Развитие и конструктивные решения футеровок бетонных дымовых труб

Лужков В. А.

Конструктивные решения футеровок, используемые в конструкциях бетонных дымовых труб за рубежом, с течением времени претерпевали существенные изменения, связанные с повышением эффективности работы тепловых агрегатов и изменением требований к экологической безопасности сооружений дымовых труб.
Раньше температура дымовых газов была значительно выше, чем в настоящее время (около 230°С или выше), что значительно упрощало проектирование футеровок. Сейчас конструкция тепловых агрегатов такова, что энергия газов, изначально выбрасывавшаяся в атмосферу, используется для предварительного подогрева воздуха и воды. Кроме того, ужесточение требований по охране окружающей среды и строгий контроль за их соблюдением приводит к тому, что температура газов на входе в дымовую трубу, в среднем, не превышает 50°С. Зачастую эта температура ниже точки росы дымовых газов и поэтому футеровки труб работают в очень суровых условиях: дымовые газы водонасыщены, содержат кислоты (изредка, щелочи), а их статическое давление превышает атмосферное.
В перспективе условия работы футеровки будут еще более ужесточаться, так как наличие избыточного давления в стволе трубы стало, скорее, правилом, чем исключением, а работа при температуре дымовых газов вблизи точки росы будет вызывать попеременное увлажнение - высыхание футеровки.

Развитие типовых конструктивных решений футеровок.

У первых бетонных дымовых труб кирпичная футеровка выполнялась только на часть высоты трубы и опиралась на фундамент трубы. Это связано с тем, что у первых бетонных труб стенка ствола имела значительную толщину для восприятия ветровых усилий и сейсмических нагрузок, поэтому и при отводе высоконагретых газов кирпичная футеровка была призвана снизить температурные усилия в бетонном стволе. Футеровка заканчивалась на той высоте, где для восприятия сейсмических и ветровых нагрузок было достаточно минимальной (по конструктивным соображениям) толщины бетонной стенки. Для химической стойкости бетона это не играло большой роли, так как температура газов была выше точки росы. Однако высокие температурные напряжения вызывали образование трещин там, где бетонная стенка трубы непосредственно контактировала с дымовыми газами.
Звеньевая кирпичная футеровка успешно решила проблему температурных напряжений. Бетонная оболочка трубы отливалась с консолями приблизительно через каждые 12 м. Кирпичная футеровка толщиной в 100 мм укладывалась на консоли, при этом оставлялся воздушный зазор около 50 мм. Часто затем этот зазор заполнялся вермикулитом или минеральной ватой. Звеньевая футеровка успешно применялась до тех пор, пока не возникало избыточного давления внутри ствола дымовой трубы.
Однако в ходе технической модернизации тепловых агрегатов температура дымовых газов стала снижаться одновременно с повышением их скорости, и в стволах дымовых труб появилась вероятность возникновения избыточного давления дымовых газов. В этих условиях кирпичная звеньевая футеровка не могла предотвратить проникновение агрессивных газов к стволу трубы, где происходила их конденсация и коррозия основных несущих конструкций дымовой трубы. Поэтому из-за широкого спектра проблем, связанных с коррозией, звеньевые кирпичные футеровки сейчас фактически не применяются.
Следующим этапом совершенствования конструкций футеровок стали, так называемые, кирпичные футеровки ‘‘на относе”, которые опираются на фундамент дымовой трубы и возводятся на всю высоту трубы с проходным зазором между стволом и футеровкой. При этом все проемы и неплотности герметизируются, а специальными вентиляторами нагнетается воздух в кольцевой зазор для создания в нем избыточного давления не менее 250 Па по сравнению с давлением газов в стволе трубы. Этот способ применяется в течение последних 20 лет. Кроме того, в качестве футеровок “на относе” более 30 лет успешно используются теплоизолированные металлические газоотводящие стволы. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с кирпичными футеровками: более низкой стоимостью при использовании в высоких трубах и более высокой сейсмической стойкостью. В настоящее время независимые кирпичные футеровки и стальные газоотводящие стволы являются наиболее распространенными в дымовых трубах с температурой отводимых газов выше точки росы. Тип футеровки определяется по экономическим соображениям в зависимости от высоты трубы и внутреннего диаметра, хотя необходимо отметить актуальность проблем коррозионной стойкости и сейсмостойкости в обоих этих конструктивных решениях.

Необходимость поиска внедрения новых конструктивных решений футеровок дымовых труб.

Часто для очистки газа используются мокрые скрубберы. В некоторых газоочистных системах с целью повышения температуры отводимых газов выше точки росы применяют байпасирование, т.е. в очищенные газы после скруббера подмешивается неочищенный горячий газ. Однако высокая стоимость этих операций или необходимость соблюдения экологических требований резко ограничивают использование таких приемов.
Поэтому по мере продолжения увеличения эффективности утилизации тепловой энергии и совершенствования систем очистки температура дымовых газов становится ниже точки росы.
Даже если эксплуатация труб планируется при температуре выше точки росы, устанавливается расчетная верхняя граница рабочей температуры газа на 25°С выше температуры точки росы. В связи с таким малым допуском необходимо учитывать возможность появления конденсата и вести проектирование футеровок с учетом их работы под воздействием водонасыщенных газов.
Дымовые газы после мокрого скруббера содержат некоторое количество кислотных газов таких, например, как SО₂, SО3, С12. Эти газы растворены в воде и находятся в своей самой агрессивной форме - в форме кислот. Поэтому для повышения коррозионной стойкости футеровок стремятся применять коррозионно- стойкие материалы и покрытия:
стальные газоотводящие стволы с покрытием никелем или титаном;
кислотоупорная каменная кладка; газоотводящие стволы из полимерных композиционных материалов;
стальные газоотводящие стволы с покрытием кислотоупорной жаростойкой керамикой;
стальные газоотводящие стволы с кислотоупорными полимерными покрытиями.
К сожалению, каждая из этих футеровок имеет недостатки, представленные далее.

Все эти недостатки футеровок должны учитываться при выборе типа футеровки. В зависимости от химического состава газов и их температуры некоторые из перечисленных типов футеровок становятся невосприимчивыми к коррозии. Имеются также некоторые трудности в определении теоретической точки росы газов, которая значительно меняется в зависимости от влажности, состава топлива, реагента скруббера. Укрупненно-относительные капитальные затраты на возведение некоторых типов футеровок дымовых труб приведены далее.

Выводы

1. Внедрение мокрых скрубберов и повышение эффективности работы газоочистных систем приводят к необходимости поиска и развития новых конструктивно-технологических решений футеровок дымовых труб.
2. Для надежной эксплуатации дымовых труб проектировщики должны особое внимание уделять вопросам коррозионной стойкости футеровок, что в рыночных условиях требует заблаговременных инвестиций для обеспечения надежного проектирования и правильного монтажа новых конструкций. Особое внимание должно уделяться фактическим режимам эксплуатации, так как, работая с предельными режимами, можно неверно определить круг проблем коррозионной стойкости, возникающих при нормальной эксплуатации дымовой трубы.
3. Владельцы дымовых труб должны следить за техническим состоянием футеровки, так как ни один тип футеровки не выдержит суровых условий работы без принятия определенных мер по предупреждению возникновения дефектов. Особенно это относится к тем футеровкам, которые работают в условиях попеременного увлажнения - высушивания.
4. Владельцы дымовых труб должны точно указывать проектировщикам назначение и режимы работы дымовых труб. С другой стороны, проектировщики и строители должны предоставлять владельцам дымовых труб данные по оценке стоимости технического обслуживания футеровки на весь срок службы дымовой трубы. Это позволит владельцам дымовой трубы избежать такой распространенной ловушки, как меньшие единовременные затраты на возведение футеровки, но очень большие затраты по поддержанию футеровок в работоспособном состоянии.

Список литературы

1. Sowizal J. С. Overview: USA experience with linings and coating for concrete chimneys. Atlanta, GA, 1991.
2. Sowizal J. C. Chimneys for wet scrubber power plant application. - CICIND REPORT, 1996, vol. 13, № 2.
3. Schweitzer G. Wallpaper and cladding techniques for chimney linings. - American power conference, Mariott Downtown Chicago, 1993.
4. Ertz В. W., Kochan A. Protection of chimneys against acid attack and environment conditions. - CICIND REPORT, 1999, vol. 15, №2.