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火電廠用冷卻塔替代煙囪的探討

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300MW機組，冷卻塔淋水面積Am=6500m2，塔內氣體流速vm=1.07m/s，計算出塔內氣體流量Qm=Am.vm=6955m3/s；再計算出排煙溫度140℃時，排煙量約1 800 000m3/h（折合500m3/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。

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