烟塔合一技术的应用.doc

烟塔合一技术的应用Application of Technology for using cooling towers to supersede chimneys张千1 肖海平2神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 邮编：100069；华北电力大学，北京 邮编102206ABSTRACT: This novel technology of natural draft cooling tower to discharge the desulfurized wet flue gas, which Has broad application prospects widely used. It has the advantages of improving the draft inducing capacity and cooling efficiency, reducing the environment air pollution emission concentration and manufacturing and operation cost.KEY WORDS: natural draft cooling towers with flue gas injection; flue gas wet desulfurization; cooling tower摘要：利用自然通风冷却塔排放脱硫后湿烟气的烟塔合一技术具有广泛的应用前景。该工艺具有提高冷却塔抽风能力和冷却效率，降低大气污染物的排放浓度，降低工程造价和运行成本等优点。关键词：烟塔合一；湿法烟气脱硫；冷却塔1 引言烟塔合一是将湿法脱硫后的烟气通过自然通风冷却塔排向大气的烟气排放技术。烟塔合一技术利用冷却塔巨大的湿热空气上升气流对脱硫后的净烟气形成包裹和抬升，从而促进烟气中污染物的扩散。鉴于国内湿法脱硫系统的设计大多取消了GGH设备，烟气排放温度低，传统烟囱烟羽抬升高度不足，石膏雨现象严重。而烟塔合一可以取消烟囱，提高烟气有效扩散,降低污染物的落地浓度,实现环保和经济性的统一。因此，随着环境空气污染物排放标准的提高，烟塔合一技术在我国电力工程设计中引起了广泛的关注。烟塔合一技术首先是从德国发展起来的，目前已应用于1000MW 超大容量机组（Neideraussem电厂），使其在烟塔合一技术研究与应用领域始终处于领先地位1。国内采用烟塔合一技术的主要电厂与传统工艺相比，烟塔合一技术具有技术、经济和环境优势，目前已在华能北京热电厂、大唐哈尔滨第一热电厂、国华三河电厂、天津国电津能公司等电厂得到推广应用。德国采用烟塔合一技术的主要电厂见表1。烟塔合一技术利用了冷却塔中巨大的热湿空气对脱硫后的净烟气形成环状气雾，以此对烟气进行包裹和抬升。增加烟气的抬升高度，从而保证烟气中的污染物能够得到有效的扩散。采用该技术可以取消火电厂湿法延烟气脱硫系统的GGH和烟囱，大大简化了火电厂的烟气系统，减少了设备投资和运行维护费用。表1 德国主要烟塔合一电厂2Table1 The power plant name list of NDCT with flue gas rejection in German电厂名称燃煤种类机组数/台单机容量/MW总容量/MWNeurath褐煤211002200Boxberg 褐煤1900900Jnschwalde褐煤65003000Schwarze Pumpe褐煤28001600Lippendorf褐煤29201840Vlklingen烟煤1300300Rostock D烟煤1500500Staudinger 5烟煤15105102 烟塔合一技术2.1 工艺介绍为更好的介绍烟塔合一排放技术，首先来介绍一下于湿法脱硫工艺衔接的有关流程。图1为湿法脱硫及冷却塔排放烟气的工艺流程3。脱硫后的烟气可以通过冷却塔或烟囱排放。整个烟气系统设有旁路和直通两种方式。设置旁路既允许脱硫装置与锅炉同步运行，又允许脱硫装置停运时，不至于影响主机的运行。直通式的系统要求脱硫装置必须与电厂锅炉同步运行。旁路烟气排放系统大多应用在早期的烟气脱硫系统中，但随着脱硫技术的发展和脱硫装置的可利用率不断提高, 到目前已完全与主机相配合。在这样的背景下，近年来德国电厂大多采用直通式无旁路的烟气排放系统。对于旁路排放烟气系统的电厂，若采用冷却塔排放烟气，正常情情况下是用冷却塔排放烟气的，但当脱硫装置出现故障停运时，由于原烟气的温度和SO2的相对含量较高，此时不适宜通过冷却塔排放，为了排放该烟气，还需另建一座干式烟囱供旁路运行时投用。而对于直通式来说，就无需另建一座干式烟囱。由于采用冷却塔排放脱硫后的净烟气，烟气直接引入冷却塔淋水填料的上部而排入大气，烟气通过冷却塔排放，温度一般在50，所以脱硫后的净烟气无需再加热（以提高烟气的抬升高度和扩散程度），这样就省去了烟气加热装置，进一步简化了湿法脱硫系统。图1 湿法脱硫及冷却塔排放烟气系统简图Fig.1 System diagram of flue gas wet desulfurization and natural draft cooling tower to discharge flue gas烟气经过脱硫后残余的SO2和飞灰含量较低，SO2（包括SO3）的烟气露点相应降低，在塔内结露的可能性很小，加之脱硫塔和冷却塔内都设置了除水装置，塔内气体含水滴（雾）较少，烟气中的飞灰不易于水滴（雾）接触而粘附在塔壁上，因而不会对循环冷却水造成污染。2.2 采用烟塔合一技术对烟气的影响从环保角度来看，冷却塔排烟和烟囱排烟的根本区别在于：a. 烟气或烟气混合物的温度不同；b. 混合物的排出速度不同；c. 混合处的初始浓度不同。从图2可以看出烟塔合一技术与传统烟囱排烟有较大的不同4。图2 烟塔合一排烟和烟囱排烟对比Fig.2 Natural draft cooling towers with flue gas injection, compared with chimney3 烟塔合一烟气抬升高度3.1 理论分析从塔中排放出的净化烟气温度约50，高于塔内湿空气温度，发生混合换热现象，混合后的结果改变了塔内气体流动工况。由于进入塔内的烟气密度低于塔内空气的密度，对冷却塔内空气的热浮力产生正面影响。此外，进入冷却塔的烟气很少，其体积只占冷却塔空气体积的10%以下。故烟气能够通过自然冷却塔顺利排放。烟气的排入对塔内空气的抬升和速度等影响起到了正面作用。在排放源附近，烟气的抬升受环境湍流影响较小。大气层的温度层不是很稳定时，烟气抬升路径主要受自身湍流影响，决定于烟气的浮力通量、动量通量及环境风速等。这段时间大约为几十秒至上百秒，这段时间内烟气上升路径呈曲线形式。烟气在抬升过程中，由于自身湍流的作用，会不断卷入环境空气。由于烟气不断卷入具有负浮力的环境空气，同时又受到环境中正位温梯度的抑制，它的抬升高度路径会逐渐变平，直至终止抬升5。湿烟气也遵循以上抬升规律，不同的是饱和的湿烟气在抬升过程中，会因为压强的降低及饱和比湿的减小而出现水蒸气凝结。水蒸气凝结会释放凝结潜热，这会使湿烟气温度升高，浮力增加。在不饱和的环境下，湿烟气中只有很小的一部分水蒸气会凝结，因水蒸气凝结所释放的潜热使烟气的浮力增加不会很大。然而，当饱和的湿烟气升入饱和大气环境中，这种潜热释放会明显改变抬升高度，抬升高度会成倍的增加。图3是干、湿烟气抬升高度的对比，可以看出同样体积的湿烟气的抬升高度相当于将干烟气加热了几十度。干、湿烟气抬升高度对比见图34。图3 干、湿烟气抬升高度对比Fig.3 The rise of the flue gas emitted plume in dry and wet state目前国内大型火电厂机组烟囱高度一般都在180240m，冷却塔高度在110150m，高度相差较大。在相同条件下，湿烟气的抬升高于干烟气。3.2 实际抬升高度分析根据GB 13223-2003火电厂大气污染物排放标准中推荐的烟气抬升高度计算方法6，烟气抬升高度DH是正比于烟气热释放率、烟囱高度，反比于烟气抬升计算风速的；而热释放率正比于排烟率和烟气温度与环境温度之差。当21 000 KJ/s，且35 K时，城市、丘陵的抬升高度：(1)(2)(3)式中：烟气抬升计算风速，m/s；地面10 m高度处平均风速，m/s；烟囱的几何高度，m；烟囱出口处烟气温度与环境温度之差，K；烟气热释放率，KJ/s；标准状态下烟气平均定压，1.38kJ/ m3 K；标准状态下排烟率，m3/s，当一座烟囱连接多台锅炉时,该烟囱的为所连接的各锅炉该项数值之和。 冷却塔的烟气量是烟囱排烟烟气量的10倍左右，热释放率很大。相对来说,汽轮机排汽通过冷却水带走的热量占全厂的50%左右（按热效率分摊），尾部烟气带走的热量只占5%左右,冷却塔烟气的温度虽然较低，但水蒸气巨大的热释放率弥补了冷却塔高度的不足，从而较低的冷却塔排烟的实际抬升高度不低于高架烟囱。这是在环境湿度不饱和的状态下的情况。在环境处于饱和状态时，冷却塔烟气抬升高度将大大高于烟囱排烟。德国科学家在Volklingen实验电站测得的烟气抬升结果也证实了冷却塔排烟抬升高度高于烟囱排烟，见图47。图4 烟塔合一技术排烟与烟囱排烟抬升高度比较Fig.4 The rise of the flue gas emitted plume for natural draft cooling towers with flue gas injection, comparing with chimney4 烟塔合一对环境的影响分析4.1 SO2的落地浓差德国某电厂冷却塔与烟囱排放烟气年平均落地浓度的比较见图5，从图中可以看出,对于高烟囱和低冷却塔排放的烟气，污染物SO2的落地浓度相差不多。图5 德国某电厂冷却塔与烟囱排放烟气年平均落地浓度对比Fig.5 The contrast of average landing concentration between cooling tower and chimney flue gas emissions值得注意的一点是:有时大气边界层基本处于近中性状态，但有那么一层或几层是逆温的。在逆温情况下，低层空气中上下交换受到阻碍，如果上下交换能够进行,就要消耗能量。电厂烟气具有较高的能量和较大的浮力时，就可以比较容易的穿过逆温层，如果烟气全部都穿透了逆温层，它就不再返回下部，对地面造成污染。如果烟气的浮力不足以穿透逆温层，那么它就被封闭在逆温层以下，从而造成较严重的污染。由于烟塔合一技术排放的混合烟气含有大量的水蒸气，水蒸气中的热量大于空中烟气漂走带的热量，具有较大的浮力，所以上下层交换就能够进行。因此在天气不好的情况下，利用冷却塔排烟优于烟囱排烟。4.2 不同形式的冷却塔对SO2落地浓度的影响利用冷却塔排放脱硫烟气，按一个面源来看待冷却塔排烟，如果冷却塔的高度和出口内径对烟气的落地浓度有影响，那么冷却塔的高度和出口内径的选择，不能只从冷却方面考虑,还要从环保角度考虑选择最佳方案。德国H.Damjakob等人对冷却塔的变异体进行了研究。观测出了变异塔的污染物落地浓度。研究变异塔就是改变一个选定的基准冷却塔的几何形状，观测其特殊的热力数据状况。在下列假设情况下研究所有的冷却塔:在扬程相同的情况下，将相同流量的水从相同的热水温度冷却到相同的冷水温度,基准冷却塔高140m，其基础直径约102m，出口直径为57.5m，它是为一台容量590 MW的抽汽供热机组设计的，冷却水的流量为12 300 kg/s，在大气温度为10，湿球温度为8，大气压力为101. 3kPa 时，冷却水温度为18，可以冷却1 台550 MW的发电机组,该发电机组的烟气是由冷却塔排放。假设变异冷却塔的条件为：a. 改变冷却塔的高度，但保持全部淋水面积不变，即淋水面直径= 常数；b. 改变冷却塔的高度，但保持冷却塔出口直径与淋水面直径比为一定值，设为0.5 、0.6 、0.7 。H. Damjakob 等人根据假设条件对变异体冷却塔的污染扩散进行了计算。计算是根据在自然大气层10 m高处,平均横向风速为6.0 m/s 进行的。采用迎风面的最大落地浓度作为代表值。计算得出不同的冷却塔变异体的污染物最大落地浓度曲线(即图5表示的变异塔迎风面污染物最大落地浓度与基准冷却塔迎风面最大落地浓度之比，见图68。图6 不同的冷却塔变异体的最大落地浓度Fig.6 The largest concentration of landing for different variants cooling tower由图6可知， 不仅与冷却塔高度有关，而且冷却塔出口直径也起着重要作用。高度越高，污染物落地浓度就越小，污染就越轻。出口直径越小，使得出口处的烟气流速增大，速度越高，烟气上升的就越高,环境污染就越小。冷却塔出口直径与淋水直径比的最佳值约为0.6。在同样的直径比和扩散水平情况下，当塔高为180m 时，在迎风面的最大落地浓度，约为72%75%；在冷却塔高度为200 m时，约为62%。而冷却塔高度为230 m时，约50%左右。从以上分析可知，如果烟塔合一，不应只利用常规的冷却塔，适当增加冷却塔的高度,改变直径比，可以更好的降低大气污染物的落地浓度。对常规的冷却塔进行方案选型优化，是有明显环境效益的。5 结论烟塔合一技术是具有广阔应用前景的、用于湿法烟气脱硫的火电机组的新技术，采用此项技术不仅可以大大降低湿法烟气脱硫火电机组的设备投资，提高火电机组的能源利用率，而且会增加烟气的抬升高度,促进烟气中含有的污染物的稀释扩散。因此，烟塔合一技术的推广应用对我国火电机组的建设具有重要意义。参考文献1 汤蕴琳. 火电厂“烟塔合一”技术的应用J. 电力建设, 2005, 20(2): 11-12. Tang Yunlin. Application of Technology for“Combining Stack and Cooling Tower into One”in Coal - fired Power PlantsJ. Electric Power Construction, 2005, 20(2): 11-12.2 舒慧芬. 北京一热、半山、重庆三个电厂后评估报告A . 火电厂烟气脱硫技术及管理工作研讨会论文集C. 北京:中国电力杂志出版社, 2004.Shu H F. The evaluation report after operation for No. 1 Beijing thermal power plant, Banshan(in Zhejiang province) power plant ,Chongqing power plant A . The technology study thesis and management report for power plant FGDC .Beijing :China Electricity Magazine Publisher ,2004.3 井惟如. 烟塔合一技术概况J. 华北电力技术, 2005, 10: 48-51.Jing Weiru. Techniques of Usin