浅析烟塔合一

浅析“烟塔合一”

火电厂烟气通过冷却塔排放技术的应用

东北电力设计院于国续

内容提要：本文通过对火电厂采用烟塔合一技术特点的分析和与常规烟囱排烟方案的综合技术经济比较指出，采用烟塔合一技术在国内随着环境空气污染物排放标准的提高，已基本具备应用的条件，技术上是可行的。采用烟塔合一方案有利于烟气的抬升与扩散，有一定环境效益，但由于目前技术上还主要依赖国外，总投资较高，同时有关环境影响尚无相应的标准和规范，且认识上可能还不尽一致，有可能对工程的报批产生潜在的不利影响。因此，如果工程上无烟囱高度的限制，建议现阶段用冷却塔排烟方案的决策要慎重。

关键词：烟塔合一环境

1 问题的由来

火电厂锅炉排出的烟气通过冷却塔排放，即简称为“烟塔合一”的技术是国内近一两年来在电力工程设计中引起关注的一项新技术。其实用冷却塔排烟，在国外已成功应用20几年，目前已成功应用到单机容量百万千瓦级的机组的电厂，可以说这已不是什么新技术。“烟塔合一”示意图见图1。

图1“烟塔合一”示意图

现在我们为什么开始关注此项技术呢？据了解目前国内准备采用“烟塔合一”的有华能北京热电厂、天津东北郊热电厂、石家庄良村热电厂、国华三河电力有限公司二期、大唐哈尔滨第一热电厂、华能九台电厂、国华宁海电厂二期等等，有的工程已通过了环境影响评价，有的在进行初可研和可研，有的则已开始实施。

所列这些工程采用“烟塔合一”的原因大都是由于电厂的烟囱高度受到厂址附近机场的限制，不能满足环保要求，厂址又不能搬迁，解决问题的唯一出路就是取消烟囱，用高度比烟囱低得多的冷却塔排烟。大多数以城市集中供热为目的热电厂，由于合理的供热半径限制，热电厂厂址选择的自由度较小，难以避开机场，另一种情况是，如九台电厂，除机场限制条件外，是一个技术经济条件最好的的厂址，难以割舍。另外，用冷却塔排烟，理论上有利于烟气的抬升与扩散，有利于环境保护或其它特定条件，也是某些工程，如宁海电厂（采用海水冷却塔，其海水的防腐措施有可能与排烟要求相结合，而节约投资），业主感兴趣的理由。

2 烟塔合一技术特点

2.1 烟塔合一技术的一般概念

烟塔合一技术首先在德国使用，从二十世纪七十年代开始，已有多座大型火电厂采用。2003年投产的1000MW级Neideraussem电厂也采用此项技术，该技术目前在德国已应用得非常成熟。

火电厂烟气脱硫主要采用石灰石湿法脱硫技术，脱硫后的净烟气达到烟气饱和温度点，一般为45～65℃。为增加脱硫后烟气抬升高度，一种方式采用对烟气再加热从烟囱排放；而另一种方式借助冷却塔热空气抬升烟气从冷却塔排放，即“烟塔合一”。在德国，目前采用比较普遍的烟塔合一工艺主要是直通式，即锅炉排放烟气经除尘脱硫后直接进入冷却塔，参见图1。

烟塔合一技术与常规做法不同，烟气不通过烟囱排放，而被送至自然通风冷却塔。在塔内，烟气从配水装置上方均匀排放，与冷却水不接触，见图2。由于烟气温度约50℃，高于塔内湿空气温度，会发生混和换热现象，对塔内气体流动工况产生一定的影响。

图2冷却塔内烟气的上升流动

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(也称抽力)，热浮力克服流动阻力而使气体流动。研究指出，进入冷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。对于烟气进入对塔内对气体流速的影响，由于进入冷却塔的烟气所占容积份额较小，对塔内气体流速影响甚微。关于烟气的进入对塔内阻力的影响问题，由于进入冷却塔的烟气是在冷却塔的配水装置以上进入，对配水装置区间段阻力不产生影响。因此，对总阻力的影响甚微，在工程上亦可以忽略不计。

2.2 烟塔合一技术的环境效益

采用烟塔合一，烟气提升高度高，利于污染物的稀释和扩散，有利于环境保护。

烟塔合一技术是利用冷却塔巨大热量和热空气量对脱硫后湿烟气进行抬升，冷却塔气流的提升力，把净化处理烟气中残留的有害物排入环境空气中，尽管气流温度低，但是体积流量较大，由此总流量较大，在大多数天气条件下，都能够达到高于同等烟气从烟囱排出的提升高度，抬升高度远高于比冷却塔高数十米的烟囱，从而利于污染物的稀释和扩散，有利于环境保护。

根据Saarbergwerke AG及Rhei－nisch－Westfalisches Elektrizitatswerk AG于1984～1985年间在Volklingen实验电站测得结果，100m高的冷却塔和170m高的烟囱排放烟气扩散“照相”对比图，见图3。其中烟囱高为170m，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450m ，烟云轮廓上下宽度较大。虽然烟塔合一冷却塔标高仅为100m ，由于其含热量较大，冷却塔烟云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600m 仍然缓慢上升，最后在700m 时升势趋缓，其烟云的轮廓较烟气要窄，扩散的距离更远。

图3烟塔合一和烟囱排放烟气抬升对比

冷却塔的烟云轮廓

烟囱的烟云轮廓

扩散距离

km

由此可见，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要高，但利用冷却塔排烟时，由于烟气与冷却塔中的水气混合后，大量的水气能将烟气分散冲淡，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除的烟气对风的敏感度要低，后者极易被风吹散。在可比的情况下利用冷却塔排放的烟气比烟囱排放的烟气气流更大，上升的时间也更长，扩散高度更高，因而认为利用冷却塔排放烟气的污染比烟囱排放低，利于降低环境污染，保护环境。

我国现行环境标准和评价导则规定的烟气抬升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。由于采用烟塔合一技术才刚刚开始研究，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物扩散模式有待于进一步研究。目前只有中国环境科学研究院利用德国的S/P模式和拉格朗日模式为某电厂计算了烟气抬升高度和对地面的附加质量浓度，需要探讨的问题较多。

影响烟气抬升与扩散的基础参数有烟气流速、温度，环境风速、气温、大气稳定度、扩散参数及地形条件，在同等烟气和环境条件下，决定性的因子为环境风速和大气稳定度。

根据有关资料，利用S/P模式和德国烟囱排放抬升公式对比计算某电厂2×300MW机组在不同大气稳定度条件下和不同风速时的烟气抬升高度和环境影响显示：

在大气不稳定状态下，风速为1.5m/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400m。风速为3m/s时，烟气通过冷却塔排放可抬升到500m，而通过烟囱排放则只能达到150m。在大气中性状态下，不同风速烟气通过冷却塔排放可抬升到140～200m，而通过烟囱排放则只能达到60～100m。在稳定状态下，通过冷却塔排放比通过烟囱排放烟气抬升高50m左右。

计算结果表明，120m冷却塔对地面造成的SO2、NOx和PM10年均浓度，总体上好于烟囱。采用烟囱方案较冷却塔年均浓度增加约为8～10%。

两种方案年均浓度最大值位置一致，等浓度线分布趋势也基本一致。