近几年来,国内建设的垃圾焚烧厂不断增多。除了极少数焚烧特殊垃圾(例如医疗垃圾)的焚烧厂外,对于绝大多数城市生活垃圾焚烧厂,烟囱都是必不可少的设施。目前,国内外建设的很多火力发电厂以及一些自用锅炉的大中型厂矿企业,也都需建设烟囱。过往的烟囱设计,大多比较成功,但也存在一些问题。这些经验和教训,为近几年来开始兴建的城市生活垃圾焚烧厂的烟囱设计,提供了宝贵的借鉴。与火力发电厂的烟气相比,垃圾焚烧产生的烟气成份不同、排放标准不同、烟囱的运行方式也不一样,垃圾焚烧厂的烟囱设计有自身的特点。本文结合多个工程的设计实践经验,谈谈城市生活垃圾焚烧工程中烟囱设计的体会。

1　工艺设计

烟囱的作用是将燃烧尾气排向大气,利用大气的扩散作用将尾气扩散稀释。工艺专业设计的内容含:烟囱的高度、排气筒管径、烟气流速、烟气温度、排气筒的布置形式。

1•1烟囱高度

烟囱高度越高,尾气扩散稀释的效果越好,同时,建设费用亦越高,因此,烟囱高度应根据环境影响评价要求,在满足国家环境保护要求的前提下,适当考虑

1•2排气筒管径、烟气流速

尾气从烟囱口排出的速度越大,扩散稀释的效果越好。但是,速度越过30m/s,会发生笛音现象,所以尾气排放速度不能大于这个值。如果烟气流速过低,又会增加烟气对排气筒腐蚀的可能,也降低烟气的扩散稀释效果,通常的烟气流速控制在10~20m/s。确定了烟气流速,根据产生的烟气总量,便能确定出排气筒管径。烟囱(排气筒)出口内径d(单位:m)由下式确定:d=ndVy3600×0.785w0式中　nd—由一个烟囱(排气筒)负担的蒸汽数值(单位:t/h);Vy—每小时产生1t蒸气的烟气量(单位:m3/h);w0—烟囱出口处的烟气流速(单位:m/s)。圆形烟囱(排气筒)的出口内径,一般不小于0•8m,内表面无须防护处理且无须人员入内维护的钢制烟囱(排气筒)不受此限。

1•3烟气温度

烟气温度取决于烟气净化设备出口的烟气温度,但不能低于烟气露点,以避免烟气在排气筒内结露,对排气筒造成腐蚀。

1•4排气筒的布置形式

垃圾焚烧设施的尾气排放量与垃圾热值和焚烧负荷有关,同时运行的垃圾焚烧炉台数对尾气排放量有很大影响。如果多台焚烧炉的尾气从一只烟囱(排气筒)排出,焚烧的运行状况不同(例如,其中一台或几台焚烧炉停炉维修),尾气排放量及排放速度均不同,使烟气在烟囱排气筒内的流度、流量、温度难以控制在设计允许的范围内。一台焚烧炉一个排气筒,能够有效地利用尾气自身拥有的能量,较为方便地控制烟气的流速、温度。但是,如果一个排气筒设一只烟囱,建设及维护费用都很高。目前,国内外通常的做法,是采用组合式烟囱,即一台焚烧炉设一个排气筒,多个排气筒组合在一起,形成一只烟囱,换而言之,即在一只烟囱内,设多个排气筒,各排气筒相互独立。上海垃圾焚烧厂采用一只组合式钢筋混凝土烟囱,内设3个钢排气筒,每台焚烧炉一个排气筒;其烟囱的高度:80m,排气筒管径:1800mm,烟气流速:15m/s,烟气温度120~140℃(排气筒出口温度)。

2　结构设计

尽管实际工程中,组合式烟囱、集中式烟囱(多炉共用1个排气筒)和独立式烟囱(1炉1个排气筒1只烟囱)都存在,但本文仅讨论在城市生活垃圾焚烧厂工程中常用的组合式烟囱。从结构受力的角度,组合式烟囱可粗分为三种形式:混合式烟囱:外筒为钢筋混凝土结构,作为受力结构,排气筒为钢制大直径圆形管道,仅作为烟气排放的通道,不作为受力构件;塔架式钢烟囱:塔架独立承担外荷载作用,钢制排气筒为非受力构件,依附于塔架,钢制排气筒的荷载(包括自重及外荷载),由塔架承担;排气筒受力塔架式钢烟囱:钢制排气筒作为塔架中的受力构件(肢柱),参与塔架整体受力分析。确定适当的结构受力体系后,选用恰当的程序进行计算分析。有关规定,按照《烟囱设计规范》GB50051执行。本文不作赘述。五洲工程设计研究院设计的一些实例为:上海江桥城市生活垃圾焚烧厂烟囱:三管集束式组合烟囱,外筒为钢筋混凝土墙体作为受力结构,内设3根普通碳素钢制排气筒,悬挂式受力形式;河北灵达垃圾转化热电站烟囱,四管集束式组合烟囱,结构同上,仅排气筒为4根;广东东莞横沥垃圾转化热电站烟囱,为单筒集中式烟囱,钢筋混凝土筒体结构,内砌防护砌体墙。

3　烟囱的防护设计

烟囱的防腐蚀设计,应考虑下列因素:烟囱内烟气的腐蚀等级;结构重要性;烟囱的运行方式(经常性或间隙性运行方式);烟囱内是否有结露现象;技术经济比较;检修条件。

  烟囱的腐蚀,主要包括自然环境腐蚀和排气筒内的烟气腐蚀,烟囱的防护设计,也主要是针对这两种腐蚀的防护。自然环境的腐蚀,主要是雨雪、空气中有害成分(大多来源于工业生产的排放物)的腐蚀等,对这种腐蚀,有许多有效的防护措施,较为常见,本文不作赘述,本文主要讨论烟囱排气筒内壁针对烟气腐蚀的防护设计。谈到排气筒内壁的防护,有必要讨论烟气成分、烟气腐蚀的机理、烟气净化的工艺与防护的关系。