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火電廠用冷卻塔替代煙囪的探討
摘 要 長期以來，煙囪成為火電廠必不可少的重要設施。近年來，隨著脫硫脫硝技術的運用，使處理后的煙氣溫度和煙氣成分與過去相比發生了變化。能否在適當條件下用冷卻塔替代煙囪(將煙氣通過冷卻塔排放)呢?通過對塔內氣體流動工況的變化分析，以及對濕法脫硫后的煙氣從煙囪排放分析和煙氣中殘余二氧化硫和飛灰對循環冷卻水污染分析，最后得出結論：若煙氣采用了高效除塵和脫硫(或脫硫脫硝)處理，可以設置低矮的事故煙囪，不再建設永久性煙囪，從而降低造價和運行費用。隨著社會生產力的發展和人們生活質量的提高，人們對環境質量愈來愈關注，對火電廠也提出了更高的環保要求。愈來愈多的電廠將視其煤質情況和環保要求對煙氣進行脫硫處理，甚至于進行脫硝處理。在某些采用石灰石濕法脫硫(以下簡稱FGD)的系統中，經脫硫后的煙溫約50 ℃，若不加熱則可能帶來煙囪排放困難。能否在采用自然通風冷卻塔的電廠，將處理后的煙氣通過冷卻塔排放?本文試圖對該問題做一些分析和探討。
1 技術方案
對于采用了冷卻水再循環的火電廠，若其煙氣進行了脫硫脫硝處理(或只是脫硫處理)，在正常運行工況下，煙氣經過二氧化硫吸收塔處理，進入自然通風冷卻塔，在配水裝置之上均勻排放，通過冷卻塔排入大氣。同時，根據二氧化硫吸收塔的可靠性和事故率大小，可以設置旁路煙道，通過事故煙囪排放。
2 技術經濟分析
2.1 塔內氣體流動工況的變化分析
與常規做法不同，煙氣不通過煙囪排放，而被送至自然通風冷卻塔。在塔內，煙氣從配水裝置上方均勻排放，與冷卻水不接觸。由于煙氣溫度約50 ℃，高于塔內濕空氣溫度，發生混和換熱現象，混和的結果，改變了塔內氣體流動工況。
2.1.1 煙氣進入對熱浮力的影響
塔內氣體向上流動的原動力是濕空氣(或濕空氣與煙氣的混和物)產生的熱浮力(也稱抽力)，熱浮力克服流動阻力而使氣體流動。熱浮力為Z=he.Δρ.g，式中 he——冷卻塔有效高度；
Δρ——塔外空氣密度ρk與塔內氣體密度ρm之差。
下面，以某300 MW機組為例，做簡要計算：
已知f=10%的氣象條件為θ1=25 ℃，Ψ1=78%,pamb=99.235 kPa，查有關圖表或用公式計算出塔外空氣密度ρk=1.152 kg/m3。
一般情況，塔內空氣密度 ρm≈0.98 ρk=1.129 kg/m3，在標準大氣壓下，0 ℃時，煙氣根據經驗，一般煤質ρoy≈1.34 kg／Nm3。
經濕法脫硫后的煙溫ty=50 ℃，考慮煙氣x≈1%，水蒸氣ρos=0.804 kg/Nm3，則可計算出進入冷卻塔的煙氣密度
顯然，進入冷卻塔的煙氣密度低于塔內氣體的密度，對冷卻塔的熱浮力產生正面影響。
2.1.2 煙氣進入對塔內氣體流速的影響
已知列舉的300 MW機組，冷卻塔淋水面積Am=6 500 m2，塔內氣體流速vm=1.07 m/s，計算出塔內氣體流量Qm=Am.vm=6 955 m3/s;再計算出排煙溫度140 ℃時，排煙量約1 800 000 m3/h(折合500 m3/s)。換算為脫硫后50 ℃的煙氣量(忽略除去的SO2氣體，增加的水蒸氣按經驗為10%)：
進入塔內的煙氣占塔內氣體的容積份額：
顯然，進入冷卻塔的煙氣所占容積份額小，對塔內氣體流速影響甚微。
2.1.3 煙氣的進入對塔內阻力的影響
根據塔內阻力公式Δp=ξ(ρm vm)/(2)，阻力系數ξ主要在于配水裝置，而煙氣在配水裝置以上進入，對配水裝置區間段阻力不產生影響。因此，對總阻力的影響甚微，在工程上亦可以忽略不計。
從以上分析可得到以下結論：煙氣能夠通過雙曲線自然通風冷卻塔順利排放。
2.2 濕法脫硫后的煙氣從煙囪排放存在著困難
煙氣經石灰石(濕法)脫硫后，煙溫一般在50 ℃左右。由上例知，50 ℃的煙氣與室外空氣密度差甚小，再考慮到煙囪壁散熱導致煙氣溫降，煙囪非雙曲線形，其流動特性不及冷卻塔，加上氣候變化的影響，可見，經脫硫后50 ℃的煙氣通過煙囪排放存在著困難。否則，不得不對50 ℃的煙氣進行加熱，這樣，勢必導致系統復雜，初投資及運行費用增加。
2.3 煙氣通過冷卻塔排放對環境的影響
據國外研究機構的研究成果表明，通過冷卻塔排放的煙氣，其抬升高度能滿足環保要求，在此不再詳述。
2.4 煙氣中殘余二氧化硫和飛灰不會對循環冷卻水造成污染
經脫硫和高效除塵后，煙氣中殘余二氧化硫和飛灰含量低，二氧化硫(包括三氧化硫)露點溫度相應降低，在塔內結露的可能性小。加之二氧化硫吸收塔和冷卻塔均有除水裝置，塔內氣體帶水滴(霧)少，煙氣中飛灰不易與水滴(霧)結合而沾附在塔內壁。因此，煙氣中殘余二氧化硫和飛灰不會對冷卻塔和循環冷卻水產生污染。在實際工程運用前，還可以通過試驗獲取數據并進行分析。
2.5 投資節約分析
采用煙氣通過冷卻塔排放方案后，根據二氧化硫吸收塔設備及運行可靠性情況，可以根據環保和技術要求另設置簡易低矮的事故旁路煙囪。因此，可以節約永久性煙囪的投資。同時，煙氣不需再加熱，系統簡單，運行費用和初投資也可降低。
2.6 使用條件限制
該方案在工程運用中受到以下條件限制：
a)必須在采用了冷卻水再循環和自然通風冷卻塔的火電廠方可應用；
b)必須對煙氣進行高效除塵和脫硫(或脫硫脫硝)處理；
c)在總平面布置上，冷卻塔的位置與爐后脫硫塔相距不遠。
3 工程運用實踐
據悉，國外也在這方面進行著探索和試驗，效果尚令人滿意。
4 結束語
在采用冷卻水再循環和自然通風冷卻塔的火電廠，對煙氣采用了高效除塵和脫硫(或脫硫脫硝)處理后，在技術、經濟、安全比較的前提下，可以考慮煙氣通過冷卻塔排放。并視脫硫塔可靠性情況和事故率大小，設置低矮的事故煙囪，不再建設永久性煙囪，從而降低造價和運行費用。
作者：陳樸
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