烟塔合一的冷却塔腐蚀与防护
摘要: 通过冷却塔排放湿法脱硫净烟气, 会使烟气中残留的腐蚀性介质随烟气进入冷却塔, 由此造成对冷却塔混凝土的腐蚀。本文通过对排烟冷却塔内腐蚀介质分析及其对混凝土的腐蚀机理的探讨, 按照混凝土防腐的一般原则, 提出烟塔合一冷却塔防腐蚀初步构想。
关键词: 烟塔合一, 腐蚀介质, 防腐蚀
1 烟塔合一技术简介
长期以来, 烟囱是火力发电厂必不可少的重要设施。随着湿法脱硫脱硝技术的运用, 使处理后的烟气温度和烟气成分与过去相比发生了变化, 温度降低而湿度却大大增加, 若继续采用常规烟囱排放, 一般需设GGH对烟气进行加热。能否利用冷却塔内巨大的热空气流通过冷却塔排放低温高湿的脱硫净烟气呢? 德国技术人员在20世纪70 年代开始了这一问题的研究, 通过对塔内气体流动工况及烟气在大气中的扩散模式的研究, 认为利用冷却塔巨大的热空气抬升脱硫后的烟气是可行的。图1为烟气通过冷却塔排放的技术方案。
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如图1所示: 由脱硫塔顶部出口处出来的净烟气通过大直径玻璃钢烟道直接送入自然通风冷却塔内, 在配水装置除水器上方与塔内饱和热空气混合后向上排入大气。
2 烟塔合一冷却塔中的腐蚀介质及腐蚀机理
2.1 腐蚀介质
烟气中含有大量的二氧化碳、二氧化硫等有害成分, 即使湿法脱硫后的净烟气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 ) 等有害气体(烟气成分见表1 ) , 湿法脱硫后的净烟气进入冷却塔后在塔内上升过程中与饱和热湿空气接触, 部分水蒸气遇冷凝结成雾滴, 其中一些雾滴会在冷却塔塔壁上聚集成较大的液滴, 这些液滴因含有烟气所带的酸性气体而呈现出较强的酸性 ( PH值最高可达1 ) , 表2 所列是德国某电厂烟气冷凝水的成分分析结果, 而烟塔合一的冷却塔基本为混凝土结构, 这些液滴沿筒壁流动会对塔筒筒壁局部造成严重的腐蚀。因此, 脱硫烟气的进入冷却塔后, 如不采用针对性的防护措施, 塔筒混凝土的碳化和腐蚀将会非常严重。
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2.2 腐蚀机理
2.2.1 碳化
日常使用过程中, 烟气中的二氧化碳会逐渐向混凝土内部扩散, 并与混凝土中的氢氧化钙发生作用, 生成碳酸盐或其他物质, 从而使水泥的碱度降低, 使混凝土碳化, 其碳化的主要化学反应为:
CO2 +H2O→H2 CO3 Ca (OH) 2 +H2 CO3 → + 2H2O
碳化降低了混凝土的碱度, 从而破坏了钢筋表面的钝化膜, 使混凝土失去了对钢筋的保护作用, 给混凝土中的钢筋锈蚀带来不利的影响。同时, 碳化还会加剧混凝土的收缩, 这些都可导致混凝土的裂缝, 加速混凝土结构的破坏。
2.2.2 硫酸根离子腐蚀
进入冷却塔的湿烟气中存在的SO4 2 - 接触混凝土表层与混凝土的某些成分反应, 生成物吸水膨胀产生膨胀应力, 当应力达到一定程度时混凝土就产生裂缝, 这种腐蚀作用在不同条件下又有两种表现形式, 即E盐破坏和G盐破坏。 E盐破坏即钙矾石膨胀破坏, 其生成物的体积比反应物大115倍多, 呈针状结晶, 引起很大的内应力, 其破坏特征为混凝土表面出现几条较粗大的裂缝。G盐破坏即石膏膨胀破坏, 当外界中SO4 2 - 浓度达到1000mg/L, SO4 2 - 可与Ca (OH) 2 反应生成石膏晶体, 生成的CaSO4 ·2H2O体积增大1.24倍, 导致混凝土因内应力而破坏, 其破坏特征为混凝土表面虽无粗大裂缝但是遍体溃散。
2.2.3 氯离子腐蚀
一般情况下, 由于混凝土为碱性物质, 其液相PH值为12.5 ～13.5, 钢筋在这种环境中能形成钝化膜, 它不仅可以隔绝氧接触钢筋, 而且阻止钢筋内部形成腐蚀电流, 因此对钢筋起到保护作用。然而, 进入冷却塔的烟气中存在氯化物(HCl) , 当氯离子渗透到钢筋表面并达到一定浓度时会使得局部保护膜破坏, 成了活化态。活化的钢筋表面形成一个小阳极, 未活化的钢筋表面成为阴极, 在氧和水充足的条件下钢筋开始锈蚀。钢筋的锈胀体积一般增大 2.5～5倍, 在塔内部水份这样充足的条件下体积膨胀甚至可达7倍, 从而导致混凝土保护层开裂(即顺筋裂缝) 、钢筋锈蚀, 降低或破坏了钢筋与混凝土的握裹力, 钢筋截面减小、承载能力降低, 从而降低了结构的耐久性。同时氯盐还可以和混凝土中的Ca离子反应生成易溶的 CaCl2并带有大量结晶水, 形成比反应物体积大几倍的固相化合物, 造成混凝土的膨胀破坏。如果水泥中铝酸三钙含量高于8% , 其制成的混凝土很容易受到Cl- 腐蚀。
2.2.4 烟气作用对冷却塔混凝土的影响
烟气中含有大量的二氧化碳及二氧化硫, 同时含有硫酸根离子(SO4 2 - ) 、硝酸根和氯化物等有害物质, 烟气中的这些离子会与混凝土发生反应侵蚀混凝土, 并使钢筋锈蚀。烟气中的二氧化碳加速了混凝土碳化, 致使混凝土的碱度降低加快, ( PH值由1215降到 9以下) 更快的趋于“中性化”, 破坏了钢筋表面的钝化膜, 在塔中氯化物及水分的作用下使钢筋锈蚀更快, 继而将引起钢筋锈胀, 产生顺筋裂缝破坏保护层、降低粘结力、减少钢筋截面面积, 而影响混凝土结构的承载力。烟气中的硫酸根离子等有害物质又会对混凝土造成侵蚀, 引起混凝土膨胀破坏。
由此可见, 采用烟塔合一技术的冷却塔, 面临着如何保证在上述有害物质的作用下, 冷却塔混凝土不被腐蚀, 钢筋不被锈蚀的问题。
3 混凝土的防腐
为达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两种措施。基本防腐措施就是最大限度地提高混凝土自身的防护能力, 附加防腐措施是加强对混凝土和钢筋的保护, 弥补混凝土保护能力的不足。
3.1 基本防腐措施
最大限度地提高混凝土自身的防护能力在于最大限度地提高混凝土的密实性。混凝土密度的提高, 必将降低混凝土的渗透性, 减缓有害物质(如氯离子、二氧化碳) 的扩散速度, 就能提高混凝土的耐久性。
提高混凝土的密度和性能, 一般应从原材料的控制、掺合料的选择、水灰比的降低、外加剂的选用及质量的控制入手。
原材料的选择包括胶凝材料及骨料的选择: 胶凝材料一般可采用C3A含量不超过8%的普通硅酸盐水泥掺入一定量的掺合料或抗硫酸盐水泥作为胶凝材料。
国内外对水泥中掺入掺合料的胶凝材料做了大量的研究, 研究表明, 掺入粉煤灰、硅灰及矿渣等掺合料的混凝土抗腐蚀能力将有很大的提高。以掺硅灰为例: 掺入8%硅粉的混凝土达到氯离子临界腐蚀浓度的时间比普通混凝土延长8倍。粗料宜采用吸水率低且级配良好的石灰石、花岗岩等硬质岩石粗骨料, 细骨料要求一定的细度模数。
水灰比控制: 水灰比对混凝土的渗透性有决定性的影响, 欧洲《CEB 混凝土结构耐久性设计与施工指南》给出的水灰比与渗透性的关系, 表明水灰比越低混凝土抗渗透性越好, 也表明混凝土的透气性和离子穿透性越差, 抗腐蚀性能越好。
外加剂的选用及混凝土质量控制: 在于提高与混凝土的含气量, 避免出现干缩、温度裂缝等施工缺陷, 从而提高混凝土质量。
3.2 附加防腐措施
附加措施, 在于强化对钢筋的保护, 弥补混凝土保护能力的不足。一般的附加技术措施见表3。
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最常用的附加措施是采用环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂及混凝土表面涂层。
4 塔烟合一冷却塔防腐方案的初步构想
根据上述对烟塔合一冷却塔所处环境、腐蚀介质、腐蚀机理及防护措施的分析, 对烟塔合一冷却塔拟采用如下防腐方案:
砼: 采用高性能砼, 强度不低于C40。
抗渗: 塔筒及人字柱不低于W10, 其他部位不低于W8。
抗冻: 按工程所处环境确定。
水泥: 采用普通硅酸盐水泥(C3A) 5～8%。
掺合料: 采用双掺, 掺入8～10%的硅灰或 30%左右的粉煤灰。
最小胶凝材料量用400～430kg/m3 , 最大水胶比不大于0.4。
骨料: 粗骨料采用低吸水率的花岗岩, 颗粒级配良好, 粒径5～20mm。
添加剂: 掺入高效减水剂和引水剂, 砼含气量平均值6% , 气泡间距不大于200μm。
混凝土的电通量(56天龄期) ≤1000C。
钢筋保护层厚度: 塔内壁40mm, 除水器以下用50mm, 塔外壁用35mm; 人字柱、淋水构架及基础用50mm。
设计控制: 裂缝开展宽度不大于0.1mm, 梁两侧设间距不大于200mm的腰筋。
施工控制: 硬化后的混凝土氯离子含量不应超过胶凝较重的011% , 其次加强混凝土养护和施工缝处理。
混凝土表面防腐: 采用涂层防腐。内表面采用一底三面成膜厚不小于200μm 防腐涂层, 涂层可采用环氧基涂料或聚胺脂树脂涂料及其它适宜的涂料; 塔筒外表面采用一底一面成膜厚度80um涂层, 涂料采用丙烯酸树脂涂料或丙烯酸树脂与氯磺化树脂合成涂料。
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