（环境工程专业论文）燃煤电厂烟塔合一技术的环境影响分析.pdf

华北电力人学ji ：程硕十学位论文摘要 摘要 本文评述了烟塔合一技术的工艺特点和应用条件；分析了烟塔排放烟气的抬升 机理：选择国内三个有代表性电厂的烟塔合一技术方案，对其烟塔进行了不同大气 条件下的烟气抬升对比计算，并对各项目烟塔排放烟气造成的污染物地面浓度进行 了预测分析，对相同污染物源强度条件下烟塔排放和烟囱排放的污染物地面浓度进 行了对比分析；收集整理了电厂烟塔合一排放烟气的现场实测数据，并对其烟气抬 升的实测值与理论计算值进行了对比研究，从环境影响角度对烟塔合一排放方式进 行了可行性论证；从技术、经济、环境方面分析了烟塔合一技术的优势及国内目前 推广该技术面临的主要问题。 关键词：烟塔合一，烟气排放，环境影响 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so fn a t u r a ld r a f t c o o l i n gt o w e r sw i t hf l u eg a si n j e c t i o n ( c t f g i ) w a sr e v i e w e di nt h i sp a p e r a l s ot h e m e c h a n i s mo fp l u m er i s ef r o mc t f g iw a sa n a l y z e d b a s e do nt h et e c h n i c a l s c h e m e so ft h r e er e p r e s e n t a t i v ep o w e rp l a n t s ，p l u m er i s ef r o mc t f g ii nd i f f e r e n t a i rc o n d i t i o n sw e r ec a l c u l a t e da n da l s ot h ee f f e c to fp l u m er i s eo nt h eg r o u n d c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sw e r ef o r e c a s t m o r e o v e r , t h eg r o u n dc o n c e n t r a t i o n so f p o l l u t a n t sf r o mc t f g l w e r ec o n t r a s t e dw i n lt h o s ef i o mc h i m n e yf o rs a m e c o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t si nf l u eg a s f u r t h e r m o r et h eb a l a n c er e s e a r c hw a s c a r r i e do u tb e t w e e nm e a s u r e da n dc a l c u l a t e dv a l u e ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fc t f g l w a sd i s c u s s e df r o mt h ea s p e c to fe n v i r o n m e n te f f e c t f i n a l l yf r o mt h et e c h n i c a l ， e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a la s p e c t s ，t h ea d v a n t a g e sa n dt h ef a c i n gp r o b l e m so ft h e a p p l i c a t i o no fc t f g lw a sa n a l y z e d l i a n gd o n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gs h e n gh a n k e yw o r d s ：n a t u r a ld r a f tc o o l i n gt o w e r sw i t hf l u eg a si n j e c t i o n ；f l u eg a s i n j e c t i o n ；e n v i r o n m e n t a le f f e c t 华北电力人学ji ：程硕十学位论文摘要 摘要 本文评述了烟塔合一技术的工艺特点和应用条件；分析了烟塔排放烟气的抬升 机理：选择国内三个有代表性电厂的烟塔合一技术方案，对其烟塔进行了不同大气 条件下的烟气抬升对比计算，并对各项目烟塔排放烟气造成的污染物地面浓度进行 了预测分析，对相同污染物源强度条件下烟塔排放和烟囱排放的污染物地面浓度进 行了对比分析；收集整理了电厂烟塔合一排放烟气的现场实测数据，并对其烟气抬 升的实测值与理论计算值进行了对比研究，从环境影响角度对烟塔合一排放方式进 行了可行性论证；从技术、经济、环境方面分析了烟塔合一技术的优势及国内目前 推广该技术面临的主要问题。 关键词：烟塔合一，烟气排放，环境影响 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so f n a t u r a ld r a f t c o o l i n gt o w e r sw i t hf l u eg a si n j e c t i o n ( c t f g i ) w a sr e v i e w e di nt h i sp a p e r a l s ot h e m e c h a n i s mo fp l u m er i s ef r o mc t f g iw a sa n a l y z e d b a s e do nt h et e c h n i c a l s c h e m e so ft h r e er e p r e s e n t a t i v ep o w e rp l a n t s ，p l u m er i s ef r o mc t f g ii nd i f f e r e n t a i rc o n d i t i o n sw e r ec a l c u l a t e da n da l s ot h ee f f e c to fp l u m er i s eo nt h eg r o u n d c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sw e r ef o r e c a s t m o r e o v e r , t h eg r o u n dc o n c e n t r a t i o n so f p o l l u t a n t sf r o mc t f g l w e r ec o n t r a s t e dw i n lt h o s ef i o mc h i m n e yf o rs a m e c o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t si nf l u eg a s f u r t h e r m o r et h eb a l a n c er e s e a r c hw a s c a r r i e do u tb e t w e e nm e a s u r e da n dc a l c u l a t e dv a l u e ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fc t f g l w a sd i s c u s s e df r o mt h ea s p e c to fe n v i r o n m e n te f f e c t f i n a l l yf r o mt h et e c h n i c a l ， e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a la s p e c t s ，t h ea d v a n t a g e sa n dt h ef a c i n gp r o b l e m so ft h e a p p l i c a t i o no fc t f g lw a sa n a l y z e d l i a n gd o n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gs h e n gh a n k e yw o r d s ：n a t u r a ld r a f tc o o l i n gt o w e r sw i t hf l u eg a si n j e c t i o n ；f l u eg a s i n j e c t i o n ；e n v i r o n m e n t a le f f e c t 声 一p f j尸 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文燃煤电厂烟塔合一技术的环境影响分 析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 导师签名： 日期： 华北电力人学j ￥硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 燃煤电厂产生的烟气污染物通常情况下都是通过高烟囱排入大气的，烟囱能使 污染物从排放源的局部地区扩散到很大的范围，并利用大气的自净能力使地面污染 物浓度控制在人们可以接受的范围内。传统的大气扩散理论认为，烟囱高度越高， 烟气温度越高，烟气抬升能力愈强【l 】，再加上高空风速大，稀释能力强，对烟气污 染物扩散越为有利。然而，烟囱的高度并非愈高越好，当烟囱高度超过一定的高度 后如果再增加其高度，对地面污染物浓度的降低效果就很小，而烟囱造价却随高度 增加而急剧增大( 2 】。 在我国的一次能源消费结构中，煤所占的比例高达约7 0 ，其中耗煤量最大的 是燃煤电厂，而其二氧化硫排放量约占工业二氧化硫排放总量的5 5 。随着我国环 保要求越来越严格，削减和控制二氧化硫的排放量已成为电力建设的当务之急，目 前，烟气湿法脱硫技术已经广泛应用于燃煤电厂的新建机组。由于脱硫后烟气含水 量大幅度增加，温度大幅度降低，其抬升能力已经大大下降，如何分析脱硫后烟气 抬升是一个现阶段较敏感问题。为增加脱硫后烟气的抬升高度和获得更好的扩散效 果，近十几年来德国较广泛地采用了烟塔合一排放技术，利用冷却塔巨大的热空气 抬升脱硫后的烟气【3 】。 燃煤电厂作为主要的区域性大气污染源是今后环境治理的重点，其烟气通过常 规的烟囱排放或通过冷却塔排放，哪种排放方式更有利于环境空气质量的改善，是 目前受到普遍关注的问题。为此，对燃煤电厂烟塔合一技术的环境影响进行分析研 究，对促进该技术在我国火电机组的推广应用具有十分重要的意义 1 2国内外研究动态 西方发达国家自1 9 世纪7 0 年代末到8 0 年代末，相继在燃煤电厂采用烟气脱硫装 置，其中大部分脱硫装置都为湿法脱硫工艺。烟气经湿法脱硫后，烟温一般在5 0 左右，与室外空气温度差甚小，再考虑到烟囱壁散热导致的烟气温降，其流动特性 不及双曲线自然通风冷却塔，加上气候变化的影响，至使经脱硫后5 0 的烟气通过 烟囱排放存在着困难。因此，不得不对烟气进行加热，这样势必导致系统复杂，初 投资及运行费用增加。烟塔合一技术应运而生，并获得了推广应用【4 1 。 德国帅先从2 0 世纪7 0 年代起开始进行烟塔合一技术的研发及应用。1 9 7 7 年德国 研究技术部和s a r b e r g w e r k ea g 公司联合设计了v o l k l i n g e n 电厂，该厂的烟塔合一机 华北电力人学i ：样硕十学位论文 组于1 9 8 2 年8 月开始运行，1 9 8 5 年顺利通过了一系列测评。自此，烟塔合一技术被德 国新建电厂广泛采用，同时部分老机组也完成了相应改造工作【5 1 。目前德国是世界 上无烟囱电厂最多的一个国家【6 】，采用烟塔合一技术运行的电厂有2 0 多座，装机总 容量超过1 2 0 0 0 m w 。例如，1 9 9 3 年黑泵( s c h w a r z ep u m p e ) 电厂2 x 8 0 0 m w 机组开始建 设，1 9 9 5 年利朋多夫( l i p p e n d o r f ) 电厂2 9 3 3 m w 机组丌始建设，1 9 9 8 年尼德劳森电 厂9 7 8 m w 机组开始建设，2 0 0 4 年诺伊拉特( n e u r a t h ) 电厂2 x li o o m w 机组开始建设， 以上电厂投产后全部运行良好，充分显示了烟塔合一技术的优越性。德国在烟塔合 一技术方面处于领先地位，目前德国已结合自己的工程实践经验出台了烟塔合一的 相关技术标准和评价准则1 6 j 。 近年来，随着我国燃煤电厂烟气排放标准的日渐严格，烟塔合一技术在我国的 一些电厂有了具体应用。2 0 0 6 年1 2 月，华能北京热电厂4 号机组的烟塔合一工程投入 运行，成为我国首个成功投入运行的排烟冷却塔；河北三河发电厂二期工程建设2 座4 5 0 0 m 2 排烟冷却塔于2 0 0 7 年8 月投入运行，并于2 0 0 8 年2 月通过了国家环境保护部 的环保竣工验收；天津东北郊热电厂新建2 x 3 0 0 m w 机组、大唐国际锦洲热电厂新建 2 x 3 0 0 m w 机组、大唐哈尔滨第一热电厂2 3 0 0 m w 新建机组等建设项目采用的烟塔 合一工程正在施工中；另有多个大型燃煤电厂的设计也提出了烟塔合一方案的设想。 采用烟塔合一技术不仅可以大大降低烟气湿法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。利用冷却塔排放烟气，脱硫后的净烟气无需再加热，不仅节省了烟囱的 费用，还节省了烟气再热系统的投资和运行维护费用。此外，一些城市电厂由于烟 囱限高要求，只能采用新的排烟技术来达到特殊的外部要求和环境要求，这些，都 为烟塔合一技术在我国的应用提供了广阔的发展空间1 7 】。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文从对烟塔合一技术排放烟气抬升机理的分析研究入手，选择国内三个有 代表性的电厂的烟塔合一技术方案，对其烟塔进行了不同大气条件下的烟气抬升对 比计算，通过对各项目烟塔排放烟气造成的地面浓度的预测分析及对相同污染物源 强条件下烟塔排放和烟囱排放的地面浓度的对比分析，从环境影响角度对烟塔合一 排放方式进行可行性论证。 本文对电厂烟塔合一排放烟气的现场实测数据进行了收集分析，并通过对其烟 气抬升的实测值与理论计算值的对比研究，进一步论证了烟塔排放烟气抬升的理论 计算的可信性。 本文还从技术和经济方面分析烟塔合一技术的优势及存在问题，并结合我国电 力工业的现状与发展，分析烟塔合一技术在我国燃煤电厂的应用前景。 2 华北叱力人学i 。科硕十学 古论文 第二章烟塔合一技术概述 21 烟塔合一技术的基本概念 “烟塔台一”技术，即取消燃煤电厂中的烟囱，将锅炉排放的烟气经除尘脱硫后， 送入自然通风冷却塔，借助冷却塔大量的热湿空气对脱硫后的净烟气形成良好的包 裹和抬升，增加烟气的抬升高度，从而促进烟气中污染物的扩散。 烟气从配水装置上方进入冷却塔与冷却水不接触。由于烟气温度( 约5 0 ) 高 于塔内湿空气温度，发生混和换热现象将对塔内气体流动工况产生定影响。 通常，燃煤电厂的能源转换率一般为4 0 左右，其余6 0 以废热的形式消耗掉 其中约5 0 是通过循环冷却水经冷却塔排放而通过锅炉烟气排放的废热不足1 0 。 塔内气体向上流动的原动力是湿空气( 或湿空气与烟气的混和物) 产生的热浮力，克 服流动阻力而使气体流动。 在正常运行工况下，进入冷却塔的烟气所占容积份额较小，烟气流量仅为冷却 塔热湿空气流量的5 1 0 ，故其对塔内气体流动的影响甚微。进入玲却塔的烟气密 度低于塔内气体的密度，会对冷却塔的热浮力产生正面影响。烟气是在配水装置以 上进入冷却塔，对配水装置区间段阻力不产生影响，对总阻力的影响甚微，工程上 可忽略不计吲。 根据烟塔合一技术应用现状来看，采用该技术可以省略燃煤电厂湿法烟气脱硫 系统的g g h 换热器和烟囱，可以合并锅炉引风机和脱硫增压风机，遮不仅可以提高 能源利用效率，而且简化了火电厂的烟气系统，降低电厂建设费用，有利于发电成 本降低更为重要的是烟塔合一技术可提高脱硫后净烟气的抬升高度，利于烟气污 染物的稀释扩散，有利于提高环境质量。 月*e目p 霞载 重 _ 趣 黉 喇 图2 j 烟塔台电厂工艺流程图 华北电力人学l 样硕十学位论文 22 烟塔合一工艺系统的形式 2 21 脱硫装置布置位置确定的形式 根据脱硫装置布置位置的不同烟塔台一工艺系统通常可分为外置式和内置式 两种。 1 1 内置式 烟塔合一工艺的冷却塔必颏采用横流塔，脱硫装置布置在冷却塔内。早期的烟 塔合一工艺多为内置式，内置式烟塔合一工艺使得布置更加紧凑，节省用地。 2 ) 外置式 烟塔台一工艺的冷却塔为逆流塔，脱硫装置安装在冷却塔外脱硫后的净烟气 引到冷却塔配水装置上方箍冲却塔的热空气一起捧放“i 。此种布置方式，冷却塔 一般布置在炉后并尽量靠近脱硫吸收塔，以缩短净烟道的长度，节约投资。 烟道进塔方式分为低位进塔方式和高位进塔方式。低位进塔方式中的净烟气沿 降低标高后的烟道，从冷却塔淋水填料层之上标高2 5 m 左右处进入冷却塔；高位进 塔方式中的净烟气从脱硫塔出来后标高不变，从标高4 0 m 左右处直接进入冷却塔。 高位进塔方式拥有更多的优点： 减少了烟道弯头，缩短烟道长度； 减少了烟道的支撑结构及基础等土建工程费用： 减少了烟道的压力损失，提高了冷却塔中心烟气的浓度： 减少了烟气对冷却塔筒壁的腐蚀冲击，使冷却塔防腐保护层的有效期延长： 高位开孔处冷却塔壳体较薄，开孔对整个壳体受力影响较小】。 3 6 一脱硫装置3 9 一吸收塔喷淋层4 0 一冷却塔4 1 一收水器4 2 一配水层 4 3 一填料层4 仁烟道4 5 一防噪墙9 6 一进水管 圈2 - 2 外置式烟塔台一工艺立体图解 华北电力人学j i ：程硕十学位论文 2 2 2 湿法脱硫工艺流程确定的形式 根据湿法脱硫工艺流程的不同，烟塔合一工艺系统可分为旁路式和直通式两种。 1 ) 旁路式 旁路式系统既可以实现脱硫装置与主机同步运行，又可以实现脱硫装置停运时， 主机仍可运行。正常情况下是利用冷却塔排放烟气，但当脱硫装置停运时，由于烟 气的温度和二氧化硫的含量相对较高，不能通过冷却塔直接排放，故需另建一座干 式烟囱作为旁路供排放烟气使用。 2 ) 直通式 直通式系统要求主机与脱硫装置必须同步运行，不另设烟囱。随着脱硫装置可 利用率的不断提高，目前已经完全达到了可以与主机媲美的程度。因此，近年来采 用冷却塔排烟的新建电厂大多采用直通式无旁路的烟气排放系统【1 0 】。 2 3 烟塔合一技术的应用条件 2 3 1 对烟气品质的要求 烟塔合一技术对进入冷却塔的烟气品质有较高要求，烟气污染物浓度宜为：烟 尘：5 0 - 1 0 0 m g n m 3 ，s 0 2 ：3 0 0 - 4 0 0 m g n m 3 ；n o x ：2 0 0 m g n m 3 。2 0 0 3 年以前，我 国火电厂锅炉排烟中烟尘、s 0 2 和n o x 浓度远高于上述指标，如果烟气从冷却塔内 排出，将使塔内集水装置产生污垢，冷却水质变坏，塔筒腐蚀严重，因此不适合采 用烟塔合一【1 2 1 。 2 0 0 3 年我国颁布了火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ，对火电厂 大气污染物排放指标要求如下：烟尘：5 0 l o o r a g s q m 3 ，s 0 2 ：4 0 0 8 0 0 m g n m 3 ；n o x ： 4 5 0 6 5 0 m g n m 3 。除n o x 外，其他指标下限已满足烟塔合一技术对烟气品质的要求 而采用烟气脱硝处理后，n o x 浓度亦可以满足要求。这就为采用烟塔合一技术创造 了必要的前提条件。 2 3 2 最低热负荷要求 脱硫净烟气在冷却塔中心排放，冷却塔巨大的热湿空气对脱硫净烟气形成包裹 和抬升，为保证脱硫净烟气通过冷却塔正常排放和抬升，要求汽轮机循环冷却水水 量不能小于设计值的5 0 或不能低于冷却塔热负荷的3 0 t 6 1 。 2 3 3 烟气温度限制 脱硫、脱硝后烟气的腐蚀性仍很强，若采用烟塔合一技术，需要对冷却塔混凝 土表面涂刷防腐涂层，同时采用抗腐蚀性能高、造价较高的玻璃钢烟道。而防腐涂 5 华北电力人学i - t ti 硕十学位论文 层及玻璃钢烟道对温度较为敏感，对通过玻璃钢烟道排入冷却塔内的烟气温度需要 限制，连续运行烟气温度一般不超过7 0 。 2 3 4 工艺布置要求 采用烟塔合一技术的电厂，其冷却水系统必须采用自然通风冷却塔的二次循环 冷却系统，冷却塔位置与脱硫塔相距不远，通常采用炉后布置冷却塔出于冷却塔 直径较大和防火间距要求，机组数量不宜多于4 台，否则后几台机组的烟道将比较长 2 4 烟塔合一技术的工艺设计 2 4 1 烟塔设计原则 排烟冷却塔设计是烟塔合一技术的核心，基本要求是烟塔在保证正常汽轮机循 环冷却水冷却的情况下，使排入的脱硫净烟气达到环保要求j 下常排放，其关键技术 为冷却塔运行工况、线形及尺寸、冷却塔强度( 丌孔技术) 及防腐等几个方面。 2 4 1 1烟塔的工况设计 为保证净烟气的抬升效果，冷却塔出口混合气体的垂直上升速度必须大于3 m s ， 这样，就要求进入冷却塔的循环水达到一定水量和温度。 对带供热机组的电厂，冬季大量供热导致循环水量大幅下降，夏季供热量少又 导致循环水量急剧增加，且机组与冷却塔、冷却塔与冷却塔之间为母管制布置，故 全厂总的循环水量波动较大。为此，可通过控制冷却塔的进塔水量，保证烟塔的水 量。反复论证来确定比较合适的循环水量，要既能满足母管制循环水系统的水量分 配要求，同时又能满足烟气抬升所需的热量需求，保障烟塔出口混合气体流速达到 一定值，以有利于烟气抬升【i 习。 目前国内采用烟塔合一技术的供热机组，为保证排放效果及满足防冻要求，其 循环水系统多采用扩大单元制运行方式，即非采暖期每台机组的烟气及循环水采用 单元制运行，各进一座塔；采暖期采用两机一塔的运行方式，两台机组烟气、循环 水全部进一座塔运行，另一座塔停运。通过提高冬季单塔运行的循环水量和热负荷， 从而提高烟塔的出口流速和烟气排放温度，提高塔内烟气的抬升高度和扩散效果。 采取冷却塔的分区运行方式对循环水的温度进行控制。冬季运行时，随着气温 的降低，逐步关闭冷却塔中央的分区，以满足冷却塔出口循环水温维持在1 3 1 5 左右【i4 1 ，不致因过冷而影响机组效率，同时保证有足够的热量加热抬升烟气。 2 4 1 2 烟塔的结构设计 烟塔合一的冷却塔与众不同之处是清洁烟气流入塔内的入口通常会引起应力集 6 华北电力人学+ l ：稃硕十学位论文 中，使最低弯曲安全性及冷却塔的最低自然频率下降，进而使塔壳强度急剧下降。 为了减小这些反应对塔壁的扰动，将烟气入口设在一个相对较高的位置，一般在淋 水层除水器的上方，此处壳体较薄，这样对稳定性很重要的壳体下部就不会产生大 的影响【15 1 。 由于丌孔会引起壳体稳定性降低，孔的周围要通过加强来补偿，补偿的措施一 般为增加塔壁厚度、架设封闭肋梁、洞口加固钢筋。其目的是为了使临界自然频率、 塔壳稳定的弯曲安全性及塔在各种荷载作用下的形状与不丌孔时相同。但是即使经 过结构加强，塔壳开口的不对称性和初始的非对称地基条件还会导致塔壳弯盐 【l6 1 7 】，因此要对冷却塔的结构进行模拟计算。另外，为防止周围冷空气进入塔内， 烟道穿过壳体部分需用p v c 材料或帆布包裹密封。 图2 3 t 侈】所示为德国n i e d e r a u s s e m 电厂的排烟冷却塔。冷却塔的总高度为2 0 0 m ， 基础直径尺寸1 5 2 5 4 m ，顶部开口直径8 8 4 1 m 。内外壁表面积超过6 0 0 0 0 m 2 。塔壳是 由两个旋转双曲面在喉部对接形成的，壁厚在0 2 4 m 至u o 2 2 m 之间，从下边缘向上减 少。上边缘顶部在塔壁内侧用截面为u 型的、宽1 5 l m 、高1 2 0 m 的加强结构，下边 缘是将塔壁加厚到1 1 6 m 形成的加强结构。冷却塔塔壳由4 8 根1 4 6 8 m 高的支柱沿子午 向支撑。它们的厚度是顶部1 1 6 m ，基础上方3 1 0 m ，宽度为1 4 0 m 。所有的支柱都 建在一个尺寸为6 6 0 m x l 8 0 m 的加强混凝土环型基础上。脱硫后烟气流入冷却塔的 两个开孔的直径为6 5 m ，其轴线在距地面高4 9 m 处。 图2 3n i e d e r a u s s e m 电厂的冷却塔结构简图 华北电力人学i - l ：li 硕十学位论文 2 4 1 3 烟塔的防腐设计 经过脱硫脱硝后的净烟气通过烟道直接进入冷却塔与水蒸汽混合后排入大气， 烟气中含有的腐蚀介质( c 0 2 、s 0 2 、n o x 、h c i 、h f ) 与水蒸汽接触，凝结的水滴 回落冷却塔并在冷却塔筒壁形成较大液滴。这些液滴含有烟气中的酸性物质，局部 p h 值可能达到1 0 ，会在向下流动时对冷却塔的壳体产生严重的腐蚀。 冬季脱硫后湿烟气与环境空气温差加大，会有更多的液滴形成；大风会将在冷 却塔中心排放的烟气吹向壁面，特别是外壁，造成混合湿气的下洗。因此应根据不 同情况对排烟冷却塔的混凝土或混凝土内外表面采取针对性的防护措施。冷却塔混 凝土的防腐有两种途径：采用防酸混凝土与采用防腐涂层【2 0 1 。 考虑到电站机组应尽量减少启停，对冷却塔巨大的塔壁内表面积进行必要的多 次维护几乎是不可能的。为了解决这个问题，德国目前开发了新型高抗酸性高性能 混凝土并得到成功应用。这种混凝土的改进成分是高浓度的混凝料和少量的水泥， 经过特殊的设计和严格的测试，具有高强度、高结构密度和高抗冻性等优点，为排 烟冷却塔耐久性的扩展提供了一个改进的材料平台【i5 1 。这种方法效果较好，但价格 较高，为保证防酸水泥的足够固化时间，冷却塔的建造周期较长，目前国内尚没有 应用的先例。 采用防腐涂层防腐应该说是一个综合防腐措施。首先提高混凝土本身的抗裂、 抗渗性能，通过掺入添加剂的方式增加混凝土的密实度，改善其内部空隙结构，同 时在混凝土表面涂刷防腐涂层。 根据有关工程资料，冷却塔不同的部位应采用不同的防腐方案。排烟冷却塔壳 体内表面涂三层合适的防腐涂料( 环氧类) ：一层基础层+ 两层附加层，喉部以上的内 表面防腐层厚度 3 0 0 m m ，喉部以下的内表面防腐层厚度 2 0 0 r a m 。冷却塔壳体外表 面涂二层合适的防腐涂料：一层基础层+ 一层附加层，壳体外表面的防腐层厚度 1 5 0 r a m 。冷却塔内部构件涂一层基础层+ 一层附加层，内部构件表面的防腐层厚度 1 5 0 m m 【2 0 】。 排烟冷却塔防腐涂层设计原则为：防腐涂料与混凝土表层、金属结构有良好的 附着力，涂料具有良好的耐水、耐化学介质、耐冲刷、耐老化特性，保光、保色性 能突出，施工方便且又经济等。 2 4 2 净烟道设计原则 2 4 2 1 净烟道的材料选择 通过湿法脱硫后的净烟气烟温一般在5 0 左右，而且湿度比较大，塔内冷凝液 局部p h 值可到1 0 ，烟气中残余的s 0 2 、s 0 3 、h c i 等与水蒸汽结合将对烟道内壁产 华北电力人学：j ：程硕十学位论文 生腐蚀；烟道外部被冷却塔的饱和水蒸汽所包围。且烟道跨度大，支撑高度高，这 就要求烟道的选材具有耐化学腐蚀、比重轻、导热率低、在较高温度下有较好的力 学性能等特点。 经相应力学设计的玻璃钢管道可以满足以上所有的机械、化学和热力性能的要 求，因此，一般选用圆形玻璃钢( f r p ) 作为入塔净烟道的材料。f r p 管道不仅自重只 有等截面钢管的1 3 ，持续耐温能力为5 0 6 8 ，短时耐温极限可达8 0 1 0 0 ，而且 能确保烟道自身的抗腐蚀性。可采用加肋及砂层技术以提高烟道的整体刚度，满足 烟道的跨度要求。 脱硫后净烟道理论上还可采用碳钢内衬防腐材料。进塔段烟道碳钢内、外均需 衬防腐材料。虽然碳钢烟道造价只有f r p 的3 0 - - - 4 0 ，耐温特性比f r p 好，但其重 量较玻璃钢烟道重很多，烟道高度较高，烟道支撑、支架布置复杂、造价较高、维 护复杂从电厂整个寿命期比较，碳钢烟道要比玻璃钢烟道投资高【2 们 2 4 2 2 净烟道的布置及支撑结构 输送净烟气的f r p 烟道采用高位进塔和低位进塔两种方式。高位进塔目前最高 已到5 0 m 以上，低位进塔一般在烟塔环梁上方，根据烟塔高度有所不同，一般为l o m 以上。高位和低位的区别主要是烟气阻力不同，高位烟气阻力小，但安装难度大， 技术要求高，f r p 烟道支架造价高，对烟塔中央竖井的要求、防腐的面积也相应提 高：低位烟气阻力相对较大，但烟道支架造价、中央竖井高度、安装的难度等均有 所降低【2 l 】。 塔内烟道的支撑由混凝土基础加不锈钢托架组成。塔外烟道的支撑，有的借用 f g d 出口烟道支撑和塔内支撑，直接从烟塔塔壁上穿过进入塔内排放；有的在塔外 ( 烟塔附近) 再安装烟道支撑。无论在烟塔附近是否安装支撑，f r p 烟道与烟塔塔壁均 不直接接触，中间留有非金属材料密封的缝隙。在设计时，根据烟道的尺寸与烟塔 的尺寸，确定是否在烟塔附近安装烟道支撑【l5 1 。 9 华北电力人学：i ：拌硕+ 学位论文 第三章烟塔合一技术的环境影响分析 3 1 烟气抬升的机理 3 1 1 烟囱排放烟气的抬升高度及影响因素分析 当烟气从烟囱排入大气后，由于它有一定的动量和浮力，在向下风向传输过程 中，其中心线会上升，同时烟体向四周扩散。烟气在扩散过程中的抬升高度有时会 达到烟囱几何高度的数倍，对减少地面污染浓度有着重要意义【l 】因此，为了降低 地面污染浓度，除了适当增高烟囱高度外，努力增大烟气抬升高度也是重要手段之 一 火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 中推荐的烟气抬升高度计 算方法如下： 当q 2 1 0 0 0 k j s ，且r 3 5 k 时： 城市、丘陵：脯= 1 3 0 3 q i ，；日s ；u 5 平原农村：a h = 1 4 2 7 q j ； 当2 1 0 0 q n 2 1 0 0 k j s ，且r 3 5 k 时： 城市、丘陵：肼= 0 2 9 2 q n ；h 5 j u 5 平原农村：胴= 0 3 3 2 q n ；日s i 当q 2 1 0 0 k j s ，r 3 5 k 时： a h = 2 ( 1 5 v s a + 0 o l o q ) u s 式中： ( 3 一1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 一一烟气抬升计算风速， u s = u i o ( h j 1 0 ) o j 5 ，m s ： u i o 一地面1 0 m 高度处平均风速，m s ： 坎一一烟囱出口实际烟速，m s ； h 。一烟囱的几何高度，肌； d 一烟囱出口内径，m ； 丁一烟囱出口处烟气温度与环境温度之差，k ； 级一烟气热释放率，鲸= c 户v o a t ，k j s ： c ，一烟气平均定压比热，1 3 8 k j m 3 k ； v o 一一排烟率，m 3 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。 1 0 华北电力人学! l ：程硕十学位论文 由此可见，烟气抬升高度a h i f 比于烟气热释放率q h 、烟囱高度h s ，反比于烟 气抬升计算风速u s ；而热释放率正比于排烟率和烟气温度与环境温度之差a t 。因此， 在烟气抬升计算风速一定的条件下，烟气的抬升高度主要取决于三个因素，即排气 筒的高度、烟气与环境的温差和烟气的热释放率的大小，而烟气与环境的温差最终 也反映在烟气的热释放率的大小上”】。 3 1 2 烟塔排放的烟气抬升机理 烟塔合一技术是将燃煤电厂湿法脱硫后排放的净烟气送入冷却塔，借助冷却塔 大量的热湿空气对脱硫后的净烟气形成良好的包裹和抬升，增加烟气的抬升高度， 从而促进烟气中污染物的稀释扩散。 从塔中排放出的净烟气温度约5 0 ，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1 0 以下，故烟气能够通过冷却塔顺利排放。烟气的引 入对塔内空气的抬升和塔内空气流速等起到了正面影响作用， 干烟气产生源的顺风扩散区域大体分为近源场和远源场两个范围。在近源场， 即在l o o m 到1 0 0 0 m 距离内烟囱可以扩散到产生源，羽状烟流类似一股射流，上升受 浮力和动力的影响，受动力和压力作用弯向风的方向。烟羽的内部湍流使得环境空 气被带入射流中并在其中稀释污染物。由于带有高混合强度的湍流成分大大小于强 大的气漩流，所以烟羽的扩散相对不依赖于周围气流的湍流( 2 2 1 ，烟气的抬升受环境 湍流影响较小。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。烟气扩散到近源场的末端，即远源场的始端，烟羽与周囝湍流强烈相互作用， 烟羽的扩散和因此减少的空气污染物浓度主要由大气地表气流的漩流引起。随着烟 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【1 1 。 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汽凝结。水蒸汽凝结会释放凝结潜热，这会 使湿烟气温度升高，浮力增加。在不饱和的大气环境下，湿烟气中只有很小的一部 分水蒸汽会凝结，因水蒸汽凝结面释放的潜热使烟气的浮力增加不会很大。丽当饱 和的湿烟气升入饱和的大气环境中，这种释放潜热会明显改变抬升高度，使抬升高 度成倍增加【7 1 。图3 1 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。 华北电力人学j r 科硕十学位论文 e 趟 枢 冒 器 4 5 7 5 1 0 0 4 5 图3 1 干湿烟气抬升高度对比图 烟气通过冷却塔排放，烟气和冷却塔的热汽团混合一起外排，具有巨大的热释 放率。与烟囱排放出的烟气相比，其烟气本身具有显著的热含量，由此形成在弱风 情况下冷却塔排放的烟气有明显的抬升。同时，由于自然通风冷却塔排出大量饱和 空气，其质量效应使烟气排到大气的速度大于烟囱排出的速度，这也会增加脱硫后 烟气的抬升。 因此，尽管传统烟囱一般比双曲线冷却塔要高，烟囱排放的烟气温度也比冷却 塔排出混合气体的温度高，但由于烟气与冷却塔中的水汽混合后，大量的水汽能将 烟气分散、冲淡，这种大量的混合气流有着巨大的抬升力，能使其渗入到大气的逆 温层中；另一方面，这种混合气流还具有一种惯性，使其对风的敏感度比烟囱排出 的烟气对风的敏感度要低【9 】。因此，就烟气的抬升高度而言，烟塔合一技术对环境 的影响有着更积极的意义。 3 1 3 烟塔排放烟气抬升的影响因素 烟塔排放烟气抬升高度不仅与烟塔本身的物理结构( 塔高度、出口直径等) ，烟 塔出口处烟气流量，烟气与热湿空气混合物的温度及排放速度等有关，还与周围环 境的风速、温度、大气稳定度等密切相关。 烟塔排放烟气的速度和温度场受环境风速的影响非常明显，在风速超过3 m s 时， 烟气的排放对大气原有速度和温度场的冲击受到压制，场的扰动主要发生在离地面 5 0 0 m 内近地区域，但是场梯度明显增大。在下风向的近冷却塔塔壁方向发生局部大 气回流和局部低压区，随着风速的提高，这个空间也受到压制，逐渐收缩，但其强 度却逐渐增强。冷却塔中排放出来的热湿空气和净烟气对局部大气的影响在整个计 算区域的下游都有体现，风速越小，这种影响和扰动越明显，扩展区域也越大。由 于热湿空气和净烟气在冷却塔内部同向流动，难以完全混合。冷却塔出口呈现温度 1 2 华北电力人学j i ：程硕+ 学位论文 和速度中间高周边低的分椎，出于净烟气的注入发生在冷却塔中心，故净烟气浓度 也呈现中间高周边低的分布，在冷却塔出口迎风向的相对低速和低温的包覆湿热空 气被横向气流迅速剥离，原相对高温高速的气体被暴露在排出烟气的上层。在冷却 塔出口上方区域，由于横向风的存在，气体混合相当剧烈，风速越大，混合也就越 快，烟气动量和热量的耗散也就越快，这也直接影响到了烟气的抬升【2 引。因此，烟 塔排放烟气的抬升高度呈现随风速递减的趋势。 烟塔排放烟气的抬升高度与大气稳定度也密切相关。大气状态越不稳定，烟塔 排放烟羽的抬升高度越高：反之，抬升高度会降低。 3 2 烟塔排放的烟羽抬升高度计算 烟羽是由流体组成的，因此，其遵循流体力学的一些基本定律，比如质量守恒、 动量守恒、能量守恒等。目前国内现行的环境影响评价技术导则中，对冷却塔排出 烟羽抬升高度的计算模式没有明确规定，而德国空气清洁标准v d l 3 7 8 4 标准( 德国 工业协会，1 9 9 0 ) 规定了冷却塔排放烟羽抬升高度的计算模式，即采用德国汉堡大 学的m i c h a e ls c h a t z m a n n 和美国阿拉贡实验室的a n t h o n yj p o l i c a s t r o 在1 9 8 3 年提出的 冷却塔烟羽抬升高度的计算模式( 以下简称s p 模式) 。 s p 模式为三维流体动力学积分模式，由质量、动量、能量和浓度守恒方程构成。 选用曲线坐标，其s 轴与烟气轴线一致，长度和角度垂直于s 轴。假定时间平均的流 场不变，气压分为静力和不规则的气压扰动，经过简化和近似，得到下列守恒方程 的整形形式： 彳 质量守恒方程：l “d r d r = e ( 3 6 ) 船； 动量方程：i dr p 小暑饥，胁= 一珐融s m p ( 3 - 7 ) 啪。垃瓮警塑协 - - 塞了( u , + u d ) 胁一d gs ( u g 饥，胁 ( 3 - 9 ) 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 热量平衡方程： 罢扣射”渺= 一睁号+ 专斟n 臼k 啪仔 方程中所用符号如图3 - 2 2 2 】所定义 ，j 台 乙 f 姆一 v 。 图3 2 烟羽微分方程所用符号的定义 其中：s ，缈为曲线坐标( m ，m ，角度) ：工，y ，z 为正交坐标( m ，m ，m ) ；材。、 甜。、u d 分别为环境风速、j 方向风速分量、烟气相对周围风速的余值，m s ；瓦、乃 分别为环境温度和烟气相对周围温度的余值，k ；风、朋分别为周围空气密度和烟 气相对周围密度的余值，k g m 3 ；q 。、q d 分别为环境水汽量和烟气相对周围水汽量 的余值，g k g ；为烟气相对周围大气水汽总量的余值，g k g ；r 为烟羽半径， r = , 2 b ，m ；b 为烟气喷射的名义宽度，m ；e 为周围空气的混合率，e = 一v a ( r ) r ； c d 为气压函数的拖曳系数；l 为蒸发比热。 冷却塔烟气排放相对于烟囱排放而言具有显著的热含量。、乃、岛和磊等 物理量描述了冷却塔排放烟气的特征通过做出湍流、夹卷、轴对称、廓线分布相 似、环境气流水平相似性等假设后，上述方程r 从0 积分到rj0 0 ，得到描述风速、 温度、总体水量截面最大值量和变量舅b 的微分方程式。在关系式如= d s s i n g 和 d r = d s c o n 0 的帮助下，这些变量从s 坐标转为x , z 坐标函数，从而得出烟塔合一 排放的烟羽抬升高度【3 】。 s p 模式的计算思路为，当烟气温度高于环境空气温度时，烟气有浮力，则继 续向上运动；当烟气温度低于环境空气温度时，烟气没有浮力，即停止向上运动， 烟羽抬升到此高度为止。这里的烟气温度指烟气与冷却塔中饱和空气充分混合后的 温度。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 3 3 烟塔合一排放对环境影响预测的工程实例分析 3 3 1 大唐哈尔滨第一热电厂2 3 0 0 m w 新建工程 3 3 1 1 工程概况。 大唐哈尔滨第一热电厂2 坞o o m w 新建工程位于黑龙江省哈尔滨市群力新区， 建设规模为2 3 0 0 m w 级供热机组。惋程新建2 台锅炉产生的烟气采用高效电除 尘器进行除尘、石灰石一石膏湿法脱硫工艺进行脱硫