火电厂烟气经除尘.doc

1 引言 火电厂烟气经除尘、脱硫后一般对烟气经过气气换热系统（GGH）加热后（由约45加热到80以上）经烟囱排放到大气中，但也有借助冷却塔的热空气抬升作用经冷却塔排放，即烟塔合一技术。这种利用冷却塔热空气抬升作用排放烟气的烟塔合一技术是上世纪70年代首先在德国开始研究并逐步加以利用的，目前已应用于1000MW超大容量机组，且技术研究与应用领域始终处于领先地位1。近年来烟塔合一技术在国内电力工程设计中已引起广泛关注，且已有应用，华能北京热电厂二期即采用该技术建成并试运行，国内还有几个电厂拟采用这种方案，但都是烟气在塔外经过脱硫后通过水冷塔排放234。本文所研究的烟塔合一技术是将脱硫装置和烟囱布置在自然通风间接空冷塔内，实现烟塔脱硫三合一。与湿冷塔相比，自然通风间接空冷塔比水冷塔烟塔合一提供了更优越的条件（降低成本和维护费用，还降低了地面污染物的浓度）。干冷塔内热的极其干燥的空气流量代表了一个巨大的抬升动量，其流速大约是烟气流速的3050倍。空冷的空气流速大约是同类机组水冷塔的3倍。这种自然通风冷却塔的烟塔合一的结果使得烟气抬升的更高，更有利于大气扩散。空冷塔烟塔合一技术是上世纪90年代在国外开始应用，目前仅在巴西、土耳其、德国、匈牙利等国有8个工程运行实例（其中两个采用脱硫塔布置于塔内），国内尚无设计运行先例。本文以某发电公司拟建2300MW空冷供热机组为例，研究了将脱硫系统布置在空冷塔内烟塔合一方案的烟气抬升和扩散的大气环境影响5。2 烟气抬升与扩散模式及参数我国现行的环境标准和评价技术导则规定的烟气抬升高度和环境空气污染物扩散模式，是基于采用烟囱排放烟气这一先决条件6。由于采用烟塔合一技术在国内刚刚开始，还没有适应我国环境条件的经验公式，烟气抬升高度和环境空气污染物扩散模式有待进一步研究。本文采用德国空气清洁标准法制定的VDI 3784（德国工业协会，1990）标准计算该工程冷却塔烟团抬升高度，并依照德国2002年空气清洁标准研制的污染物扩散模式计算冷却塔排放对地面造成的浓度。作为对比，用烟囱排放烟缕抬升的VDI3782标准计算210米烟囱抬升高度和对地面造成的浓度。2.1 冷却塔排出烟团抬升高度的S/P模式S/P模式为三维流体动力学积分模式。其模式方程选用曲线坐标形式， 其中S轴与烟气轴线一致。原始方程经过一些简化和近似后， 得到质量、动量、能量、水汽积分形式的守恒方程：质量方程： (1)动量方程： (2)方程： (3)方程为-和-方向运动方程的结合的结果， 描述了烟气轨迹与水平面之间的角度变化。包含水汽q和液态水的总体水量的平衡方程： (4)和热量平衡方程： (5)其中：为曲线坐标(m,m,角度)；为正交坐标（m,m,m）；，分别为环境风速，方向风速分量，烟气相对周围风速的余值，m/s；，分别为环境温度和烟气相对周围温度的余值，K;,分别为周围空气密度和烟气相对周围密度的余值，kg/m3；，分别为环境水汽量和烟气相对周围水汽量的余值，g/kg; 为烟气相对周围大气水汽总量的余值，g/kg;为烟气半径，m； 为烟气宽度，m；为周围空气的混合率， ； 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， ， ，和等物理量描述了冷却塔排放烟气的特征。在假定这些量具有相似分布特征条件下，上述方程从0积分到， 得到描述风速、温度、总体水量截面最大值量和变量的微分方程式。在关系式和的帮助下这些变量从s坐标转为x,z坐标函数。2.2 冷却塔下洗模式修正冷却塔的下洗状况取决于烟塔出口处环境风速和烟团中心处抬升速度的比值，弗鲁德数和雷诺数。此外弗鲁德数描述了烟团抬升的动力和热力作用比；在其它条件不变的情况下热力作用越大，冷却塔下洗现象越弱。:冷却塔出口处烟气排放速率（m/s）：冷却塔出口处烟气和周围空气密度差（kg/m3）：冷却塔出口处周围空气密度（kg/m3）：重力加速度（m/s2）：冷却塔出口处直径（m）雷诺数。决定了冷却塔下洗的范围。在模式中已考虑了冷却塔下洗对烟团抬升的影响，通过修正拖曳系数，也就是给拖曳系数增加一个由下洗（或倾斜作用）所造成的的增值来实现。其增值为 当Re 2105 当Re 2105由于德国模式在计算年均地面附加浓度时每小时都采用了上述修正，故可以理解为烟气通过冷却塔排放烟团的的倾斜是随时存在的，烟塔出口处环境风速和烟团中心处抬升速度的比值越大，烟团倾斜越明显。当烟塔出口处环境风速和烟团中心处抬升速度的比值趋于零时，烟团几乎垂直上升。反之，冷却塔出口处环境风速和烟团中心处抬升速度的比值越大，就越有可能出现下洗。2.3 污染物扩散模式(VDI 3945)污染物扩散采用依照德国2002年空气清洁标准研制的污染物扩散模式（VDI 3945 第三部分），其算法采用拉格朗日方法，通过计算污染物喷烟团的路径和空间分布来确定污染物的浓度。该模式烟团的输送和扩散由随机过程来确定。 烟团位置移动和湍流变化形式为： (1) (2)式中，为时间时刻的值；为时间时刻的值；为平均风速；为湍流风速；为附加风速，像烟气热力作用的抬升，沉降等；为速度增值；为马尔可夫过程因子。质量变化公式： (3)式中， 为物质被一个颗粒输送掉的量。转换矩阵系数跟时间无关， 并满足。物质在空间，时间段的时间空间平均浓度 (4)其中当颗粒在空间时函数， 否则为零。2.4 模式计算参数 表13分别给出了脱硫后烟气和冷却塔及排放参数。表1 锅炉排放烟气参数项目烟塔高度(m)出口内径(m)实际烟气量 (m3/s)脱硫塔出口烟气温度()SO2排放源强（g/s）本工程14578916.8945172.2表2空冷塔结构参数参数结构参数方式海勒式间接空冷散热面积m21600000型式两台机组共用一座空冷塔，将脱硫塔和烟囱布置在空冷塔内空冷塔高度m145进风口高m24零米处塔筒直径m141出口处塔筒直径m78表3 空冷塔排放参数出口处混合气体流速出口处混合气体温度环境温度备注冬季5.6 m/s25-3.61月份平均气温夏季7.1 m/s4723.47月份平均气温3 空冷塔烟塔合一环境影响结果分析利用德国S/P烟气抬升模式和扩散模式，用上述参数计算了某电厂2300MW空冷供热机组在不同稳定度和附属条件下冷却塔排放烟气抬升高度和采用通过烟囱排放计算的抬升高度的比较。3.1 不同大气状况下冷却塔烟气的抬升高度图1给出电厂采用烟塔合一技术烟气在不稳定、中性、稳定大气状况下不同风速冷却塔烟团的抬升高度。在不稳定大气状况下，烟气在小风时可迅速抬升至1100米；在中性情况下小风时烟团最大抬升可达800m左右，当风速为1.5m/s时，烟团抬升高度为500m，风速从3m/s增加到8.5m/s时，烟团抬升高度在从380减为166m；在稳定大气状况下烟气最大抬升高度为320m，当风速大于1.5m/s时，烟团高度抬升低于185m。从以上结果可以看出，烟气抬升高度与稳定度和风速有关，大气在不稳定状况下烟气抬升高度要高于稳定状况，在小风天气条件烟气抬升高度要高于大风天气。图1不同稳定度下的烟塔合一烟气抬升高度3.2 烟塔合一和烟囱排放烟气抬升高度对比图2给出不同天气条件下烟塔合一和烟囱排放烟气抬升高度对比。大气在不稳定状态下，风速为0.5m/s时烟气通过冷却塔排放可抬升到1100m，而通过烟囱排放则只能达到900m，当风速为3m/s时，烟气通过冷却塔排放可抬升到1000m，通过烟囱排放则只达到270m；在大气中性状态下，在小风状态下（0.5m/s）冷却塔抬升可达800m，烟囱抬升高度为600m，当风速大于3m/s后烟气通过冷却塔排放抬升高度为230380m；通过烟囱排放抬升高度在70-140m；在稳定状态下烟气通过冷却塔排放和通过烟囱排放抬升高度区别不大。不稳定（L-冷却塔，Y-烟囱）中性（L-冷却塔，Y-烟囱）稳定（L-冷却塔，Y-烟囱）图2不同天气条件下烟塔合一和烟囱排放烟气抬升高度对比3.3 烟塔合一和烟囱排放烟气地面浓度对比本文收集了当地一年的气象资料计算了采用烟塔合一技术和通过烟囱排放SO2的小时、日均和年均最大地面浓度值，表4给出了计算结果。从计算结果可以看出，通过141m空冷塔排放的SO2地面浓度小于通过210m烟囱排放的地面浓度，约为烟囱排放所致地面浓度的1/3。表4烟塔合一和烟囱排放烟气地面浓度对比(g/m3)项目141m冷却塔210m烟筒SO2年最大值0.652.14天最大值12.9635.55小时最大值34.53110.35图3烟塔合一和烟囱排放烟气抬升高度比较图4烟塔合一和烟囱排放SO2下风向地面浓度比较德国EGI公司也给出空冷塔和烟囱排烟方案的计算结果曲线，见图3、图4。计算时烟囱按240m排放高度考虑，采用烟塔合一技术时，烟气抬升高度明显高于烟囱排烟方案，污染物地面浓度明显较低。计算结果趋势和规律与本案例计算结果基本相同。4 讨论（1）通过湿冷塔排放的烟塔合一技术在国外已成功应用二十多年，将脱硫塔布置到空冷塔内的烟塔合一技术应用近年在国外有部分机组投运，在国内尚无设计运行先例，但技术上是可行的。（2）通过计算比较，烟塔合一技术有利于烟气的抬升、稀释和扩散，对环境的影响明显小于烟囱排放产生的影响。但由于我国现行的环境标准和评价技术导则规定的烟气抬升和环境空气污染物扩散模式基于烟囱排放，还没有相应的适合我国环境条件的经验公式，烟气抬升和环境空气污染扩散模式有待进一步研究。也会带来环境评价和审批时间较