（工程热物理专业论文）烟塔合一技术塔内流动的研究.pdf

摘要 本文主要介绍了烟塔合一技术。烟塔合一技术可以简化湿法脱硫系统，不再需 要净烟气再热器，取消了传统火电厂的烟囱，可以将锅炉引风机和脱硫增压风机合 而为一，大大降低电厂建设费用，降低发电成本。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，有利于降低污染。 本文首先介绍了烟塔合一技术的概念；接着就烟羽抬升高度和和传统的烟囱排 烟方式进行对比计算，然后分析了烟塔合一技术对冷却塔的热力性能和塔内的流场 的影响；最后，分析了该技术的经济性。总之，烟塔合一技术是脱硫技术发展到一 定程度的必然产物，它以其独有的技术、经济、环保优势，将逐步在燃煤机组脱硫 系统中得到应用和发展。 关键词：烟塔合一，湿法脱硫，烟气排放，塔内流场 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h et e c h n o l o g yo fd i s c h a r g i n gf l u eg a sa f t e rw e td e s u l f u r a t i o n t h r o u g hn a t u r a ld r a f tc o o l i n gt o w e r t h i st e c h n o l o g yc a ni m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y ， s i m p l yf l u eg a ss y s t e m ，a n dn e e dn o t c o n s t r u c tc h i m n e ya n dg g hh e a te x c h a n g e r p o w e rp l a n tb o i l e ra i r - i n t r o d u c e df a na n df g dp r e s s u r i z e da i rf a nc a nb eu n i t e d e x p e n s e so fp o w e rp l a n tc o n s t r u c t i o na r ed e c r e a s e d a l lo ft h e s ec a nh e l pr e d u c et h e c o s to fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i n g i ti si m p o r t a n tt h a tt h et e c h n o l o g yc a ni n c r e a s et h eu p l i t t h e i g h to fg a sa f t e rd e s u l f u r i z a t i o n ，a n dt h u sr e d u c ea t m o s p h e r ep o l l u t i o n t h ed e f i n i t i o no ft h i st e c h n o l o g yi sf i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e nc a l c u l a t e a n dc o n t r a s to nt h ep l u m eh e i g h ta n de l e v a t i o no ff l u eg a sw i t ht h et r a d i t i o n a lw a yo f c o m p a r i s o n ，a n dt h e na n a l y z e dt h en d c tw i t hf l u eg a si n j e c t i o nt e c h n o l o g yt ot h e c o o l i n gt o w e ra n dt h et o w e rt h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ef l o wf i e l d ，i ti sb e l i e v e d t h a tt h i st e c h n o l o g yh a so b v i o u se n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cs u p e r i o r i t y f uj i e ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o c h e n gj i nm i n g k e yw o r d s ：n d c tw i t hf l u eg a si n j e c t i o n ，f g d ，f l u eg a si n j e c t i o n ，f l o wf i e l di nt o w e r 摘要 本文主要介绍了烟塔合一技术。烟塔合一技术可以简化湿法脱硫系统，不再需 要净烟气再热器，取消了传统火电厂的烟囱，可以将锅炉引风机和脱硫增压风机合 而为一，大大降低电厂建设费用，降低发电成本。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，有利于降低污染。 本文首先介绍了烟塔合一技术的概念；接着就烟羽抬升高度和和传统的烟囱排 烟方式进行对比计算，然后分析了烟塔合一技术对冷却塔的热力性能和塔内的流场 的影响；最后，分析了该技术的经济性。总之，烟塔合一技术是脱硫技术发展到一 定程度的必然产物，它以其独有的技术、经济、环保优势，将逐步在燃煤机组脱硫 系统中得到应用和发展。 关键词：烟塔合一，湿法脱硫，烟气排放，塔内流场 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h et e c h n o l o g yo fd i s c h a r g i n gf l u eg a sa f t e rw e td e s u l f u r a t i o n t h r o u g hn a t u r a ld r a f tc o o l i n gt o w e r t h i st e c h n o l o g yc a ni m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y ， s i m p l yf l u eg a ss y s t e m ，a n dn e e dn o t c o n s t r u c tc h i m n e ya n dg g hh e a te x c h a n g e r p o w e rp l a n tb o i l e ra i r - i n t r o d u c e df a na n df g dp r e s s u r i z e da i rf a nc a nb eu n i t e d e x p e n s e so fp o w e rp l a n tc o n s t r u c t i o na r ed e c r e a s e d a l lo ft h e s ec a nh e l pr e d u c et h e c o s to fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i n g i ti si m p o r t a n tt h a tt h et e c h n o l o g yc a ni n c r e a s et h eu p l i t t h e i g h to fg a sa f t e rd e s u l f u r i z a t i o n ，a n dt h u sr e d u c ea t m o s p h e r ep o l l u t i o n t h ed e f i n i t i o no ft h i st e c h n o l o g yi sf i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e nc a l c u l a t e a n dc o n t r a s to nt h ep l u m eh e i g h ta n de l e v a t i o no ff l u eg a sw i t ht h et r a d i t i o n a lw a yo f c o m p a r i s o n ，a n dt h e na n a l y z e dt h en d c tw i t hf l u eg a si n j e c t i o nt e c h n o l o g yt ot h e c o o l i n gt o w e ra n dt h et o w e rt h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ef l o wf i e l d ，i ti sb e l i e v e d t h a tt h i st e c h n o l o g yh a so b v i o u se n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cs u p e r i o r i t y f uj i e ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o c h e n gj i nm i n g k e yw o r d s ：n d c tw i t hf l u eg a si n j e c t i o n ，f g d ，f l u eg a si n j e c t i o n ，f l o wf i e l di nt o w e r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文烟塔合一技术塔内流动的研究，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已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：盛墨 日 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) 日期：型修i ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 二十多年来，我国经济发展极为迅速。电力作为国民经济的先行，在我国现代 化建设中起着举足轻重的作用。改革开放以来，电力工业获得了长足的发展。从1 9 9 5 年起，我国的电力工业装机容量就已经超过了日本和德国，仅次于美国，居世界第 二。中国的火电在电源结构中约占总装机容量的7 5 ，且9 0 以上为燃煤电厂。 火电厂排烟中的s 0 2 和氮氧化物的浓度虽低，但总量极大，火电厂的烟尘、s 0 2 排 放量均居全国各行业的首位。煤烟型大气污染已对全国的生态环境产生重要影响。 火电厂烟气的排放也日益得到人们的关注。 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。随着湿法脱硫技术的发展和日臻 成熟，产生了脱硫后烟气从烟囱排放的一些困难。 众所周知，烟气经石灰石( 湿法1 ) 脱硫后，烟温一般在5 0 左右，5 0 的烟气与 室外空气密度差甚小，再考虑到烟囱壁散热导致的烟气温降( 烟囱非双曲线形) ，其 流动特性不及冷却塔，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5 0 的烟气进行加热，这样，势必导致系统复杂， 初投资及运行费用增加。 因此，烟塔合一技术应运而生，并获得了应用。近年来，在德国新建的闭式循 环的发电厂，无论大小，几乎都看不见代表发电厂的烟囱，取而代之的都是用冷却 塔将脱硫后的烟气排放到大气中去。 我国的环保要求越来越严格，湿法烟气脱硫技术已经广泛应用，新建机组大部 分都采用了湿法烟气脱硫工艺。湿法烟气脱硫工艺的广泛应用，其高脱硫效率使电 厂排放的烟气中s 0 2 含量大大减少，使得烟塔合一技术在中国的应用成为可能。对 此，有必要分析研究该技术，并结合我国国情寻求对策，以便正确引进该技术。 1 2 国内外现状 1 2 1 国外现状 烟塔合一技术首先是从德国发展起来的，目前最大的单机容量已达到9 7 8m w 。 1 9 7 7 年德国研究技术部和s a a r b e r g w e r g w e r k e a g 公司联合设计了v 6 1 k l i n g e n 电厂， 该厂的烟塔合一机组于1 9 8 2 年8 月开始运行，1 9 8 5 年完成一系列测评。自此烟塔 合一技术在德国新建厂广泛采用，并对一批老机组也进行了改造。目前德国采用烟 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 。并且，德国结合工 l 华北电力大学硕士学位论文 程实际制订了烟塔合一的相关技术标准和评价准则。 1 2 2 国内现状 目前，烟塔合一技术在国内的许多电厂开始被广泛采用。辽宁大唐国际锦州热 电厂、河北三河电厂、天津国电东北郊热电项目等新建机组均采用烟塔合一技术进 行脱硫后实现低温烟气的排放。华能北京热电厂引进国外技术，对一期四台8 3 0 t h 超高压塔式直流锅炉进行脱硫技术改造，每一台炉配一座吸收塔，同时新建一座 1 2 0 m 高的自然通风冷却塔进行烟气排放。截止到2 0 0 6 年1 2 月2 0 日4 台机组脱硫 系统和烟塔合一工程全部投入运行，华能北京热电厂成为我国首个可取消烟囱的火 电厂，该项工程是亚洲首个烟塔合一工程。其中，三河电厂是第一个采用国产化烟 塔合一技术的机组。 1 3 本论文的主要工作 本文通过三个方面对烟塔合一技术进行研究分析。第一个是技术方面，即研究 烟塔合一技术对冷却塔的技术要求和影响；第二个是环境方面，即烟塔合一技术对 环境的影响，主要相对于常规烟囱排烟方式的烟气抬升高度对比；第三个是经济方 面，即烟塔合一技术在初投资，运行费用方面的经济性分析。其中本文的重点在技 术研究方面，主要研究烟气进入冷却塔后对冷却塔的流场产生的影响，以及热力性 能的影响；并且以国内某排烟冷却塔为例，对冷却塔的热力负荷与设计循环冷却水 流量的要求进行了模拟与计算。这对于烟塔合一技术在国内的研究与发展具有现实 意义。 通过三个方面的比较研究，说明烟塔合一技术具有独特的优势，因此借鉴，研 究，应用国外先进技术是必要的，可行的。而本文的研究可以对烟塔合一技术应用 于国内脱硫电厂具有借鉴帮助的作用。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章烟塔合一技术概况 2 1 烟塔合一技术介绍 2 1 1 烟塔合一技术概念 近年来，在满足环保要求的条件下，为降低燃煤电厂脱硫系统建设成本和运行 费用，欧洲一些国家开发了脱硫净烟气冷却塔排放技术并逐步推广实施。该技术以 其特有的技术、经济优势引起国内同行的重视，并逐步引进该技术。冷却塔排烟技 术一般是将脱硫净烟气引入到冷却塔内配水装置的上方集中排放，取消烟囱。( 如 图2 1 图2 2 所示) 烟塔合一技术是利用冷却塔巨大的热湿空气对脱硫后的净烟气形成一个环状 气幕，对脱硫后净烟气形成包裹和抬升，增加烟羽的抬升高度，从而促进烟气中污 染物的扩散。采用该技术不但省略了湿法烟气脱硫系统的烟气再热器，而且可以取 消烟囱，不仅可以提高火电厂的能源利用效率，而且大大简化了火电厂的烟气系统， 减少了设备投资，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。 然通风冷却塔 图2 1 烟塔合一技术系统图 文献指出：脱硫净烟气在冷却塔中心淋水层上方高速( 1 6 , - - 2 0 m s ) 排放，冷却塔 巨大的热湿空气对脱硫净烟气形成一个环状气幕，对脱硫净烟气形成包裹和抬升。 3 华北电力大学硕士学位论文 篓翳 图2 - 2 烟塔基本结构图 2 1 2 烟塔合一技术烟羽抬升 从环保角度来看，用冷却塔排烟和用烟囱排烟的区别在于： ( 1 ) 烟气或烟气混合物的温度不同。 ( 2 )混合物的排出速度不同。 ( 3 )混合处的初始浓度不同。 从塔中排放出的净化烟气温度约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。 烟气的热抬升高度主要取决于三个因素，即排气简的高度、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。由于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。对于一个大型电厂来说，汽轮机的排汽通过冷却水带走的热量按热效 率分摊占全厂的5 0 左右，而通过锅炉尾部烟气带走的热量只占全厂的5 左右， 差别非常之大，这就是通过冷却塔排放烟气与通过高度较高的烟囱排放烟气其烟气 的最终抬升高度与扩散效果相当的主要原因。德国当地的有关环保部门对有关电厂 的测试结果也证明了这一点。 4 华北电力大学硕士学位论文 s 0 2 捧放浓度 1 5 2 0 延m 3 烟气速度 4 - - s m s 烟气温度3 6 c 空气 妪囱 姬塔舍一 图2 - 3 烟塔合一排烟和烟囱排烟对比 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。 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。 5 华北电力大学硕士学位论文 毒 恻 挺 r 景 图2 - 4 干湿烟气抬升高度对比 从上图可以看出，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。目前国内大型火电厂机组烟囱高度一般都在1 8 0 - - 2 4 0 m ，冷却塔高度在1 1 0 - 1 5 0 m ，高度相差较大。在相同条件下，湿烟气的抬升高于干烟气。 下图为r w e 电力集团环保公司提供的v o i k l i n g e n 电厂烟塔合一和烟囱排放烟 羽的“照相对比图。其中烟囱标高为1 7 0 m ，在距离排放点附近抬升很快，之后 烟气中心高度基本停留在4 5 0 m ，烟羽轮廓上下宽度较大；虽然烟塔合一冷却塔标 高仅为1 0 0 m ，由于其总含热量较大，冷却塔烟羽在排放原点中等距离处的抬升高 度迅速超过烟囱烟气抬升高度，达到6 0 0 m 仍然缓慢上升，最后在7 0 0 m 时升势趋 缓，其烟羽的轮廓较烟气要窄，扩散的距离更远。 图2 5 用冷却塔排放烟气和烟囱的对比 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 烟塔合一技术的型式 根据脱硫装置布置位置的不同。烟塔合一工艺系统通常可分为外置式和内置式 两种。根据湿法脱硫工艺流程的不同，烟塔合一工艺又可分为旁路式和直通式两种。 2 1 3 1 外置式和内置式 ( 1 ) 外置式 脱硫装置安装在冷却塔外，净烟气引到冷却塔配水装置上方。通过安装在塔内 的除雾器除雾后均匀排放，与冷却水不接触。如图2 6 所示。 锅炉排烟 图2 - 6 烟塔合一低位进塔方案( 带旁路烟囱) 图2 7 烟塔合一高位进塔方案( 不设支撑) 7 电 华北电力大学硕士学位论文 将f g d 装置放在塔外，烟道进塔的方式有两种，一种是低位进塔方式，即烟 气脱硫后烟道向下，降低标高后，从淋水填料上标高2 5 m 左右进塔，典型的代表电 厂是黑泵，一部分老厂改造也采用这种方式。另一种是高位进塔，即烟气脱硫后标 高不降低，从标高4 0 m 左右高处直接进入冷却水塔，德国近期新建的大电厂均采用 高位进塔方式。高位进塔烟道的支撑又分两种，一种是不设支撑，烟道直接架在塔 壁洞口上，如尼德奥森和利彭多夫电厂，另一种是烟道较长，在f g d 装置与塔壁 之间加支架支撑。 烟气由烟道进入冷却塔后的排放方式有诱种： 第一种方式是通过烟道上的喇叭口直接排放至冷却塔内并与冷却塔中的水气 混合后通过冷却塔排入大气中。这种方法简单易行，是目前采用较多的一种方法， 这种方法需要在烟气进入冷却塔前过滤掉其中的固体物质( 主要是脱硫后的石膏) 。 第二种方法是通过排气室排入冷却塔并与塔内水气混合后再经由冷却塔出口 排入大气中。排气室内安装有三角可调叶片，可用来改变烟气排入冷却塔的方向。 这种方法可以使烟气在不同工况时充分地与冷却塔内的水气混合。 ( 2 ) 内置式 脱硫装置安装在冷却塔内，烟塔与冷却塔合一，脱硫之后的烟气直接从冷却塔 排放。德国s h u 公司在湿法脱硫系统的用户中，采用了这种二塔合一的形式( 图2 8 ) l 一冷却塔烟囱2 一清洁烟气排放口3 一湿法脱硫系统4 一旋转洗涤器 5 一综合氧化器6 一对流冷却系统7 一烟气进口 图2 8 冷却塔内布置脱硫系统 2 1 3 2 旁路式和直通式 旁路式系统既可以实现脱硫装置与主机( 锅炉) 同步运行，又可以实现脱硫装置 8 华北电力大学硕士学位论文 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。 直通式的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。 2 2 采用烟塔合一技术对冷却塔的影响 2 2 1 对冷却塔热力性能的影响 烟气通过冷却塔排放，是将烟气送入冷却塔内配水装置的上方集中排放，这将 给冷却塔带来了两个方面的影响： ( 1 ) 配水装置上方的气体流量增加使流速有所增加，带来额外的流动阻力，而塔 内布置的烟道对冷却塔的通风也形成了局部阻力； ( 2 ) 排入冷却塔的烟气与配水装置上方的湿空气发生混合换热，改变了塔内气体 的密度。 这两个因素都影响冷却塔的通风量，进而影响到冷却塔的热力性能。因冷却塔 内气体的流速很低，一般为1 o m s 左右，而增加的烟气量一般不超过2 0 ，故额外 的流动阻力增加有限；同样，因为塔内气体流速低，加上塔内烟道的覆盖面积不大 ( 一般在1 5 以下) ，烟道和支撑部件的局部阻力也不大。这两项阻力之和与冷却塔 原有阻力相比，还是比较小的，所以冷却塔总阻力的增加非常有限，对通风量的负 面影响也不大。当烟气密度比淋水层上方气体的密度低时，烟气的引入会降低冷却 塔淋水层上方气体的密度，从而增大了塔内外气体的密度差，使冷却塔的通风量增 加，冷却效率提高；反之，则会使冷却效率降低。湿法脱硫后的烟气密度相对固定， 而淋水层上方气体密度则受环境温度、循环水进水温度、循环水量等的影响，其中， 环境温度的影响最大。在我国北方地区，烟气的密度大都低于冷却塔淋水层上方气 体的密度，因而，烟气的排入会对冷却塔的热力性能起正面影响，只有在极少数的 时间里( 如夏季达到极端环境温度时) 才可能起负面影响。 研究脱硫烟气对冷却塔热力性能的影响，应建立冷却塔热力性能物理模型，用 试验的方法获得冷却塔阻力特性，并根据工程场地的气象条件、设计参数计算得出 各种工况下冷却塔的热力参数。具体算法在本文第四章第二节有以1 2 0 米冷却塔为 例进行的计算。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 对循环水系统的影响 2 2 2 1 循环水量与水温 为保证冷却塔的抬升效果，冷却塔出口混合气体垂直上升速度必须达到某个最 低值，这样，就要求进入冷却塔的循环水达到一定水量和温度。德国电厂机组多为 纯凝汽式，很少大量供热，而且机组与冷却塔为单元制布置，因此循环水量相对比 较稳定。国内电厂的机组多为供热机组，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，可通过控制原冷却塔的进塔水量， 保证烟塔的水量。要综合考虑到电厂现有的运行方式、现有冷却塔标高，反复论证 来确定比较合适的循环水量，要在既能满足现有母管制循环水系统的水量分配要求 的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。德国电厂对循环水的温度控制，采取冷却塔的分区运行方式， 控制循环水出塔水温为1 3 1 5 m ，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 2 2 2 循环水质 烟气的排入会使冷却塔填料上方混合气体的密度比原来的低，从而增大了塔内 外气体的密度差，导致冷却塔的通风量增加，冷却效率提高；烟气密度与填料上方 空气密度的差距越大，冷却效率提高的幅度越大，因此会增加循环水的蒸发损失量。 如果循环水的排污水量仍然保持不变，循环水中的杂质和盐类的浓缩倍率将增加。 要维持循环水的浓缩倍率不变，就必须增加排污水量，这两者都将导致循环水的补 水量增加。 烟气进入冷却塔，在上升排放过程中接触到温度较低的湿空气，其中一部分水 蒸气会冷凝成雾滴，它们会在冷却塔壁面形成大液滴落入冷却塔水池，进入循环水 系统，这样烟气中的可溶性气体( c 0 2 、s 0 2 、s 0 3 、h c i 、h f 、n 0 2 等) 和固体颗粒 随之进入循环水系统，造成循环水杂质和盐类浓度的增加。除烟塔带出部分污染物 外，由于烟塔内的液态水含量可达到3 5 0 m g m 3 ，液滴直径可大于l m m ，这些液态 水在不断沉降的过程中会吸收污染物，p h 值可降低到2 ，甚至到1 。由于冷凝水中 含有大量的污染物，因此最终必有一定量的污染物进入到循环冷却水系统中。如不 采取措施，将导致循环水质的持续恶化，加快凝汽器水侧结垢、腐蚀速度，威胁机 组的安全运行。为了防止冷凝的酸液腐蚀烟塔塔壁，在烟塔内外壁需采取防腐措施， 水池也不例外【刀。 德国的运行经验表明，烟气通过冷却塔排放对循环水水质的影响不大，不需另 外增设循环水处理系统。但考虑到中国的国情，烟塔短期停运时，烟气可能会直接 华北电力大学硕士学位论文 进入冷却塔，使循环水严重污染，故在设计上应考虑此问题，以保证机组安全发电。 解决办法： ( 1 ) 补充水处理 为了提高循环冷却水的碱度，维持循环冷却水的p h 值在8 0 - 一8 3 左右，必须 适当提高循环冷却水补充水的p h 值，或者在循环冷却水中加入碱性物质。补充水 p h 值提高的幅度和循环冷却水碱性物质的加入量可根据具体情况进行调节。 ( 2 ) 循环冷却水处理 加入硬度稳定剂，即阻垢剂，通常有无机磷酸盐，有机磷酸盐，带极性基团 的中性分子有机聚合物、聚羧酸等，加入这些药品的目的是防止循环冷却水系统结 碳酸盐垢。 加入分散剂( 阴离子或阳离子型) ，以分散悬浮物，防止系统产生污垢。 如果有沉积，在机组检修时停运冲洗，为此专门在烟塔底部设计有冲洗脏物 的排放沟槽，冲洗废水用污泥泵抽走。 如果凝汽器长期运行后结垢，必要时要进行酸洗。 ，如果循环水补水采用城市中水，循环冷却水的腐蚀性较强，采用烟塔合一技术， 冷却水腐蚀性可能会加重。同时，因腐蚀产物增加、烟尘累积等因素，在填料、水池 甚至凝汽器的低流速部位产生严重的污染物沉积及微生物粘泥，致使污垢和粘泥下 腐蚀加剧。对粘泥和污垢，可在停运时进行冲洗，但由于电厂的烟塔是全厂机组共 用的，无法长期停运检修，因此采用这一方法不能有效控制循环冷却水的水质。 由于国内外电厂循环冷却水系统存在差异，要结合计划实施烟塔合一技术电厂 的具体情况，以及污染物在循环冷却水系统中的累积情况，必要时可采取以下其它 措施对循环冷却水进行净化处理。 ( 1 ) 每年停运一次排放f g d 净烟气的冷却塔，彻底放空水池的存水，检查系 统和填料的脏污情况，必要时进行冲洗，确保污染物在循环冷却水中的累积量不超 过水质控制的最高限值。 ( 2 ) 对循环水补水进行深化处理，如德国电厂将各种排水经处理后，再经过 反渗透( r o ) 处理补充到循环冷却水系统，但对此需要进行技术经济比较。 ( 3 ) 采用简单的旁路处理，结合上述措施共同进行，即设计一个容量不太大 的旁路处理系统，根据冷却塔群的运行情况，在负荷较低时，不断更换冷却水。此 方案也要进行技术经济比较，以确定旁路处理系统的容量和冷却塔群换水的频次和 容量。在缺水地区和补充水源较特殊( 如补充水为城市污水) 的电厂，不适宜采取大 量换水的方式，建议采取旁路处理的方式。旁路处理的容量和型式可根据有关试验 研究确定。对于循环水补充水为城市中水的电厂，为了控制循环冷却水中的菌藻量， 减缓微生物腐蚀，控制p h 值，需要定期进行杀菌灭藻。由于悬浮物含量高，而且 有很多粘泥，加上凝汽器冷却水流速偏低，实旅烟塔合一工程后又无法停运检修冲 1 1 华北电力大学硕士学位论文 洗。因此，采用旁路处理系统，既可大量减少城市污水深度处理的费用，又可有效 清除杀菌灭藻时剥离的悬浮物，同时还能去除f带入的大量烟尘、石膏等杂质。,gd 2 2 3 对冷却塔强度的影响 烟气通过冷却塔排放，需在冷却塔体上开设孑l 洞。如不采取特殊措施，所开孔 洞必会削弱塔体强度。将净烟气引入冷却塔的入口处常会引起冷却塔壳体的应力集 中，使其最低弯曲安全性及冷却塔的最低自振频率下降，塔壳强度下降。为了减小 开口对塔壁结构强度的扰动，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影响较小。开孔会 引起壳体稳定性降低，孔的周围要进行结构补强，补偿的措施一般为增加塔壁厚度、 增设封闭肋梁、加强肋梁强度、洞口周边结构加固。其目的是为了减小开口处塔的 临界自然频率、塔壳稳定的弯曲安全性、塔在各种荷载作用下的变形特性的影响。 但是，即使经过结构补强，塔壳开口的不对称性和初始的非对称地基条件还是会导 致塔壳弯曲【2 1 ，为此，须用专业结构软件对冷却塔的结构进行力学强度计算，分析 和对比冷却塔开孔前后、不同的开孔方位、开孑l 位置和开孔形状条件下，冷却塔及 孔洞周围应力和应变的大小，评价其对冷却塔体安全性的影响和需采取的加强措 施。对于自然通风冷却塔的改造，孔洞周围的加强工艺和施工工序至关重要，同时 还需考虑烟道在塔内部分的支撑和地基的附加承载力。同时，为防止周围冷空气进 入塔内，烟道穿过壳体部分要用p v c 材料或帆布包裹密封1 2 3 1 。 2 2 4 冷却塔的防腐 造成排烟冷却塔钢筋混凝土结构腐蚀的主要因素如下：硫酸根离子腐蚀、氯离 子腐蚀、紫外线作用、冻融循环作用、碳化作用i l l 。 脱硫后的烟气仍含有低浓度的s o x 和n o x ，它们与湿空气混合后，遇冷凝结 的水滴回落冷却塔并在冷却塔筒壁形成大的液滴，溶有腐蚀介质的液滴的长期积累 会对冷却塔的壳体产生严重的腐蚀【l3 1 。因此，排烟冷却塔内部以及从塔顶至喉部的 塔外壁面必须采取适当的防腐措施。 冷却塔的防腐主要有两种方法：一是采用防酸水泥。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。二是采用防腐 涂层。通常采用玻璃鳞片树脂防腐涂层。冷却塔内部需施工一层基层和二层防腐层， 总厚度不小于1 5 0ui n ；冷却塔外部需施工一层基层和一层表层防腐层，总厚度不 小于8 0 1 tm 。目前，德国开发了种具有高结构密度、高强度和高抗冻性的新型混凝 土。这种混凝土被命名为s r b a r h p c 8 5 3 5 ，它是由高浓度的混凝料和少量的水 泥组成，已经在德国多个电厂得到成功应用0 3 1 。 理论上讲冷却塔的寿命取决于防腐层厚度，因此需限制高温烟气排入。冷却塔 1 2 华北电力大学硕士学位论文 作为烟气外排的通道，关系到机组的安全运行，一旦冷却塔的防腐层需要修补，如果 没有其它的排烟通道，就只能停机，用相当长的时间进行防腐层的修补。在目前情 况下，长时间修补对几台炉共用一座冷却塔的电厂是难以接受的。因此，冷却塔防 腐层的施工工艺和施工质量至关重要。 2 3 烟塔合一技术应用前提 采用“烟塔合一一技术的前提之一是对排放的净烟气品质有一定的要求。以往 我国电厂锅炉的排烟，含尘量和含s 0 2 量高，如由冷却塔排出，将使塔内盛水装 置产生污垢，冷却水质变坏，塔筒的腐蚀加剧。 我国新的火电厂排放标准中，规定烟气含尘量不大于5 0 m g m 3 ，s 0 2 含量不大 于4 0 0m g m 3 ，n o x 含量不大于4 5 0 m g m 3 ( 对烟煤) 。在实际工程中，由于装设了脱 硫效率为9 0 - - 一9 5 的脱硫装置，烟气中s 0 2 含量可以降到2 0 0 - - - 3 0 0m g m 3 ，采用 低n o x 燃烧系统，n o x 含量不大于3 5 0 m g m 3 f 1 7 1 。这样，便与德国“烟塔合一 电 厂的烟气品质基本在同一水平上，为采用“烟塔合一 技术创造了必要的前提。例 如，德国在1 9 9 7 建成的s c h w a r e ep u m p e 电厂的2 8 0 0 m w 机组，其烟气含尘量不 高于5 0m g m 3 ，采用湿法脱硫，低n o x 燃烧系统，n o x 排放量不大于2 0 0 m g m 3 ， 该电厂就采用了“烟塔合一 技术。 除了必须采用低n o x 燃烧系统、烟气含尘量不高于5 0 m g m 3 、排放的烟气对环 境的影响已较小、必须先对烟气进行高效除尘和脱硫( 或脱硫脱硝) 处理外，采用烟 塔合一技术还必须满足下述条件：一是采用冷却水再循环的自然通风冷却塔，冷却 塔的位置与脱硫塔相距不远。二是脱硫系统能可靠、稳定运行，至少具有和机组同 样的可用率。三是电厂建设在有利于烟气扩散的场地，且用于排烟的冷却塔要保证 一定的最低的循环水流量。 2 4 烟塔合一技术优势 火电机组排放的烟气通常是通过烟囱排入大气的，是依靠烟囱的几何高度和烟 气排出烟囱时具有的动量以及烟气与大气的温差所造成的升力在排入大气后产生 的抬升高度来实现烟气中污染物的稀释扩散，进而保证污染物落地浓度不超过有关 环境空气质量标准的控制指标。然而，烟气经湿法脱硫后的温度通常为4 5 - - - ，6 5 ， 并且是烟气饱和温度。考虑到烟囱壁散热导致烟温再降低，产生结露问题，烟气与 大气密度差小，造成烟气的抬升高度低【1 5 1 。因此，脱硫后的湿烟气若由烟囱排放， 则必须对其进行再加热，这样必然增加设备投资和降低火电机组的能源利用效率。 采用烟塔合一技术，不仅省去了烟囱，而且省去了用烟囱排放脱硫后的湿烟气 所必须的烟气再热系统，因此具有很好的经济性。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章烟囱和冷却塔排烟效果的比较 3 1 理论上的可行性 3 1 1 抬升机理 烟囱里排出的烟气常常会持续上升，经过一段距离后会逐渐变平。因此，烟气 中心的最终高度比烟囱更高，这种现象称为烟气抬升。原因有二：一是烟气在烟囱 内向上运动，具有的动能使它离开烟囱后继续上升，这叫做动力抬升；二是当烟气 温度比周围空气的温度高时，其密度较小，在浮力作用下而上升，这称为浮力抬升 或热力抬升。由于烟气的抬升作用，相当于烟囱的几何高度增加了【8 】。因此，烟囱 的有效高度等于烟囱的几何高度与烟气的抬升高度之和。烟囱的有效高度是大气污 染物扩散计算中的重要参数。污染物着地的最大浓度与有效源高的平方成反比。因 此，正确估算有效源高对大气环境质量控制和烟囱几何高度的设计都具有重要意 义。 烟塔合一技术则是将火电机组湿法烟气脱硫后排放的湿烟气送入冷却塔，利用 冷却塔中热湿空气巨大的热动量对湿烟气进行抬升，以增加烟气的抬升高度，从而 促进烟气中含有的污染物的稀释扩散。从环保角度来看，冷却塔排烟和烟囱排烟的 根本区别在于：烟气或烟气混合物的温度不同、混合物的排出速度不同、混合处的 初始浓度不同。从塔中排放出的净化烟气温度约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l o 以下。故烟气能够通过自然冷却塔 顺利排放。烟气的引入对利于塔内空气的抬升，增大了塔内空气流速。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、动量通量和环境风速等。这段时间 大约为几十秒至上百秒【1 1 】，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。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 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1 2 4 。 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。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 1 4 华北电力大学硕士学位论文 度。目前国内大型火电厂机组烟囱高度一般都在1 8 0 - - 一2 4 0m ，冷却塔高度在1 1 0 - 1 5 0 m ，高度相差较大。在相同条件下，湿烟气的抬升高于干烟气。冷却塔的烟气量 是烟囱排烟烟气量的l o 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5 0 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。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【l n 。德国科学家在实验电站测得的烟 气抬升结果也证实了冷却塔排烟抬升高度高于烟囱排烟。 3 1 2 影响因素分析 在烟气出口速度一定的条件下，烟气的抬升高度主要取决于以下几个因素，即 排气筒的高度、烟气与环境的温差、烟气的热释放率的大小、出口高度处风速、大 气稳定度和大气湍流等。其中前三个因素是最主要的。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。由于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。对冷却塔排放和烟囱排放而言，代表排放口动力和热力关系的运 动学相似数f r o u d e 数有一个量级上的区别。冷却塔排放的烟气由于热力引起的动 力抬升作用大约是烟囱排放的1 0 倍【3 1 ，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，根据国外资料研究表明，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。 所以，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气混合后，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1 4 1 。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 2 计算思路及初始条件 冷却塔烟气的抬升用v d l 3 7 8 4 的环境气象学冷却塔烟气排放扩散模型进行计 算，传统烟囱的烟气抬升用v d l 3 7 8 2 标准进行计算。 冷却塔以国内某6 0 0 m w 采用烟塔合一技术的机组为例， 冷却塔高度1 2 0 米， 冷却塔出口直径4 9 4 米， 1 5 华北电力大学硕+ 学位论文 8 0 冷却塔出口处混合烟气的速度3 6 m s ， 冷却塔出口处混合烟气的温度3 6 ， 冷却塔出口处混合烟气的相对湿度1 0 0 ， 冷却塔出口处混合烟气的液态水含量o 0 0 3 k g k g ， 冷却塔出口处混合烟气的体积流量4 0 1 0 6 m 3 h ， 烟道烟气的体积流量3 2 1 0 6 m 3 l a ， 风速计算值9 o m s 。 以国内某6 0 0 m w 机组烟囱为例，烟囱高2 1 0 米，烟气流量5 0 0 m 3 s ，出口烟温 3 3 抬升计算 3 3 1 冷却塔抬升计算 抬升计算的结果输出 冷却塔排烟方式的计算结果 风速1 5 m s 时各气象条件下烟气抬升高度对比： 图3 11 5 m s 时烟羽抬升高度 注：图3 1 中的曲线1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 分别为v ，2 ，l ，i i ，i 。 大气极不稳定时各风速条件下烟气抬升高度对比：