新型自立式钢烟囱的技术应用

时间：2024-06-19

王泳

(云白环境集团公司，江苏苏州 215000)

0 前言

工业烟囱作为石油化工、金属冶炼、电力、固废处理等行业重要的尾气排烟装置，其作用举足轻重。环保标准的提高，以及工业规模大型化的要求，促使工业烟囱的发展趋向更加环保、安全、施工便捷、节约成本。

烟囱的发展也从传统的砖烟囱、混凝土烟囱过渡到了钢制烟囱阶段。钢制烟囱解决了混凝土烟囱腐蚀、老化快、占地面积大、施工周期长等问题，并且能够更好的二次回收利用，减少了对环境的污染。利用云白的专有技术还可以对钢制烟囱进行跟踪检测和安全使用评估，满足企业对设备的安全要求。

工业烟囱作为工业尾气处理设备，首先要满足工艺需求，达到国家排放标准，材质选择上首先要考虑防止烟气的腐蚀，其次要考虑设备的造价和寿命，最后还要考虑安装方便。

1 传统混凝土烟囱应用中的常见问题

混凝土烟囱是工业尾气排放烟囱中最常见的一类，其最大的优势是高度较高可达250 m以上，但随着工业的快速发展，混凝土烟囱暴露出了其使用功能上和建造上的诸多缺点。

1.1 混凝土被腐蚀开裂

以某垃圾焚烧发电厂的钢筋混凝土烟囱为例，由于垃圾焚烧发电燃料中包含很多氯化物，燃烧过程中，氯化物转化为自由氯离子，与水蒸气结合形成盐酸，烟囱很快被腐蚀出多道裂缝。

图1 混凝土烟囱被腐蚀后产生裂缝

1.2 混凝土烟囱内壁浇注料抗渗性差

内壁涂刷浇注料是混凝土烟囱施工中一种常见的防腐方法，浇注料的抗渗性差是最主要的问题，产生此问题与材料自身特点有关。目前市场的耐酸浇注料是由水玻璃和硬化剂组成，由于水玻璃与硬化剂反应生成物的基质是硅酸凝胶，此类材料不能抵抗碱和呈碱性反应介质的腐蚀。其次耐酸凝胶从弹性胶体向具有固体性能的凝胶转变的过程中，要不断脱水和缩聚，从而形成无数细小的细孔，导致水玻璃材料的孔隙率很大，抗渗透能力一般仅为0.2 MPa。

1.3 混凝土烟囱施工复杂难保质量

由于设备体积巨大，导致施工现场占地面积大，施工人员众多，大量消耗水电，现场不可控因素多无法保证施工进度。

施工质量受天气、人员等各种因素影响大，施工材料质量参差不齐，施工周期(尤其冬季)较长，二次维护时间要求高，不能保证施工质量。

设备体型庞大结构复杂，结构层与防腐层结合为一体，一旦腐蚀产生，维护难度系数增加。拆除或更换都需要大量资金投入。

2 新型自立式钢烟囱的应用

鉴于混凝土烟囱的缺点较多，自立式钢烟囱的使用愈加广泛。自立式钢烟囱无需外部钢结构或辅助结构支撑，通过精确计算和阻尼器的配置，可以满足烟囱强度、刚度、挠度、振动和稳定性等要求，确保烟囱本体安全可靠。

自立式钢烟囱在国外已有长时间广泛应用，其钢材消耗量与塔架式烟囱类似，但在综合占地指标上有绝对优势，且自立式钢烟囱结构简单，可实现工厂预制，现场组装，施工周期极短，对施工场地要求很少，已经成为国外众多工程应用的首选。但自立式钢烟囱由于计算模拟分析复杂，且目前高度不适合超过120 m，在国内尚未大规模推广和应用，从2005年问世至今大概有上千套自立式钢烟囱在应用，80米以上的钢制烟囱也已有20余套。

2.1 结构类型

自立式钢烟囱从筒体结构类型可分为单筒式和套筒式。二者从结构支撑类型上无本质区别，套筒式相比单筒式更便于解决温度和腐蚀问题。应针对不同的烟气温度和腐蚀特性，选取合适的筒体结构，兼顾其安全性和经济性。

2.2 根据工况温度选型

针对不同介质温度自立式钢烟囱推荐的结构形式见表1。

表1 不同介质温度下推荐结构形式

注：★为优先选形式，☆为次优选形式，◇为可选形式。

2.3 根据腐蚀特性选型

导致烟气腐蚀性的原因有腐蚀介质、烟气温度、湿度和流速等。钢制烟囱腐蚀性选型应针对具体情况，选取适宜的防腐内衬。

(1)微腐蚀，烟温150～350 ℃，腐蚀介质含量低，宜选用单筒式或套筒式。

(2)中度腐蚀，烟温小于150 ℃，有一定腐蚀介质，宜选用套筒式。

(3)强腐蚀，烟温小于100 ℃或大于450 ℃腐蚀介质含量高，宜选用套筒式。

2.4 套筒自立式钢烟囱特点

(1)由于烟气仅与内筒接触，避免了因烟气腐蚀外筒所产生的安全隐患，烟囱整体结构安全得到了保障。

(2)套筒式钢烟囱由于内筒外壁有保温层和空气层，可以有效阻断内外层之间的温度传递，外筒对保温层和内筒还起到保护作用，使之免受外界大气、雨水的侵蚀，使用寿命明显增加。

(3)内筒主要为排烟功能，无需复核强度，仅考虑材料耐腐蚀，壁厚可设计的比较薄。根据不同的烟气条件，内筒材料可选用钛钢复合板、不锈钢、玻璃钢等材料。外筒不与烟气接触，主要起强度作用，一般选用Q235B、Q345B等材料。

(4)占地面积小，节约空间，节约基础费用。

辽宁沈阳某热电公司新建80 m烟囱，因厂区可使用空间狭窄，传统的混凝土烟囱无法施工。在相同的地勘条件下，套筒自立式钢烟囱因基础荷载小，外形尺寸小，因此合理地应用了土地资源，如图2所示。

图2 安装在夹道内的自立式钢烟囱

(5)烟囱在工厂内预制生产，不占用现场空间及时间，不影响其它项目施工进度。钢烟囱厂内加工完成后运输至现场，采用大型起吊安装，现场只需要3～5名安装人员，安装时间短，现场不需要任何焊接操作，对水电无需求。安装现场如图3所示。

图3 钢烟囱安装现场

(6)钢烟囱在工厂内预制，采用标准化生产管理，质量易把控，生产过程不受天气原因影响，容易把控工期。

2.5 新型自立式钢烟囱的安全保障技术

2.5.1 阻尼器技术的应用

自立式钢烟囱对风载荷较为敏感，烟囱在风诱导共振作用下经常发生大幅度摆动，会造成局部开裂，甚至设备损坏的危险情况。诱导振动在设计中经常被忽视，由于其机理复杂，国内开展这方面的研究仅 10 多年，多数情况下忽略了可能存在的诱导振动，造成设计不完善。JB/T 4710—2005发布后，增加了附录 A“横风向的风力和风弯矩计算”，计算软件SW6中也据此增加了横风力计算的功能，但还不能称其为完整的振动分析，计算书中没有给出明确的提示和结论。

云白环境的自立式钢烟囱可通过精密的计算，在烟囱顶部安装调频阻尼器。当强风作用在烟囱表面时，阻尼器可以通过自身惯性力来降低烟囱加速度响应，从而减小烟囱摆动幅度，增加使用寿命和安全性能。

2.5.1.1 阻尼器的分类

烟囱顶部安装的阻尼器分为固体调频阻尼器和液体调频阻尼器，需根据项目环境条件不同来选择。

图4 固体调频阻尼器

图5 液体调频阻尼器

2.5.1.2 阻尼器的应用

烟囱顶部增加了阻尼器，可通过自身惯性力来降低烟囱加速度响应，减小烟囱摆动幅度，从而可以降低烟囱的基础荷载，减轻烟囱重量，节约钢材用量和基础费用。

(1)甘肃白银有色铜冶炼烟气净化100 m烟塔合一工程，由于场地原因，原烟塔方案和基础无法匹配需要进行整改，重新修建基础，但此举会增加大量基础费用和延长工期。经详细计算和论证决定对烟塔结构进行调整，维持基础不变。专业烟囱厂家云白环境通过综合计算，在原有烟囱顶部增加配套的阻尼器，从而成功解决了此困难，既保障了工期，又节约了成本。

图6 烟囱上部新增的阻尼器

(2)赤峰云铜有色金属有限公司环保搬迁项目的100 m和90 m两根烟囱，均采用了套筒自立式钢烟囱。赤峰地区常年多大风天气，通过烟囱顶部设置配套阻尼器，减少烟囱振幅，既减小了烟囱基础，又保障烟囱的使用寿命。

(3)陕西延长石油(集团)有限责任公司炼化公司120 m套筒自立式钢烟囱由云白环境集团所建，目前为“亚洲第一高度自立式钢烟囱”。

图7 120 m高带阻尼器烟囱全景

(4)集束式结构，即多根烟囱(烟筒)采用一定的几何结构形式排列，相互之间通过抱箍结构连接为一个整体，形成组合式结构。该结构烟囱顶部也可增设配套阻尼器，从而增加烟囱整体的刚度，满足设计条件下风载荷和地震载荷的要求。图8为锦江环保垃圾焚烧项目80 m双管集束式钢烟囱，顶部采用液体调频阻尼器。

图8 集束式带阻尼器烟囱全景

2.5.2 在线位移监测的应用

在线位移监测主要是保证烟囱的安全而建。该装置采用位移检测，每秒检测烟囱运动四贞，采用无线发射器，设置三级预警，信息传送至大数据库平台，同时可以直接发送至客户手机客户端起到安全预警作用。

图9 客户端监测画面

2.5.3 安全防坠落爬梯的应用

云白烟囱在各平台之间设置安全防坠落爬梯，为环保监测人员及维修人员提供更有利的保护措施，当发生打滑或坠落时，能够瞬间锁住人员，确保人员安全。

2.5.4 烟囱的安全验收

自立式钢烟囱从设计到生产和安装均依据相关国家规范严格执行，在保障满足生产工艺和结构安全的基础上，增加了阻尼器、在线位移监测和安全防坠落爬梯等安全措施的应用，更加强化了自立式钢烟囱的安全使用。相关设备质量和安装质量验收，可参照以下相关国家标准，《GB 50051—2013烟囱设计规范》、《GB 50078—2008烟囱工程施工验收规范》、《GB 50009—2012建筑结构荷载规范》、《GB 50017—2003钢结构设计规范》。