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????? 煙塔合一技術(shù)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)

????? 摘要：煙塔合一技術(shù)節(jié)省煙囪、煙氣再熱系統(tǒng)等土建及設(shè)備初投資和運(yùn)行
維護(hù)費(fèi)用，而且濕法脫硫技術(shù)的廣泛應(yīng)用和環(huán)保要求也越來(lái)越嚴(yán)格，它的利用是
一種趨勢(shì)。從環(huán)保角度對(duì)采用此項(xiàng)技術(shù)時(shí)，煙氣抬升高度、SO2 落地濃度等方面
進(jìn)行了討論，并闡述了采用不同形式的冷卻塔對(duì)SO2 的落地濃度的影響。關(guān)鍵詞
：煙塔合一；抬升高度；落地濃度 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 引言煙塔合一技術(shù)是將火電廠煙囪和冷卻塔合二為一，取消煙囪，利用冷卻塔
排放煙氣，冷卻塔既有原有的散熱功能，又替代煙囪排放脫硫后的潔凈煙氣。此
項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外從70年代就開(kāi)始研究，通過(guò)不斷的試驗(yàn)、研究、分析和改進(jìn)，已日
趨成熟，以德國(guó)的SHU 公司和比利時(shí)的HmaonSobelco公司為代表。在德國(guó)新建火
電廠中，已經(jīng)廣泛地利用冷卻塔排放脫硫煙氣，成為沒(méi)有煙囪的火電廠。我國(guó)的
環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，濕法煙氣脫硫技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，新建機(jī)組大部分都采用
了濕法煙氣脫硫工藝。濕法煙氣脫硫工藝的廣泛應(yīng)用，其高脫硫效率使電廠排放
的煙氣中SO2 含量大大減少，使得煙塔合一技術(shù)的采用成為可能。利用冷卻塔
排放煙氣，脫硫后的凈煙氣無(wú)需再加熱，不僅節(jié)省了煙囪的費(fèi)用，還節(jié)省了煙氣
再熱系統(tǒng)的投資和運(yùn)行、保養(yǎng)費(fèi)用，雖然冷卻塔排放低溫?zé)煔?，增加了防腐蝕的
費(fèi)用，但節(jié)省了總的初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。此外由于省去了煙氣再熱系統(tǒng)，還
避免了未凈化煙氣泄漏而造成最終脫硫效率的下降。此外，一些城市電廠由于煙
囪限高要求，只能采用新的排煙技術(shù)來(lái)達(dá)到特殊的外部要求和環(huán)境要求，這些，
都為煙塔合一技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間。 1煙塔合一技術(shù)概述煙
塔合一工藝系統(tǒng)通常有2 種排放形式，分別為外置式和內(nèi)置式。 1.1外置式把脫
硫裝置安裝在冷卻塔外，脫硫后的潔凈煙氣引入冷卻塔內(nèi)排放。脫硫裝置安裝在
冷卻塔外，凈煙氣直接引到冷卻塔噴淋層的上部，通過(guò)安裝在塔內(nèi)的除霧器除霧
后均勻排放，與冷卻水不接觸。國(guó)外早期當(dāng)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行故障時(shí)，由于原煙氣的
溫度和二氧化硫的含量相對(duì)較高，不適于通過(guò)冷卻塔排放，需經(jīng)干式煙囪排放。
目前由于脫硫裝置運(yùn)行穩(wěn)定，冷卻塔外一般不設(shè)旁路煙囪。 1.2內(nèi)置式近幾年國(guó)
外的煙塔合一技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，開(kāi)始趨向?qū)⒚摿蜓b置布置在冷卻塔里面。使布置
更加緊湊，節(jié)省用地。其脫硫后的煙氣直接從冷卻塔頂部排放。由于省去了煙囪、
煙氣熱交換器，減少了用地，可大大降低初投資，并節(jié)約運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。以下
介紹的是內(nèi)置式的煙塔合一工藝技術(shù)。 2采用煙塔合一技術(shù)對(duì)煙氣的影響從環(huán)保
角度來(lái)看，冷卻塔排煙和煙囪排煙的根本區(qū)別在于： a. 煙氣或煙氣混合物的溫
度不同。 b. 混合物的排出速度不同。 c. 混合處的初始濃度不同。從圖1 可以
看出煙塔合一技術(shù)與傳統(tǒng)煙囪排煙有較大的不同。

????? 2.1 煙氣抬升高度 2.1.1理論分析從塔中排放出的凈化煙氣溫度約50℃，
高于塔內(nèi)濕空氣溫度，發(fā)生混合換熱現(xiàn)象，混合后的結(jié)果改變了塔內(nèi)氣體流動(dòng)工
況。由于進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣密度低于塔內(nèi)空氣的密度，對(duì)冷卻塔內(nèi)空氣的熱浮力產(chǎn)
生正面影響。此外，進(jìn)入冷卻塔的煙氣很少，其體積只占冷卻塔空氣體積的10%
以下。故煙氣能夠通過(guò)自然冷卻塔順利排放。煙氣的排入對(duì)塔內(nèi)空氣的抬升和速
度等影響起到了正面作用。在排放源附近，煙氣的抬升受環(huán)境湍流影響較小。大
氣層的溫度層不是很穩(wěn)定時(shí)，煙氣抬升路徑主要受自身湍流影響，決定于煙氣的
浮力通量、動(dòng)量通量及環(huán)境風(fēng)速等。這段時(shí)間大約為幾十秒至上百秒，這段時(shí)間
內(nèi)煙氣上升路徑呈曲線形式。煙氣在抬升過(guò)程中，由于自身湍流的作用，會(huì)不斷
卷入環(huán)境空氣。由于煙氣不斷卷入具有負(fù)浮力的環(huán)境空氣，同時(shí)又受到環(huán)境中正
位溫梯度的抑制，它的抬升高度路徑會(huì)逐漸變平，直至終止抬升［1 ］。濕煙氣
也遵循以上抬升規(guī)律，不同的是飽和的濕煙氣在抬升過(guò)程中，會(huì)因?yàn)閴簭?qiáng)的降低
及飽和比濕的減小而出現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)。水蒸氣凝結(jié)會(huì)釋放凝結(jié)潛熱，這會(huì)使?jié)駸?BR>氣溫度升高，浮力增加。在不飽和的環(huán)境下，濕煙氣中只有很小的一部分水蒸氣
會(huì)凝結(jié)，因水蒸氣凝結(jié)所釋放的潛熱使煙氣的浮力增加不會(huì)很大。然而，當(dāng)飽和
的濕煙氣升入飽和大氣環(huán)境中，這種潛熱釋放會(huì)明顯改變抬升高度，抬升高度會(huì)
成倍的增加。圖2 是干、濕煙氣抬升高度的對(duì)比，可以看出同樣體積的濕煙氣的
抬升高度相當(dāng)于將干煙氣加熱了幾十度。干、濕煙氣抬升高度對(duì)比見(jiàn)圖2.

????? 目前國(guó)內(nèi)大型火電廠機(jī)組煙囪高度一般都在180~240 m ，冷卻塔高度在110~150
m ，高度相差較大。在相同條件下，濕煙氣的抬升高于干煙氣。 2.1.2實(shí)際抬升
高度分析根據(jù)GB 132232003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的煙氣抬升高
度計(jì)算方法［3 ］，煙氣抬升高度DH是正比于煙氣熱釋放率QH、煙囪高度Hs的，
反比于煙氣抬升計(jì)算風(fēng)速Us；而熱釋放率正比于排煙率和煙氣溫度與環(huán)境溫度之
差ΔT . 當(dāng)QH≥21 000 kJ/s ，且ΔT ≥35 K時(shí)，城市、丘陵的抬升高度：

????? Hs——煙囪的幾何高度，m ；ΔT ——煙囪出口處煙氣溫度與環(huán)境溫度之
差，K ； QH ——煙氣熱釋放率，kJ/s； CP ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣平均定壓比熱，
1.38 kJ/m3K ； V0 ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下排煙率，m3/s，當(dāng)一座煙囪連接多臺(tái)鍋爐時(shí)，
該煙囪的V0為所連接的各鍋爐該項(xiàng)數(shù)值之和。冷卻塔的煙氣量是煙囪排煙煙氣量
的10倍左右，熱釋放率很大。相對(duì)來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)排汽通過(guò)冷卻水帶走的熱量占全
廠的50% 左右（按熱效率分?jǐn)偅?，尾部煙氣帶走的熱量只?%左右，冷卻塔煙氣
的溫度雖然較低，但水蒸氣巨大的熱釋放率彌補(bǔ)了冷卻塔高度的不足，從而較低
的冷卻塔排煙的實(shí)際抬升高度不低于高架煙囪。這是在環(huán)境濕度不飽和的狀態(tài)下
的情況。在環(huán)境處于飽和狀態(tài)時(shí)，冷卻塔煙氣抬升高度將大大高于煙囪排煙。德
國(guó)科學(xué)家在Volklingen實(shí)驗(yàn)電站測(cè)得的煙氣抬升結(jié)果也證實(shí)了冷卻塔排煙抬升高
度高于煙囪排煙，見(jiàn)圖3.

????? 2.2SO2落地濃度德國(guó)某電廠冷卻塔與煙囪排放煙氣年平均落地濃度的比較
見(jiàn)圖4 ，從圖中可以看出，對(duì)于高煙囪和低冷卻塔排放的煙氣，污染物SO2 的落
地濃度相差不多。

????? 值得注意的一點(diǎn)是：有時(shí)大氣邊界層基本處于近中性狀態(tài)，但有那么一層
或幾層是逆溫的。在逆溫情況下，低層空氣中上下交換受到阻礙，如果上下交換
能夠進(jìn)行，就要消耗能量。電廠煙氣具有較高的能量和較大的浮力時(shí)，就可以比
較容易的穿過(guò)逆溫層，如果煙氣全部都穿透了逆溫層，它就不再返回下部，對(duì)地
面造成污染。如果煙氣的浮力不足以穿透逆溫層，那么它就被封閉在逆溫層以下，
從而造成較嚴(yán)重的污染。由于煙塔合一技術(shù)排放的混合煙氣含有大量的水蒸氣，
水蒸氣中的熱量大于空中煙氣漂走帶的熱量，具有較大的浮力，所以上下層交換
就能夠進(jìn)行。因此在天氣不好的情況下，利用冷卻塔排煙優(yōu)于煙囪排煙。 2.3不
同形式的冷卻塔對(duì)SO2 落地濃度的影響利用冷卻塔排放脫硫煙氣，按一個(gè)面源來(lái)
看待冷卻塔排煙，如果冷卻塔的高度和出口內(nèi)徑對(duì)煙氣的落地濃度有影響，那么
冷卻塔的高度和出口內(nèi)徑的選擇，不能只從冷卻方面考慮，還要從環(huán)保角度考慮
選擇最佳方案。德國(guó)H.Damjakob等人對(duì)冷卻塔的變異體進(jìn)行了研究。觀測(cè)出了變
異塔的污染物落地濃度。研究變異塔就是改變一個(gè)選定的基準(zhǔn)冷卻塔的幾何形狀，
觀測(cè)其特殊的熱力數(shù)據(jù)狀況。在下列假設(shè)情況下研究所有的冷卻塔：在揚(yáng)程相同
的情況下，將相同流量的水從相同的熱水溫度冷卻到相同的冷水溫度，基準(zhǔn)冷卻
塔高140 m ，其基礎(chǔ)直徑約102 m ，出口直徑為57.5 m，它是為一臺(tái)容量590 MW
的抽汽供熱機(jī)組設(shè)計(jì)的，冷卻水的流量為12 300 kg/s ，在大氣溫度為10℃，濕
球溫度為8 ℃，大氣壓力為101.3 kPa 時(shí)，冷卻水溫度為18℃，可以冷卻1 臺(tái)550
MW的發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電機(jī)組的煙氣是由冷卻塔排放。假設(shè)變異冷卻塔的條件為：
a.改變冷卻塔的高度H ，但保持全部淋水面積不變，即淋水面直徑Dr= 常數(shù)。 b.
改變冷卻塔的高度H ，但保持冷卻塔出口直徑Da與淋水面直徑比 Da/Dr為一定值，
設(shè) Da/Dr為0.5 、0.6 、0.7. H.Damjakob 等人根據(jù)假設(shè)條件對(duì)變異體冷卻塔的
污染擴(kuò)散進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算是根據(jù)在自然大氣層10 m高處，平均橫向風(fēng)速為6.0
m/s 進(jìn)行的。采用迎風(fēng)面的最大落地濃度作為代表值。計(jì)算得出不同的冷卻塔變
異體的污染物最大落地濃度曲線（即圖5 表示的變異塔迎風(fēng)面污染物最大落地濃
度Cmax與基準(zhǔn)冷卻塔迎風(fēng)面最大落地濃度Cmax0 之比Cmax/ Cmax0 ），見(jiàn)圖5.

????? 由圖5 可知，Cmax/Cmax0不僅與冷卻塔高度有關(guān)，而且冷卻塔出口直徑也
起著重要作用。高度越高，污染物落地濃度就越小，污染就越輕。出口直徑越小，
使得出口處的煙氣流速增大，速度越高，煙氣上升的就越高，環(huán)境污染就越小。
冷卻塔出口直徑與淋水直徑比 Da/Dr的最佳值約為0.6.在同樣的直徑比和擴(kuò)散水
平情況下，當(dāng)塔高為180 m 時(shí)，在迎風(fēng)面的最大落地濃度，Cmax/ Cmax0 約為72%~75%
；在冷卻塔高度為200 m 時(shí)，Cmax/ Cmax0 約為62%.而冷卻塔高度為230 m 時(shí)，
Cmax/Cmax0約50% 左右。從以上分析可知，如果煙塔合一，不應(yīng)只利用常規(guī)的冷
卻塔，適當(dāng)增加冷卻塔的高度，改變直徑比，可以更好的降低大氣污染物的落地
濃度。對(duì)常規(guī)的冷卻塔進(jìn)行方案選型優(yōu)化，是有明顯環(huán)境效益的。 3結(jié)論 a. 由
于環(huán)保的嚴(yán)格要求，我國(guó)將有一批濕法煙氣脫硫裝置建在冷卻塔閉式循環(huán)系統(tǒng)的
電廠中，煙塔合一技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用的前景廣闊。 b. 不飽和的環(huán)境下，冷卻塔排
煙的抬升高度不低于干煙囪。飽和的環(huán)境下，冷卻塔排煙效果大大好于干煙囪。
c.采用煙塔合一技術(shù)排放脫硫后凈化煙氣時(shí)，電廠污染物SO2 的落地濃度與干煙
囪排煙中的相差不多。在大氣逆溫的情況下，冷卻塔排煙環(huán)保效果好于干煙囪排
煙。 d. 煙塔合一技術(shù)的冷卻塔的高度和出口內(nèi)徑對(duì)煙氣SO2 的落地濃度是有影
響的。冷卻塔形式的選型要從環(huán)保角度考慮，以期達(dá)到最佳環(huán)保效益。參考文獻(xiàn)
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會(huì)第8 屆冷卻塔和噴水池研討會(huì)論文集。［3 ］GB 132232003，火電廠大氣污染
物排放標(biāo)準(zhǔn)［S ］。