脫硫塔無(wú)底板工藝技術(shù)分析

賀敏鵬 岳立銀

（西安西礦環(huán)?？萍加邢薰荆兾?西安 710075）

0 引言

以煤、焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣為燃料的鍋爐進(jìn)行發(fā)電或者供熱的過(guò)程中，燃料直接燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫，造成環(huán)境污染，并且燃料的品質(zhì)不同，會(huì)產(chǎn)生不同濃度的二氧化硫。隨著鍋爐數(shù)量的增加，污染物的排放總量會(huì)持續(xù)遞增。二氧化硫的控制方法主要分為燃燒前的控制、燃燒中的控制、燃燒后的控制，目前燃燒后的脫硫控制技術(shù)被公認(rèn)為最成熟、應(yīng)用占比最大的技術(shù)。在鋼鐵領(lǐng)域，鐵礦粉燒結(jié)過(guò)程中需要混入適量的燃料、溶劑和水，也會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫，其濃度通常在1 000～2 000 mg/m3，由于燒結(jié)機(jī)煙氣量通常比較大，加上我國(guó)屬于鋼鐵大國(guó)，故燒結(jié)行業(yè)也是產(chǎn)生二氧化硫的主要源頭之一。

大氣中的二氧化硫不僅會(huì)引發(fā)公眾的各種呼吸道疾病，影響身體健康，還會(huì)對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)造成影響。二氧化硫濃度較高時(shí)會(huì)形成硫酸霧或酸雨，腐蝕紙質(zhì)、皮革和金屬等物體的表面，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，因此減少二氧化硫的排放十分重要[1]。隨著國(guó)家對(duì)大氣污染防治的管理更加嚴(yán)格，工業(yè)爐窯工藝裝備、污染治理技術(shù)和環(huán)境管理水平需要滿(mǎn)足更高的要求。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定方面，截至目前，已制定發(fā)布的涉及工業(yè)爐窯的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共有28個(gè)（包括鋼鐵、水泥、焦化、玻璃、有色、陶瓷、磚瓦、氯堿、石油煉制、再生有色金屬等行業(yè)）。

近年來(lái)，上海、河北、天津、重慶、山東、江蘇和浙江等地都相繼制定發(fā)布了新的地方標(biāo)準(zhǔn)[2]，都對(duì)二氧化硫的排放提出了更高的要求。

1 常規(guī)石灰石—石膏法脫硫底板工藝存在的問(wèn)題

石灰石—石膏法脫硫工藝是世界上應(yīng)用最廣泛的一種脫硫技術(shù)，日本、德國(guó)、美國(guó)、中國(guó)的火力發(fā)電廠(chǎng)煙氣脫硫裝置約90%采用此工藝，燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫裝置約80%采用此工藝[3-6]，另外工業(yè)生產(chǎn)工藝玻璃窯爐、化工冶煉等行業(yè)也會(huì)采用該工藝。該工藝的脫硫塔一般呈圓形或者方形布置，大小不一，頂部設(shè)計(jì)方式主要包括布置濕式電除塵器、煙道直接連接混凝土煙囪以及布置直排煙囪三種，脫硫塔底部一般均由塊狀鋼板和型鋼龍骨拼接而成，并在鋼板上表面根據(jù)防腐工藝布置玻璃樹(shù)脂、膠泥、玻璃絲布、碳化硅耐磨層等達(dá)到防腐的目的。

化石燃料和鐵礦石等金屬礦物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的二氧化硫和濕法脫硫塔內(nèi)部的石灰漿液接觸后會(huì)溶于石灰漿液中發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而生成亞硫酸。而吸收了二氧化硫的石灰漿液主要包含石膏晶體、CaCl2、CaSO3·1/2H2O、Cl-、飛灰粉塵等，其pH值為4～6，漿液的酸性會(huì)對(duì)鋼制脫硫塔底板造成腐蝕，長(zhǎng)時(shí)間使用后，脫硫塔底部鋼板會(huì)不斷腐蝕變薄，加大漿液泄漏風(fēng)險(xiǎn)，縮短脫硫塔的使用壽命。

目前主流的底板工藝是在脫硫塔底部的鋼制底板涂刷玻璃鱗片+玻璃樹(shù)脂，鋼制底板在制作安裝過(guò)程中由于鋼板的尺寸及脫硫塔的形狀特殊，需要進(jìn)行大量的鋼板焊接操作。一方面，脫硫塔底部所使用的鋼板一般選擇厚度在10～16 mm，此厚度范圍的鋼板在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生大量的形變，同時(shí)會(huì)對(duì)已經(jīng)安裝完成的脫硫塔塔壁施加向外的焊接力；另一方面，鋼板和混凝土之間熱膨脹系數(shù)不同，在鋼板受熱后會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)變，應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力在界面處釋放，會(huì)造成界面處存在大量的缺陷，使得二者土建接觸不牢靠。此外，脫硫塔運(yùn)行溫度一般可達(dá)到55℃左右，而有些區(qū)域的環(huán)境溫度比較低，產(chǎn)生了有溫差的區(qū)域，由于玻璃樹(shù)脂和鋼板的比熱差較大，底板上涂刷的樹(shù)脂與鋼制底板之間便會(huì)由于不同形變量產(chǎn)生相對(duì)位移，引起鱗片脫落，所以在安裝過(guò)程中需特別注意鋼制底板的變形問(wèn)題。

以上問(wèn)題均會(huì)導(dǎo)致常規(guī)脫硫工藝可靠性和脫硫塔使用壽命大幅降低，因此本文提出了一種石灰石—石膏法脫硫無(wú)底板工藝，該工藝可有效減少以上問(wèn)題的出現(xiàn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2 石灰石—石膏法脫硫無(wú)底板工藝

2.1 無(wú)底板工藝流程

脫硫塔混凝土基礎(chǔ)通常采用C25鋼筋混凝土進(jìn)行一次灌漿，根據(jù)建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)情況、50年最大風(fēng)力情況、50年最大降雨情況以及地震要求等環(huán)境因素，一次混凝土澆筑到相對(duì)脫硫塔底板下約0.3 m處，接著制作安裝脫硫塔底部的基礎(chǔ)環(huán)板，基礎(chǔ)環(huán)板采用鋼筋和模板固定，完成后進(jìn)行脫硫塔壁板的安裝，通過(guò)調(diào)整墊鐵來(lái)調(diào)平脫硫塔的安裝面，保證脫硫塔的垂直度。在脫硫塔整體安裝完成并驗(yàn)收合格后進(jìn)行二次灌漿，采用無(wú)收縮的水泥砂漿灌注到脫硫塔底部上沿0.04 m處，將鋼筋和脫硫塔底板搭接焊接，脫硫塔中間與脫硫塔壁面呈0.003°坡度，以保證漿液能順利從排空口排出。二次灌漿結(jié)束后，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境情況對(duì)二次灌漿區(qū)域進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待混凝土徹底凝固后進(jìn)行下一步工序，即采用噴砂機(jī)對(duì)脫硫塔底部的混凝土進(jìn)行打毛，使其達(dá)到一定的粗糙度，便于涂刷玻璃樹(shù)脂，涂刷工作嚴(yán)格按照如下工序進(jìn)行：表面凈化→清理表面粉塵→涂刷底涂第一道→干燥→涂刷底涂找補(bǔ)漏點(diǎn)→乙烯基樹(shù)脂和膠泥按比例混合→準(zhǔn)備玻纖布多層→用樹(shù)脂膠泥玻纖布貼襯→達(dá)到要求厚度干燥→清理表面涂裝面漆→加耐磨層→電火花檢查→最終檢查→驗(yàn)收。

完成后的防腐部分如圖1所示，無(wú)底板工藝整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 無(wú)底板工藝應(yīng)用

近年來(lái)，本項(xiàng)目組已經(jīng)開(kāi)始推進(jìn)該工藝在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用。目前該工藝在多個(gè)石灰石—石膏法脫硫項(xiàng)目中已經(jīng)投入使用，其中部分應(yīng)用工況如表1所示。

表1 無(wú)底板工藝實(shí)際應(yīng)用案例

脫硫塔直徑從5～15 m范圍內(nèi)均有使用，在石灰石—石膏法脫硫工程項(xiàng)目上的使用約30臺(tái)（套）。

到目前為止，通過(guò)用戶(hù)的反饋和本項(xiàng)目組的回訪(fǎng)，所有項(xiàng)目整體運(yùn)行效果反饋均為良好，說(shuō)明該工藝經(jīng)過(guò)實(shí)際工程的檢驗(yàn)，能與鋼制底板工藝達(dá)到同樣的使用效果，保證脫硫塔的安全運(yùn)行。后續(xù)本項(xiàng)目組會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)與各用戶(hù)的溝通交流，根據(jù)用戶(hù)反饋的問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)當(dāng)前方案，以滿(mǎn)足二氧化硫排放更高要求的使用。

2.3 無(wú)底板工藝優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)工藝一方面需要考慮鋼板的焊接變形，另一方面需要考慮鋼材、混凝土、玻璃樹(shù)脂之間的膨脹系數(shù)，不同材料的熱膨脹系數(shù)及溫度范圍數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，鋼材和玻璃樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)相差很大，兩種材料的界面處存在應(yīng)力釋放引入的缺陷。鋼材的焊接變形可以通過(guò)選擇合適的焊接鋼材厚度、焊接順序和焊接工藝解決，而鋼材和玻璃樹(shù)脂之間的熱失配問(wèn)題目前無(wú)法找到合適方法去解決。

表2 不同材料的熱膨脹系數(shù)及溫度范圍

本文提出的無(wú)底板工藝不使用鋼板，直接在混凝土上涂玻璃樹(shù)脂。由表2可知，混凝土的熱膨脹系數(shù)在（8～12）×10-6/℃之間變化，和玻璃樹(shù)脂的7.6×10-6/℃比較接近，因此混凝土和玻璃樹(shù)脂之間的熱失配相對(duì)較小，兩種材料的形變就會(huì)減小，進(jìn)而會(huì)釋放較小的界面應(yīng)力，形成的界面缺陷也就會(huì)更小。同時(shí)，由于混凝土和玻璃樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)更為接近，因此同等溫差下，產(chǎn)生的變形量更接近，相對(duì)位移更小，從而降低了漿液的泄漏率。

不僅如此，由于無(wú)底板工藝不使用鋼板，工藝成本大大降低[7]。以直徑12 m的脫硫塔底板為例進(jìn)行成本計(jì)算，傳統(tǒng)工藝與無(wú)底板工藝的成本比較如表3所示。

表3 傳統(tǒng)工藝與無(wú)底板工藝成本比較（直徑12 m脫硫塔）

綜合以上成本比較，無(wú)底板工藝7.7萬(wàn)元的成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝13.5萬(wàn)元的成本。

除此之外，在制作安裝過(guò)程中，無(wú)底板工藝相比傳統(tǒng)工藝在時(shí)間上更為節(jié)省。傳統(tǒng)工藝焊接工作量大，一般采用先完成脫硫塔上部施工，再完成底板施工的工藝流程，存在交叉施工的情況，且鋼制底板的鋼板焊接一般最少需要5天工期，在進(jìn)行脫硫塔底板焊接的過(guò)程中脫硫塔上部區(qū)域無(wú)法進(jìn)行施工。而采用無(wú)底板工藝，無(wú)收縮澆注料的準(zhǔn)備工作和施工過(guò)程較快，1～2 h即可完成二次澆筑，澆筑完成后對(duì)混凝土進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，該養(yǎng)護(hù)工作與脫硫塔上部施工可以同時(shí)進(jìn)行。因此，脫硫塔無(wú)底板工藝相比傳統(tǒng)的鋼制底板工藝，在整個(gè)工期的控制上有巨大優(yōu)勢(shì)。

2.4 無(wú)底板工藝存在的問(wèn)題

雖然無(wú)底板工藝存在上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但采用混凝土和玻璃樹(shù)脂作為底板仍然存在以下問(wèn)題：

（1）因?yàn)榛炷梁兔摿蛩诎逯g無(wú)法采用焊接工藝來(lái)進(jìn)行連接，只能使用玻璃樹(shù)脂進(jìn)行連接，在牢固性方面不及鋼制底板和鋼制壁板焊接，所以在后續(xù)使用過(guò)程中需要定期對(duì)脫硫塔的底板進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，需及時(shí)處理。

（2）在施工過(guò)程中需要注意脫硫塔底部環(huán)板上面的混凝土厚度，如厚度較薄，脫硫塔底部環(huán)板和混凝土易產(chǎn)生裂縫，引起表面的玻璃樹(shù)脂產(chǎn)生裂紋，因此在進(jìn)行工藝安裝時(shí)，需要準(zhǔn)確控制混凝土的厚度，防止玻璃樹(shù)脂產(chǎn)生裂紋，避免脫硫效果降低。

（3）在混凝土表面進(jìn)行玻璃樹(shù)脂的防腐作業(yè)，是整個(gè)工藝中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在施工方前期工程經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，必須嚴(yán)格按照防腐工藝流程進(jìn)行，認(rèn)真檢查每個(gè)防腐工序，落實(shí)到具體的工序有專(zhuān)人進(jìn)行跟蹤和驗(yàn)收，防止在混凝土和玻璃樹(shù)脂之間產(chǎn)生空洞，影響防腐質(zhì)量，造成脫硫塔漏漿，影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在常規(guī)石灰石—石膏法脫硫底板工藝的基礎(chǔ)上優(yōu)化，提出了無(wú)底板工藝。常規(guī)脫硫工藝主要存在的問(wèn)題為混凝土、鋼板和玻璃樹(shù)脂之間的熱失配較大，導(dǎo)致材料之間相對(duì)位移較大。使用本文提出的無(wú)底板工藝，由于混凝土和玻璃樹(shù)脂之間熱失配較小，界面處的缺陷和位移大大減少。該工藝已在多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用，并且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何負(fù)面問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)底板工藝的使用可降低造價(jià)，節(jié)省資源與成本，間接降低了碳排放，響應(yīng)了國(guó)家當(dāng)前的“雙碳”政策，進(jìn)一步提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。