硫回收装置中套筒式烟囱钢内筒的设计施工

某硫回收装置中从尾气焚烧炉燃烧废气经蒸汽过热器和尾气废热锅炉后进入湿法脱硫装置, 从湿法脱硫装置进烟囱的温度在65℃ (一般炼油装置进烟囱的温度在270℃左右) , 烟气的成分复杂, 不仅含有SO2, SO3等, 还有从湿法脱硫装置中带来的卤化物杂质 (即Cl-和F-) , 对烟囱抗腐蚀能力要求很高。常规混凝土烟囱不能满足使用要求, 最终采用套筒式烟囱, 解决了烟囱防腐蚀问题。

1 方案设计
1.1 选型
套筒式烟囱是筒壁内设置一个排烟筒的烟囱, 在炼油行业应用较少, 但在电力行业里应用很广泛[1], 甚至是多管式烟囱, 即两个或多个排烟筒共用一个筒壁的烟囱。

由于烟气成分的复杂性和低温特点, 单纯的采用炼油行业中常见的单筒混凝土烟囱就不能满足腐蚀要求, 必须采用套筒式的, 即外筒采用混凝土, 内筒采用钢内筒。

钢内筒从支撑型式上又分为自支撑、整体悬吊和分段悬吊三种型式, 各有优缺点。自支撑结构简单, 底部采用螺栓锚固, 顶部配合止晃点设计, 缺点是钢材用量大。悬吊式能很好地利用钢材的抗拉强度, 受力简单, 钢材用量少, 但是悬吊式的要配合膨胀节使用, 以吸收钢内筒轴向的膨胀量, 膨胀节的更换维修费用较高。分段悬吊式接头多、构造相对复杂, 湿烟囱渗漏点多、防渗难度大且成本高;整体悬吊接头少, 甚至没有接头, 构造简单、防渗可靠性高且成本低。综合考虑上述因素, 本工程130m烟囱钢内筒最终采用自支撑式。

1.2 选材
钢内筒防腐一般采用防腐金属内衬、轻质防腐砖内衬、防腐涂层内衬、耐酸混凝土内衬[2]。

钛基和镍基合金是国际工业烟囱协会推荐的不设加热器情况下烟囱防腐金属内衬常用的两种材料。钛材由于其特定的化学性能, 有非常好的防腐效果, 脱硫后的强腐蚀性烟气对钛板的腐蚀性很小[3]。镍基中同时加入铬钼, 镍铬钼合金不仅在氧化性介质, 而且在还原性介质中均具有很好的抗腐蚀能力, 特别是在有F-、Cl-等离子的氧化性酸中, 均具有其他耐蚀合金难以相比的耐蚀性。根据资料, 镍合金是最能适应各种严苛条件的优良耐蚀材料, 是比钛板防腐性能更好的材料, 但由于造价高, 目前国内电厂尚无镍基合金作为烟囱防腐内衬的业绩。国内普遍采用的还是钛合金板。

轻质防腐砖内衬一般采用玻璃砖, 主要有进口宾高德玻璃砖、国产玻璃砖、国产陶瓷泡沫玻化砖等。后三种在工业上虽有应用, 但可靠性尚待提高。

由于考虑到腐蚀性为第一要素, 承受内压为次要, 本次设计的钛复合板采用GB/T 8547-2006《钛-钢复合板》中爆炸轧制复合板, BR2类, TA2+Q235B。它不同于爆炸复合板, 这两种复合板的成型机理不同, 造价成本相差很大, 爆炸轧制复合板的成本相对较低, 国内多家复合板生产厂家都有生产。

1.3 设计
设计中外筒承受风压, 内筒不考虑风压, 只考虑强度和刚度。最终经过计算, 烟气入口以下不考虑腐蚀段采用, 14mm厚Q235B钢板, 往上依次选用1.2+12mm、1.2+12mm, 止晃点处, 钢板采用1.2+12mm, 每隔2m左右设置外加强圈, 兼做保温支持圈。底封头不宜采用椭圆形封头, 因为这种爆炸轧制复合板在旋压封头时很难保证成型封头的质量, 而且还增加制造难度, 此处采用斜平板即可。这样便于现场的焊接和施工。烟气采样口和靠近烟囱入口处宜设置检修平台, 其余中间可按需设置平台。中间用斜梯或者直爬梯连接, 如果是多管式烟囱, 用斜梯比较好, 单筒式CEMS以下部位可以设置斜梯, 上部设置直梯, 设计中应注意内筒外壁与外筒内壁之间的净距离不宜小于1m。整个内筒外保温, 保温厚度60mm。

内筒筒首伸出外部混凝土烟囱3m, 为保护外筒内部及雨水进入, 在靠近外筒顶端2m处设置封闭平台, 且此处裸露在外的筒体保温外防护采用S31603不锈钢板, 以防止腐蚀。顶平台收集雨水, 通过泄水孔将雨水排至外壁。

2 施工方案
2.1 内筒施工方法
套筒式或多管式烟囱都是在外筒混凝土烟囱施工完毕检验合格后再进行内筒的施工。常用的施工方法是在烟囱底部开门, 钢内筒在就近的制造厂分段制造或者现场分段卷制焊接运至烟囱内。内筒分段组装焊接采用倒装法, 倒装法主要有气压顶升、液压提升和液压顶升3种, 这些方法在自支撑烟囱钢内筒施工中应用已较为成熟。经比较最终采用液压顶升, 其工作原理为:提升环梁伸出12根插销托住钢制内筒上的倒牛腿, 提升环梁的3条支腿搁置在同一平面上3个均布分开的爬升千斤顶上, 爬升千斤顶按指令在立柱的凹槽内攀住方孔向上爬行, 实现钢烟囱筒体上升, 见图1。

图1 液压顶升装置
图1 液压顶升装置   下载原图

图3 完成组对的筒节
图3 完成组对的筒节   下载原图

2.2 焊接
钛复合板的焊接接头型式采用图2所示的型式, 基层焊接完毕检验合格后再进行复层的焊接, 复层采用的是70mm宽, 1.6mm厚的TA2板, 与复层金属搭接角焊。复合板生产厂家生产时要按照图纸定尺生产, 保证复层金属比基层少15mm, 避免现场切割。筒体焊接中的一些其他角焊缝也应采用钛贴条的型式对角焊缝进行保护。受烟囱内部焊接条件的限制, 内部焊接只宜进行环焊缝的对接, 其余焊缝应在烟囱外部进行, 见图3。钛复合板的焊接具有特殊性, 在焊接前施工单位应制定合理的焊接规程, 并在焊接过程中严格遵守。

图2 筒体对接焊缝示意图
图2 筒体对接焊缝示意图   下载原图

复合板基层的检验采用100%UT检测, Ⅰ级合格, 复层的检验采用100%PT检测, Ⅰ级合格。

2.3 施工过程
板材到货后应由专门的场地堆放, 防止铁污染, 并且进行外观检查, 是否符合订货要求。为防止铁污染, 其钢板卷制时应将复合层一面进行保护, 卷制时采用同规格的硬塑料板或0.1mm的铜皮进行防护以保证复合层不受污染及损坏。卷制时加设垫板以保证开头和结尾处的卷制弧度。

卷制完成的筒体符合要求后进行纵环焊缝的焊接, 检验合格后, 通过卷扬机将组对好的两段筒节运送至烟囱内 (见图4) , 然后再与烟囱内部的筒节组对, 焊接环焊缝, 刷漆, 保温等全部工程完工后。通过液压顶升装置, 将筒节顶升至预定高度。图5所示为施工完成后的筒节。

施工中要合理安排筒节组对、平台梁、止晃点、直梯或斜梯、保温、外壁焊接件等的施工顺序, 保证施工顺利进行。

图4 两段筒节运至烟囱内
图4 两段筒节运至烟囱内   下载原图

图5 施工完成后的筒节
图5 施工完成后的筒节   下载原图