施的第二种方法:在排气筒钢管内壁,涂能耐160℃高温的耐酸性防护涂料,做法可参照用于湿法净化工艺的排气筒防护做法。综合考虑两种方法的费用,以及第二种方法

　　中涂料老化、日常维护困难的原因,作者建议采用第一种方法为宜。除以上两种方法外,烟气管道还可以用不锈钢制作,但费用较高,考虑到我国国情,笔者不建议采用这种方法。另外,排气筒筒首部分,是最易腐蚀的部位,设计时应采取专门的防护措施,一般宜采用不锈钢制造,高度为1•5倍左右的排气筒出口直径。

　　4关于《烟囱设计规范》GB50051-2002的一点建议《烟囱设计规范》(GB50051-2002)第10•1•1条规定,“烟囱内的烟气温度低于150℃,且燃煤的含硫量大于0•75%时,烟囱的防腐蚀设计应符合本章的有关规定。”;第10•1•2条规定,根据燃煤含硫量的不同,将烟气划分为不同的腐蚀等级。笔者认为这样欠妥,理由如下:

　　1•无论燃煤含硫量多少,其排放出的烟气都应该符合国家的烟气排放标准,对于不符合标准

　　的,应该采取诸如增加脱硫设施等净化措施,以使其达标排放。不能说:因为购进的燃煤含硫量高,就有充分的理由超标排放。

　　2•烟气腐蚀作用的大小,与烟气中腐蚀性成

　　份的含量、烟气含水量、烟气的流速、外界环境、结露情况等因素有关;再者,含硫量相同的燃煤,燃烧后的烟气,经过不同的烟气净化工艺处理后,烟气的成份也存在差异,因此,不能简单地以燃煤的含硫量作为判定腐蚀等级的唯一依据。

　　3•实际工程中,除了以燃煤作燃料的锅炉外,还有以燃油(重油、渣油、柴油、煤油等)、燃气、

　　垃圾等作为燃料的。对于不是以燃煤作燃料的锅炉,其产生的烟气的腐蚀等级,缺少判断的依据。作为国家规范,应照顾全面。笔者建议:不要以燃料的成分作为判断烟气腐蚀等级的依据,而应以烟气自身的成份作为判断的依据,并且要综合考虑烟气的流速、含水量、外界环境、结露情况等相关因素。目前,先进的烟气在线检测技术已经得到广泛应用,可以较为方便地得到诸如烟气成分、流速等检测数据,使综合判定腐蚀等级的方法的制定和实施,具备了数据条件。