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摘要：烟塔合一技术节省烟囱、烟气再热系统等土建及设备初投资和运行维护费用，而且湿法脱硫技术的广泛应用和环保要求也越来越严格， 它的利用是一种趋势。从环保角度对采用此项技术时，烟气抬升高度、SO2落地浓度等方面进行了讨论，并阐述了采用不同形式的冷却塔对SO2的落地浓度的影响。
关键词：烟塔合一；抬升高度；落地浓度
Abstract:The technology of cooling water in place of chimney tower is technology that the thermal power plant chimney combines circulating water tower together into one, taking advantage of exhaust for the wet desulfurizing. This technology saves construction and the equipment initial investment and operating maintainence cost ,such as chimney, fuel gas reheating system. Viewing from environmental angle , this paper discusses t, the SO2 consistency subsided and so on through this technology, also expounds how different types of circulating water tower affects the subsided consistency of the SO2 .
Keywords:cooling water in place of chimney tower;uplifted height;subsided consistency
0引言
烟塔合一技术是将火电厂烟囱和冷却塔合二为一，取消烟囱，利用冷却塔排放烟气，冷却塔既有原有的散热功能，又替代烟囱排放脱硫后的洁净烟气。此项技术在国外从70年代就开始研究，通过不断的试验、研究、分析和改进，已日趋成熟，以德国的SHU公司和比利时的HmaonSobelco公司为代表。在德国新建火电厂中，已经广泛地利用冷却塔排放脱硫烟气，成为没有烟囱的火电厂。
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SO2含量大大减少，使得烟塔合一技术的采用成为可能。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、保养费用，虽然冷却塔排放低温烟气，增加了防腐蚀的费用，但节省了总的初投资和运行维护费用。此外由于省去了烟气再热系统，还避免了未净化烟气泄漏而造成最终脱硫效率的下降。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烟塔合一技术概述
烟塔合一工艺系统通常有2种排放形式，分别为外置式和内置式。
1.1外置式
把脱硫装置安装在冷却塔外，脱硫后的洁净烟气引入冷却塔内排放。
脱硫装置安装在冷却塔外，净烟气直接引到冷却塔喷淋层的上部，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。国外早期当脱硫系统运行故障时，由于原烟气的温度和二氧化硫的含量相对较高，不适于通过冷却塔排放，需经干式烟囱排放。目前由于脱硫装置运行稳定，冷却塔外一般不设旁路烟囱。
1.2内置式
近几年国外的烟塔合一技术进一步发展，开始趋向将脱硫装置布置在冷却塔里面。使布置更加紧凑，节省用地。其脱硫后的烟气直接从冷却塔顶部排放。由于省去了烟囱、烟气热交换器，减少了用地，可大大降低初投资，并节约运行和维护费用。
以下介绍的是内置式的烟塔合一工艺技术。
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1可以看出烟塔合一技术与传统烟囱排烟有较大的不同。 （图片） 2.1烟气抬升高度
2.1.1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［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2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2。（图片） 目前国内大型火电厂机组烟囱高度一般都在180~240 m，冷却塔高度在110~150 m，高度相差较大。在相同条件下，湿烟气的抬升高于干烟气。
2.1.2实际抬升高度分析
根据GB 132232003《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［3］，烟气抬升高度DH是正比于烟气热释放率QH、烟囱高度Hs的，反比于烟气抬升计算风速Us；而热释放率正比于排烟率和烟气温度与环境温度之差ΔT 。
当QH≥21 000 kJ/s，且ΔT≥35 K时, 城市、丘陵的抬升高度：（图片） Hs——烟囱的几何高度，m；
ΔT ——烟囱出口处烟气温度与环境温度之差，K；
QH——烟气热释放率，kJ/s；
CP——标准状态下烟气平均定压比热，1.38 kJ/m3K；
V0——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V0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3。（图片） 2.2SO2落地浓度
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4，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。（图片） 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。
2.3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140 m，其基础直径约102 m，出口直径为57.5 m，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101.3 kPa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H，但保持全部淋水面积不变，即淋水面直径Dr=常数。
b. 改变冷却塔的高度H，但保持冷却塔出口直径Da与淋水面直径比 Da/Dr为一定值，设 Da/Dr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Cmax与基准冷却塔迎风面最大落地浓度Cmax0之比Cmax/ Cmax0），见图5。（图片） 由图5可知，Cmax/Cmax0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 Da/Dr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180 m时，在迎风面的最大落地浓度，Cmax/ Cmax0约为72%~75%；在冷却塔高度为200 m时，Cmax/ Cmax0约为62%。而冷却塔高度为230 m时，Cmax/Cmax0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。
3结论
a. 由于环保的严格要求，我国将有一批湿法烟气脱硫装置建在冷却塔闭式循环系统的电厂中，烟塔合一技术在我国应用的前景广阔。
b. 不饱和的环境下，冷却塔排烟的抬升高度不低于干烟囱。饱和的环境下，冷却塔排烟效果大大好于干烟囱。
c. 采用烟塔合一技术排放脱硫后净化烟气时，电厂污染物SO2的落地浓度与干烟囱排烟中的相差不多。在大气逆温的情况下，冷却塔排烟环保效果好于干烟囱排烟。
d. 烟塔合一技术的冷却塔的高度和出口内径对烟气SO2的落地浓度是有影响的。冷却塔形式的选型要从环保角度考虑，以期达到最佳环保效益。
参考文献
［1］姚增权. 火电厂烟羽的传输与扩散［J］.北京：中国电力出版社，2003.
［2］（德）H.Damjakob.用常规冷却塔和冷烟囱排放烟气［X］.国际水利协会第8届冷却塔和喷水池研讨会论文集.
［3］GB 132232003，火电厂大气污染物排放标准［S］.
10/20/2005
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