“煙塔合一”技術的推廣應用研究
摘要:“煙塔合一”技術起源于德國，并在德國得到廣泛應用，技術成熟、可靠，在煙氣污染物擴散方面起到積極作用，但通過調查研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)當前國內環(huán)保設施的運行狀況等因素，“煙塔合一”在國內需要有條件地進行推廣，大范圍推廣還要待以時日。
關鍵詞:煙塔合一;冷卻塔;煙囪
0·引言
“煙塔合一”是指將燃煤電廠煙囪和冷卻塔合二為一，取消煙囪，對冷卻塔進行優(yōu)化，利用冷卻塔巨大的熱量和熱空氣流對脫硫后的凈煙氣形成包裹和抬升，促進煙氣污染物的擴散。
“煙塔合一”技術起源于德國，并在德國得到推廣應用，目前，已改建和新建了近30座采用冷卻塔排煙技術的項目，單機容量最大達到1100MW。2005年起，國內的華能、國電、國華等電力集團，相繼建設了一批“煙塔合一”項目，其中華能北京熱電廠“煙塔合一”項目于2006年12月投入運行，成為我國乃至亞洲首個可以取消煙囪的電廠［1］。其他的項目包括華電軍糧城電廠、大唐哈爾濱第一熱電廠、國電天津東北郊電廠、國華三河電廠、大唐錦州電廠、中電投甘井子電廠等。
1·煙塔合一的關鍵技術
冷卻塔設計技術為“煙塔合一”的技術核心，其關鍵技術為冷卻塔塔形和尺寸、冷卻塔強度(開孔技術)、冷卻塔防腐和凈煙道設計技術。
1．1冷卻塔塔形和尺寸
脫硫后凈煙氣溫度約50℃左右，高于塔內濕空氣溫度，因此，在冷卻塔設計中，需要使用計算流體動力學(CFD)分析冷卻塔的流場、溫度場和壓力場，設計優(yōu)化冷卻塔的塔形和尺寸，確保脫硫后煙氣與冷卻塔濕蒸汽及抽吸空氣的充分混合，并順利從雙曲線自然通風冷卻塔排放。
1．2冷卻塔開孔技術
凈煙氣經開孔處進入冷卻塔時，冷開孔一般在淋水層除水器的上方，此處殼體較薄，這樣對穩(wěn)定性很重要的殼體就不會產生大的影響。在冷卻塔上開孔會引起殼體穩(wěn)定性降低，孔的周圍要通過加強來補償。但是塔殼開口的不對稱性還是會導致塔殼彎曲，因此，必須對其進行數(shù)模計算［2］。
1．3冷卻塔防腐技術
濕法脫硫后的凈煙氣仍含有一定量的SO2、SO3、NOx、HF、HCl等有害氣體，含有有害氣體的凈煙氣會在冷卻塔塔壁上凝聚，對冷卻塔內壁產生強烈的酸腐蝕。此外，當空氣風速很大時，煙塔出口的煙氣會發(fā)生煙氣下洗，對冷卻塔外壁產生一定的腐蝕，所以如何對冷卻塔的內外壁和內部件進行防腐是煙塔技術應用中需要重點考慮的問題［3］。目前國內煙塔工程防腐均采用涂層防腐技術，防腐材料均為國外進口配方，主要廠商包括德國的MC、挪威的佐敦、德國的固斯特和葡萄牙優(yōu)龍等。
1．4凈煙道設計技術
早期煙塔合一的冷卻塔采用低位開洞和塔內煙氣均布方式，而黑泵電廠建設時采用冷卻塔中心排煙技術，設計脫硫后凈煙氣從中心孔排出時煙氣速度為18m/s，這種設計方式不但減少了冷卻塔塔壁腐蝕的可能性，而且有利于脫硫凈煙氣的擴散。1998年建設尼德勞森電廠新機組時，凈煙道采用從脫硫塔頂高度直接水平進入冷卻塔中心技術，減少了凈煙道長度和煙氣系統(tǒng)阻力［3］。
國外新建采用冷卻塔排煙電廠，如SchwarzePumpe(2×800MW)、BoxbergⅣ(1×900MW)、Lippendort(2×900MW)等工程吸收塔出口至冷卻塔均采用玻璃鋼煙道，國內目前所有的煙塔合一項目也全部采用玻璃鋼煙道。玻璃鋼煙道除初投資略高于碳鋼煙道外，耐化學腐蝕、比重輕、導熱率低、在較高溫度下有較好的力學性能等方面更具優(yōu)勢。
2·煙塔合一存在的問題及解決措施
通過調研發(fā)現(xiàn)，目前“煙塔合一”運行時存在的最大問題是煙塔內壁的腐蝕，此外還有循環(huán)水水質污染、冬季主機低負荷運行時煙塔的運行問題。
2．1防腐方面
調研發(fā)現(xiàn)，各種防腐材料，實際效果差別明顯。華能北京熱電廠防腐材料采用的是德國MC的產品，煙塔運行五年，防腐情況良好;華電軍糧城防腐材料也是德國MC的產品，運行半年的情況顯示，防腐性能良好;大唐某電廠煙塔防腐材料采用的是德國固斯特的產品，運行一年后冷卻塔內壁出現(xiàn)不同程度的涂層脫落、空鼓、混凝土剝離、裂紋等缺陷;國華某電廠采用的防腐材料是挪威佐敦公司的產品，煙塔的內壁也已經出現(xiàn)嚴重腐蝕，部分內壁材料脫落;此外，國電東北郊電廠采用的是國產涂料，煙塔也出現(xiàn)了腐蝕問題。
除了防腐材料外，防腐施工也是冷卻塔防腐效果的關鍵，目前國外的防腐材料廠商都指定國內施工方進行防腐施工，要求空氣/塔壁溫度為10℃～30℃，相對濕度小于85%。此外，我國電廠排放煙氣中SO2和NOx濃度更高，冷凝液腐蝕性強也是造成我國煙塔防腐層更易破壞的原因之一。
2．2循環(huán)冷卻水方面
煙氣冷卻塔排放對循環(huán)水的水量和水溫影響都非常小，可以忽略不計。但煙氣中的可溶性氣體和固體顆粒也會隨之進入循環(huán)水系統(tǒng)，會造成循環(huán)水雜質和鹽類濃度的增加，如不采取措施，將導致循環(huán)水質的持續(xù)惡化。
為防止循環(huán)水系統(tǒng)的結垢和對冷凝器管的腐蝕，循環(huán)水的pH值需要控制在8．0～8．3左右。向循環(huán)水中添加阻垢劑、防腐劑和水穩(wěn)劑等，同時通過增大排污水量和補水量來保持鹽類濃度和pH值，但這種方法不僅受水源來水量的限制，嚴重浪費水資源，而且調節(jié)緩慢被動。另一種方法就是對循環(huán)水進行除鹽處理和pH值調節(jié)［4］。
2．3冬季運行
國內采用煙塔合一技術的電廠大部分位于北方地區(qū)。對于寒冷地區(qū)，為保證脫硫后凈煙氣正常排放和抬升擴散，冷卻塔循環(huán)水量不能小于設計值的50%或者熱負荷不能低于設計值的30%。
大唐哈爾濱第一熱電廠和國華三河電廠的2×300MW機組的煙塔項目中，設置2套脫硫裝置和2座冷卻塔。在非采暖期，每臺機組的煙氣及循環(huán)水采用單元制運行，各進1座塔;在采暖期，采用兩機一塔的運行方式，即2臺機組煙氣、循環(huán)水進1座塔運行。通過這樣的技術方案，可以增加冷卻塔的外排熱量，提高冷卻塔的通風量和出塔速度，從而提高塔內煙氣的抬升高度和擴散效果，保證煙塔排放煙氣抬升高度不受影響。
冬季運行期間，北方電廠煙塔進風口均有不同程度的結冰，為了解決這個問題，可以采取以下措施:一是分區(qū)運行，即將煙塔中分成幾個面積相等的區(qū)，當溫度降低時，塔中心的部分淋水區(qū)將被關閉;二是在塔底設一圈防凍管，當環(huán)境溫度較低時，開啟化冰管，減少進塔冷空氣量;三是設旁路管，當淋水面積的50%被關閉時，旁路開始運行;四是塔內設溫度測點，隨時監(jiān)控運行溫度。
2．4夏季運行
夏季運行時需要考慮煙氣能否順利排出，當夏季環(huán)境溫度達到40℃以上，而機組負荷由于電網(wǎng)原因處于低負荷運行，吸收塔排出的煙氣溫度可能下降到40℃，煙氣是否能夠順利排出就處于一個臨界狀態(tài)，這時一般的解決辦法是關掉一層噴淋層來提高煙溫。
2．5煙道材料的選擇及其運行安全性
采用冷卻塔排放煙氣時，塔內外煙道可采用玻璃鋼材料現(xiàn)場制作。這種材料本身具有自重輕、抗腐蝕等特點，不需采用額外的防腐措施，在德國價格便宜，易于實現(xiàn)，所以煙塔合一技術在得到較為迅速的推廣。而在國內價格昂貴，煙道材料價格是制約煙塔合一推廣的重要瓶頸之一。
玻璃鋼煙道設計溫度為50℃～70℃，短時最高為80℃，一旦發(fā)生煙氣超溫或者脫硫裝置旁路運行時，會造成玻璃鋼煙道軟化，所以必須采取相應的措施。在華能北京熱電廠中FGD脫硫塔前設立了降溫熱回收系統(tǒng)，在玻璃鋼煙道前設立了事故噴淋裝置，大唐哈爾濱一熱脫硫塔前設立了事故噴淋系統(tǒng)，保護玻璃鋼凈煙道;華電軍糧城沒有這一類的裝置，對控制系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求，一旦發(fā)生FGD故障或者超溫時必須要及時停爐。
3·經濟性分析
采用煙囪排放煙氣，除了煙囪的基建投資外，還有煙氣換熱器、鋼結構、基礎和煙道的投資及煙氣換熱器的運行、保養(yǎng)費用。利用冷卻塔排放煙氣時不需要這些投資和費用，但須增加排煙煙道、冷卻塔防腐、塔體開洞等費用［5］。
國內某設計院對2×300MW機組的冷卻塔排煙與帶GGH常規(guī)煙囪排煙兩方案造價的經濟進行了比較，結果顯示“煙塔合一”的煙氣排放技術較傳統(tǒng)的帶GGH的煙囪排放技術價格優(yōu)勢明顯。此外“煙塔合一”技術的運行費用將大大降低，主要表現(xiàn)為節(jié)省系統(tǒng)阻力降低帶來的風機電耗，以及煙塔排煙無需維護GGH的費用，同時水耗也將進一步降低，每年可節(jié)省運行費用400多萬元，煙塔合一的經濟性優(yōu)勢將更為明顯。
目前新建電廠大部分取消GGH，雖然需要對煙囪進行防腐，但投資成本相對于原來有GGH的裝置價格仍會有所下降。由于“煙塔合一”中玻璃鋼煙道和防腐材料價格昂貴，煙塔合一技術與無GGH的煙囪排放技術相比價格優(yōu)勢不明顯。
4·推廣應用的必要條件
目前，“煙塔合一”技術在我國的應用剛剛起步，采用煙塔合一技術可以不設煙囪及GGH等設備，使系統(tǒng)簡化。從目前國內電廠的調研結果來看，“煙塔合一”技術仍需要不斷積累運行經驗，在新建項目中需要從實際情況出發(fā)，慎重考慮此技術的推廣應用。“煙塔合一”技術對電廠設計和運行水平要求較高，有條件的電廠可根據(jù)自身的實際情況參照下列條件進行改造。
2009年12月，環(huán)保部門召開了“火電項目煙塔合一方案環(huán)境影響研討會”，明確指出:煙塔合一排煙方案在我國的適用區(qū)域或情況主要包括北方干燥、半干燥地區(qū)有建筑物限高的區(qū)域以及景觀環(huán)境有特殊要求的地區(qū)，且采用煙塔合一排煙方案時，其污染物治理應采用國內最先進的大氣污染控制技術和最好的環(huán)境管理水平;機場限高或環(huán)保部門允許的地區(qū)，特別適合于北方氣候干燥地區(qū)，也適用于通過煙塔的設計能克服的濕度較高的地區(qū);入爐煤品質(包括硫分、灰分)要求控制在設計值范圍內;盡量杜絕機組投油穩(wěn)燃，嚴格控制除塵器出口煙塵量在設計值范圍內小于150mg/m3，否則，脫硫設施的運行狀態(tài)會受到影響;杜絕脫硫、脫硝裝置運行過程中長時間偷排和超排現(xiàn)象;要求有冷卻塔循環(huán)水污染后的處理措施，盡量避免冷卻水污染后造成系統(tǒng)設備和管道的腐蝕;解決脫硫凈煙氣玻璃鋼管道和防腐材料國產化的問題，否則沒有經濟優(yōu)勢。
5·結語
“十二五”期間，國家環(huán)保政策將越來越嚴格，大部分電廠已經開展了旁路鉛封工作，隨著我國大容量火電機組的快速發(fā)展，脫硫裝置取消煙氣旁路、采用“煙塔合一”技術將是脫硫技術發(fā)展的一大趨勢。在推廣“煙塔合一”技術時，還需要進一步消化吸收國外先進運行經驗，并總結出目前國內電廠運行時存在的問題，切實提高電廠主機和環(huán)保設施運行水平，實現(xiàn)相關材料國產化以降低造價，使“煙塔合一”技術徹底發(fā)揮自身的長足優(yōu)勢，應用于火力發(fā)電事業(yè)中。
參考文獻:
［1］崔克強，李浩．燃煤發(fā)電廠煙塔合一環(huán)境影響之一:煙氣抬升高度的對比計算［J］．環(huán)境科學研究，2005，18(1):27－31．
［2］秦松波．煙塔合一技術［J］．上海電力，2007，(5):492－495．
［3］林勇．煙塔合一技術特點和工程數(shù)據(jù)［J］．環(huán)境科學研究，2005，18(1):35－39．
［4］隋建才，杜云貴，潘虹，等．煙塔合一技術在華能北京熱電廠的應用［J］．電站系統(tǒng)工程，2009，25(2):27－29．
［5］崔克強，柴發(fā)合．燃煤發(fā)電廠煙塔合一環(huán)境影響之二:華能北京熱電廠煙塔合一設計環(huán)境影響估算［J］．環(huán)境科學研究，2005，18(1):31－35．
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