摘要：針對目前鋼鐵行業中沖渣產生的尾氣排放時的腐蝕問題，通過選材分析、結構設計，制定了切實可行的方案，通過實際工程驗證了采用纖維增強塑料排煙筒的可行性，得到了很多實際經驗，為鋼鐵行業應用纖維增強塑料排煙筒提供了參考。

關鍵詞：纖維增強塑料排煙筒，鋼鐵行業，尾氣排放

1 前  言

目前，在鋼鐵行業中，許多高爐采用INBA渣處理系統，沖渣產生的水蒸氣經過冷凝塔處理后通過頂部鋼結構煙囪排入大氣，冷凝塔位置一般緊鄰出鐵場廠房外邊緣，頂部鋼煙囪高約20ｍ左右，一般高于出鐵場廠房屋面，由于水蒸氣中含有H?S和SO?等有害氣體成分，會對爐頂鋼結構及爐頂設備造成腐蝕，嚴重影響結構的安全和爐頂設備的正常運行。

近年來，國內很多高爐投產使用后不到10年就要進行大修改造，爐頂轉換大平臺以上鋼結構銹蝕嚴重，平臺板需要更換，框架梁需要除銹并重新涂裝，銹蝕嚴重部位甚至需要加固處理，爐頂許多設備也腐蝕嚴重，需要維修和更換，這樣一來，不可避免地造成了人力、物力的巨大浪費，降低冷凝塔頂部排放的水蒸氣對爐頂鋼結構及設備的腐蝕也就成了目前亟待解決的問題，最有效的辦法：一是采用先進的渣處理設備，盡可能降低處理后的蒸汽中有害成分的含量，二是將冷凝塔頂部煙囪的高度進行加高，使排放的高度大于爐頂框架的高度，從而有效降低對爐頂鋼結構及設備的影響，本文將結合具體實例針對第二種方案進行介紹。

武鋼煉鐵廠某高爐INBA渣處理系統改造，擬拆除冷凝塔21ｍ以上部分，在頂部增設過渡段及煙囪，以便將冷凝塔內蒸汽排入大氣，為避免蒸汽腐蝕爐頂設備及鋼結構，打算將煙囪加高至頂部87ｍ，立面簡圖如圖１所示。

圖1 新增玻璃鋼煙囪立面圖

現有冷凝塔頂部設過渡段，過渡段高5ｍ，采用鋼結構，內部噴涂耐火材料，新增煙囪固定在過渡段上，利用出鐵場廠房屋蓋系統、爐頂框架及煤氣上升管為支撐點，沿出鐵場廠房屋面上升到爐頂框架平臺頂部，煙囪加高部分垂直高度近 90ｍ，水平方向近40ｍ，若采用鋼結構煙囪，則自重很大，且耐腐蝕能力差；若采用新型材料纖維增強塑料煙囪，則可有效解決這兩個問題。通過綜合比較，最終決定采用纖維增強塑料煙囪。

2.1 耐腐蝕性優良

纖維增強塑料具有優異的耐腐蝕性能，可以抵抗包括酸、堿、鹽等多種介質的腐蝕，對于鋼鐵行業的尾氣，纖維增強塑料是最佳的防腐蝕材料，由于沖渣產生的水蒸氣溫度高，實際測量可達100℃，又因其濕度較大且含有H?S和SO?等有害氣體成分，腐蝕性極強，經過大量的現場掛片試驗，最終決定采用美國亞仕蘭公司的D470酚醛環氧乙烯基酯樹脂作為基體材料。

2.2 使用壽命長

纖維增強塑料排煙筒在我國已有很長的使用歷史，其使用壽命可以達到30年以上，新制定的國家標準GB50051《煙囪設計規范》中規定，纖維增強塑料排煙筒的設計使用壽命為30年。

2.3 安裝簡便

纖維增強塑料的比重較小，僅為鋼的1/4，重量的減輕使得其更易于運輸和安裝，在本次排煙筒的安裝過程中，受到場地的限制無法搭架子，只能采用吊車進行安裝作業，因為纖維增強塑料排煙筒重量較輕，大大降低了吊裝費用，也提高了安裝效率。

2.4 保溫隔熱

纖維增強塑料的保溫隔熱性能非常好，其導熱系數遠小于鋼材的導熱系數，在需要保溫的場合，纖維增強塑料設備可以不需要隔熱層，同時纖維增強塑料的熱膨脹系數比較小，可以有效減少膨脹節使用數量，纖維增強塑料與鋼材、PVC的熱性能詳情見表2。

2.5 造價低

從工程結構的全壽命來考慮，纖維增強塑料煙囪的總造價相比其他材質煙囪更有明顯的優勢，因為纖維增強塑料材料具有耐腐蝕性、輕質高強、使用壽命長、維護維修成本低等優點，使其綜合造價相對較低。

受到內外腐蝕環境的影響，排煙筒的后期維護一直是一項非常繁瑣的工作，采用纖維增強塑料排煙筒可以有效減少使用過程的后期維護，提高使用安全性，降低維護成本。

3.1 纖維增強塑料排煙筒設計

纖維增強塑料排煙筒的筒壁可分為三層 : 內襯層、結構層和外表面層，以下分別對這三層結構進行說明。

（1）內襯層

內襯層是與煙氣直接接觸的結構，其主要作用是防止煙氣腐蝕、防止煙氣滲漏，所以對于防腐蝕內層有多方面的要求，如氣密性、防腐蝕性和耐溫性，在本次設計中均采用美國亞仕蘭公司的D470為基體。

內襯層通常由富樹脂層和次內層組成，首先是一層玻璃纖維表面氈，其樹脂含量應不小于90%，也可選用有機合成纖維材料，次內層應采用玻璃纖維短切氈或噴射紗，增強纖維必須為無堿纖維或ECR纖維，其厚度應不小于2.5ｍｍ，整體樹脂樹脂含量應不小于75%。

（2）結構層

結構層又稱為加強層，其作用主要是在載荷的作用下，確保產品具有足夠的強度、剛度和穩定性，結構層中的增強纖維是主要的承載物，而樹脂的作用是起到分布載荷和傳遞載荷的作用，因此選擇高強度的增強纖維和性能良好的樹脂，是提高結構層承載能力的關鍵。

在煙囪的鋪層結構中，既要考慮煙囪的軸向抗拉強度、抗壓強度、抗彎曲強度及對應的模量，還要考慮其環向抗拉強度、抗壓強度、抗彎曲強度及對應的模量，以及層間的抗剪切強度。

煙囪主要考慮的是軸向強度、層間剪切強度和環向強度，纖維增強塑料的層間剪切模量一般只有沿纖維方向模量的數十分之一，煙囪在正常工作時處于長期受拉或受壓的狀態，發生脫層破壞的可能性很大，因此必須通過鋪層設計提高層間抗剪切的強度，采用的方法主要是增加層間性能好的噴射紗(或短切氈)作為界面層，并且必須采用長纖維與短纖維層交替的方法進行鋪層，即環向纏、單向布、噴射紗通過合理的設計進行交替鋪層并盡量保證對稱鋪層的原則。

結構層通常由玻璃纖維連續紗或玻璃纖維織物浸漬樹脂纏繞成型，增強材料應為無堿纖維或ECR纖維，同時纖維的浸潤劑應與所用樹脂相匹配，其樹脂含量為 35%±5%，厚度由計算確定，鋪層的結構主要由連續紗環向纏繞層、單向布、短切氈層(實際操作中多用噴射紗層)按照鋪層順序鋪設而成。

（3）外表面層

外表面層的作用主要是保護煙囪不受外部的環 境侵蝕以及防紫外線，外表面層由富樹脂層組成，樹脂含量應大于75%，為增加外表面層的附著力，可用砂布(紙)打磨結構層表面后再施工外表面層，外表面的增強纖維常采用一層短切氈和一層玻璃表面氈。

當纖維增強塑料煙囪暴露在室外時，外表面層應添加紫外線吸收劑，外表面層 的厚度應不小于1mm。

3. 2  排煙筒的支撐設計

本工程中，煙囪下部與冷凝塔頂部采用閥門連接，煙囪橫跨出鐵場屋面水平段通過空間桁架及支架支撐在廠房屋面及轉換大平臺上，煙囪與桁架采用管托連接，煙囪由爐頂轉換大平臺至頂部豎向段通過三角形支架支撐系統支撐在爐頂框架柱和粗煤氣上升管上，其中標高75m處采用固定支撐承受煙囪豎向和水平荷載，標高60m、67m、79m處為輔助支撐，承受煙囪水平荷載并起水平約束作用，煙囪通過自帶止晃裝置與鋼結構支撐系統采用螺栓連接進行固定，所有支撐系統均采用鋼結構，均在工廠加工制作，現場進行安裝。

桁架與支架的設計均采用PKPM軟件進行分析計算，設計中主要考慮構件本身的設計，保證具有足夠的強度和剛度，以及穩定性，另外，需要注意新增體系對原有出鐵場廠房結構及爐頂框架結構的影響，經過復核，新增煙囪支撐系統后出鐵場廠房和爐頂框架柱的強度、剛度及穩定性均能滿足現行設計規范的要求。

支撐系統設計中的重難點，一是水平段空間桁架的設計，二是豎向段固定支撐的設計，兩者均需結合現有結構的布置進行綜合考慮，本工程中，水平段空間桁架根據出鐵場屋面的形狀采取折線型空間桁架，斷面為三角形，兩端支架利用出鐵場廠房柱柱頂剛性系桿及爐頂轉換大平臺框架梁，分別設單片鉸接支架和固定支架，豎向段 75m 處利用現有爐 頂吊車平臺處吊車梁制動結構，對原輔助桁架與吊車梁組成的空間體系進行加固改造，形成固定支撐，承受煙囪豎向荷載與水平力。

4  排煙筒的施工

4. 1  纖維增強塑料排煙筒的制造

目前纖維增強塑料煙囪的成型工藝主要采用自動化機械纏繞成型，纖維增強塑料纏繞成型的優點包括 :

（1）纏繞成型復合材料纖維含量高，力學性能好，沿纖維方向的拉伸強度可達到1000MPa；

（2）可設計性好，可以按照產品的受力狀況設計纏繞規律、改變纏繞角以及布線規律，充分體現了復合材料的突出優點；

（3）可靠性好，纖維纏繞制品易實現機械化和自動化生產，工藝條件確定后，纏繞線型精確、完整，纏出來的產品質量優良；

（4）生產效率高，采用機械化或自動化生產，需要操作人工少，纏繞速度快，按照 8m/節，纏繞成行的時間大約為2d，即4m/d，勞動生產率很高，現在制造的纖維增強塑料煙囪均為計算機控制自動化纏繞。

4. 2  排煙筒接口的粘接和膨脹節的安裝

纖維增強塑料排煙筒都是分段制作，為減少現場接口工作量，應盡量減少分段數量，每段的長度應盡量長，每根長度多在10~12m，接口都是采用平端對接，受現場施工條件的限制，只能采用手糊成型工藝，手糊成型相比纏繞施工簡便，且不需借助機械設備，但是產品的質量與現場環境條件和工人的熟練程度、責任心等都有很大關系，需要控制的因素很多。

為保證接口的質量，必須制定相應的制造工藝規范，并應注意以下幾點 :

（1）接口時必須在煙囪的內外兩側都粘接；

（2）接口所用材料不得低于排煙筒所用材料，樹脂必須與煙囪本體樹脂相同，所用玻璃纖維及其制品的類型應與本體相同；

（3）接口作為載荷傳遞的關鍵部位，其強度不得低于本體強度；

（4）當接口糊制完畢，進行吊裝前，應檢測其固化度，巴氏硬度不得低于25，繞圓周取8個點測量。

4.3 排煙筒施工及吊裝

所有鋼結構支架及桁架均需在纖維增強塑料煙 囪安裝之前進行施工，施工中，定位準確后，利用吊車將支架吊裝就位，再與原有結構進行焊接固定，最后安裝水平桁架，待所有支撐系統安裝到位并復測完畢后進行纖維增強塑料煙囪的安裝，施工時按照由下而上的順序進行安裝，先安裝冷凝塔頂部至出鐵場屋面水平段，采用兩段安裝，接口設于水平桁架中部，待兩端全部吊裝就位后，利用焊于管托上的鋼板箍將煙囪與水平桁架進行固定，最后吊裝煙囪豎向段，豎向段可一次吊裝到位，調整好后與支撐系統進行固定，水平段與豎向段之間采用膨脹節，最后進行調整安裝。

自2014年投運后，經過一年多的使用，纖維增  強塑料排煙筒運行正常，檢修時未出現腐蝕、開裂、變形、老化和脫層的現象，排煙筒凝結水排出正常，滿足使用的要求，高爐INBA渣處理系統中，排煙筒作為一個重要構筑物，維持其安全運行非常重要，通過它將含硫蒸汽排放到爐頂平臺以上，可有效減輕蒸汽對爐頂設備和鋼結構的腐蝕，具有較好的經濟效益并保證爐頂結構的安全，纖維增強塑料憑借自身優異的耐腐蝕性能，且兼具自重輕、使用壽命長的特點，必將越來越廣泛地應用在鋼鐵行業中。

參考文獻

[1] 李國樹. 玻璃鋼煙囪相關標準與設計軟件[ J ] . 玻璃鋼/復合材料，2012（增刊）: 177-179.