煙塔合一技術(shù)認識和國外工程數(shù)據(jù)

1、煙塔合一技術(shù)認識和國外工程數(shù)據(jù) 林勇 （華能國際電力股份有限公司，北京 100031）摘要：煙塔合一技術(shù)是政府環(huán)境管理和電力系統(tǒng)工藝進步的結(jié)合點。從環(huán)境角度冷卻塔的巨大熱量和熱空氣量促進了脫硫后煙氣的抬升，更好的保證了地方環(huán)境質(zhì)量；從電力行業(yè)講能源效率提高，排放煙氣系統(tǒng)大為簡單，減少煙囪、GGH換熱器，可以合并鍋爐引風機和脫硫增壓風機，電廠建設(shè)費用降低，有利于發(fā)電成本降低。本文對煙塔合一技術(shù)從工程使用角度進行了剖析和分析，介紹了主要工藝特點，并整理了德國二個典型電廠的工程數(shù)據(jù)。主題詞：煙塔合一、工程數(shù)據(jù)AbstractTechnology of NDCT with flue gas rejec

2、tion is combination of Government's environmental management and power system process progresses. In a view of environment, enormous heat of NDCT and hot air amount promote exhaust gas after desulfrization lifting, better local environmental quality will be assured. In a view of power industry,

3、energy efficiency is improved, discharge the exhaust gas system is very simple, chimney and GGH heat exchanger is decreased, Boiler air-introduced fan and FGD pressurized air fan can be united, expenses of power plant construction is decreased, all of these help the cost of electricity-generating to

4、 reduce. This text has analyzed the technology of NDCT with flue gas rejection from project, introducing the main process characteristic, compiling project data of two German typical power plants. Key word NDCT, Power plant data一、煙塔合一技術(shù)背景國內(nèi)新建火電廠開始大規(guī)模脫硫后，電力行業(yè)面臨脫硫后煙氣熱量低、含濕量大，對電廠內(nèi)部來講脫硫后凈煙道、旁路煙道和煙囪造價大幅度

5、上升，對環(huán)境管理來講脫硫后（低熱、濕）煙氣從煙囪排放環(huán)境審查也非常嚴格，因此脫硫煙氣排放成為電力行業(yè)和環(huán)境管理部門共同關(guān)注的一個問題。煙塔合一技術(shù)是利用冷卻塔巨大熱量和熱空氣量對脫硫后濕煙氣進行抬升，混合氣體抬升高度會遠高于比冷卻塔高幾十米到100米的煙囪，從而促進地方環(huán)境質(zhì)量的提高，同時該技術(shù)提高電力系統(tǒng)能源利用效率，簡化了電廠煙氣系統(tǒng)工藝設(shè)計，同時少量降低了電廠投資。德國從1982年開始建設(shè)煙塔合一的火電廠，現(xiàn)煙塔合一方式運行的電廠有二十多個，難能可貴的是有一批老機組也采用煙塔合一方式進行了改造，近年來新建機組基本都采取煙塔合一方式。華能計劃在北京熱電廠采用煙塔合一方案，2004年6月華能

6、國際電力股份公司與北京市環(huán)保局、西安熱工研究院和華北電廠設(shè)計院的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家一同赴德國考察煙塔合一技術(shù)?？疾靾F實地考察尼德勞森（Niederaussem）和黑泵（Schwarze Pumpe）電廠，與德國GEA公司、德國RWE電力集團公司和奧地利能源與環(huán)境進行了煙塔合一技術(shù)、工程實施方案和環(huán)境管理問題進行了認真考察和討論。 二、煙塔合一技術(shù)德國火電廠煙氣脫硫主要是采用石灰石濕法脫硫技術(shù)，脫硫后的凈煙氣達到煙氣飽和溫度點，一般為45至65攝氏度，若保證環(huán)境質(zhì)量必須對脫硫后煙氣增加抬升高度。電廠只能在采用煙氣加熱方式或者借助冷卻塔熱空氣抬升二種方式中選擇。1977年德國研究技術(shù)部和Saarber

7、gwergwerke AG公司聯(lián)合設(shè)計了Völklingen電廠，該煙塔合一機組與并于1982年8月開始運行，1985年完成一系列測評后。此后煙塔合一技術(shù)在德國開始在新建廣泛采用，同時部分老機組也完成改造工作。目前煙塔合一的技術(shù)主要在德國發(fā)展，新建電廠和老廠加脫硫裝置都使用過這種技術(shù)。德國 德國有煙氣冷卻塔運行的有二十多個電廠，裝機容量超過12,000MW，最大單機容量已超過978MW。德國主要煙塔合一的電廠見下表： 電廠 燃煤 容量Neurath 褐煤 2 X 1100MWNiederaussem 褐煤 總計 3900MWFrimmersdorf 褐煤 總計 2400MWWeisw

8、eiler 褐煤 總計 2300MWBoxberg IV 褐煤 1 X 900MWJänschwalde 褐煤 6 X 500MWSchwarze Pumpe 褐煤 2 X 800MWLippendorf 褐煤 2 X 920MWVölklingen 煙煤 1 X 300MWRostock D 煙煤 1 X 500MWStaudinger 5 煙煤 1 X 510MW德國環(huán)境界認為冷卻塔熱空氣將脫硫后凈煙氣分散排入大氣，其效果比傳統(tǒng)的煙囪排放要好，冷卻塔熱空氣抬升力使脫硫后凈煙氣能順利滲入到逆溫層中。煙塔合一的熱力概念為一臺300MW機組鍋爐煙氣量約為100萬m3/h，煙氣

9、排放120度時其熱量為燃燒總熱量的5，含水量為。脫硫后凈煙氣的濕度(飽和點為45度至60度)大幅度增加、絕對含熱量大幅度降低，僅靠煙氣加熱方法抬升高度難以提高，對污染物濃度擴散的較為不利。而采用煙塔合一方式可以借助汽輪機循環(huán)冷卻水放出的巨大熱量增加脫硫后凈煙氣抬升高度，對于300MW 凝氣機組循環(huán)冷卻水放熱為鍋爐熱量的4045，按照年均濕度計算冷卻塔熱空氣量約為1800萬m3/h，脫硫凈煙氣和冷卻塔熱空氣量之比為1：18，混合后總熱量上升到鍋爐熱量中的50，而且此部分混合氣溫度常年較環(huán)境溫度高15度至20度左右。在風速較小的條件下，脫硫后凈煙氣的抬升高度借助于冷卻塔熱空氣被大幅度提高，遠比冷卻

10、塔高出幾十米的煙囪抬升高度要高，從而將煙氣中剩余的污染物充分擴散。德國SHL公司提供了有關(guān)Völklingen電廠煙塔合一資料：脫硫凈煙氣流量為75.6萬m3/h，燃用煙煤時脫硫凈煙氣溫度為50度，SO2小于400 mg/Nm3，冷卻塔高度100米，冷卻循環(huán)水量1.656萬噸，但環(huán)境溫度為6度時，熱空氣流量為1740萬m3/h。煙塔合一投產(chǎn)后在1984年1112月進行了冬季塔的技術(shù)監(jiān)測和大氣擴散測量，在1985年夏季56月進行了同樣工作。從二架飛機上獲得結(jié)果證實：冷卻塔排放的煙氣比煙囪排放的煙氣更加稠密，上升時間也更長。因而冷卻塔排放煙氣的擴散抬升高度更高，污染比煙囪排放的煙氣要低。

11、冷卻塔可以滲透到非擾動的大氣逆溫層，達到更高位。若氣象條件出現(xiàn)非擾動性因素時，更能展示煙塔合一排放的優(yōu)勢。下表為RWE 電力集團環(huán)保公司提供Völklingen電廠煙塔合一和煙囪煙羽排放的“照相”對比圖。其中煙囪為蘭色，標高為170米，在距離排放點附近抬升很快，之后煙氣中心高度基本停留在450米高度，煙氣輪廓上下較大；但對比粉紅色的冷卻塔，雖然標高僅為100米，由于其總含熱量較大，冷卻塔的（煙塔合一）煙羽在排放原點中等距離處的抬升高度迅速超過煙囪煙氣排放高度，達到600米高度仍然緩慢上升，最后在700高度時升勢趨緩，其煙羽的輪廓較煙氣要小，表明擴散的距離可以更遠。表1：煙塔合一和煙囪

12、抬升對比圖，蘭色為煙囪，粉紅色為煙塔合一，對應(yīng)虛線為輪廓線。三、尼德勞森和黑泵電廠概況1、尼德勞森電廠RWE電力集團位于德國西北部，主要電廠從法蘭克福到魯爾工業(yè)區(qū)一帶，總部在杜伊斯堡。RWE集團為德國第一大電力公司，擁有尼德勞森、諾伊拉特(Neurath)等眾多大型發(fā)電廠，其中脫硫機組總?cè)萘繛?9000MW。RWE電力集團的尼德勞森電廠是一個具有幾十年歷史老廠，位于德國科隆東20公里。老廠已裝有2x150MW、4X300MW、2X600MW等八臺機組，共計2700MW。圖1：尼德勞森電廠全景，圖中新擴建的987MW機組從鍋爐、電除塵、脫硫塔、凈煙道和冷卻塔一線布置。尼德勞森電廠新建煙塔合一機組

13、為987MW燃燒褐煤的超超臨界機組，于2002年11月啟動投運。鍋爐為Alstom-EVT生產(chǎn)的塔型爐，燃燒器八角布置單切圓燃燒，采用低氮燃燒器，沒有建設(shè)脫氮設(shè)備。煙氣分二路分別進入兩套石灰石石膏濕法脫硫塔，脫硫后凈煙氣在脫硫塔頂部直接水平進入冷去塔中心（下傾角為1度）。煙塔合一設(shè)計脫硫后凈煙氣流量2x191萬Nm3/h，對應(yīng)冷卻塔熱空氣量為8208萬Nm3/h。圖2：尼德勞森新建機組2620噸/時塔式爐剖面，該圖表明鍋爐為低氮燃燒器減少氮氧化物措施，在尾部煙道沒有脫氮設(shè)施。電廠其它機組也均進行了煙塔合一改造。改造機組采用煙塔合一后，將舊煙囪進行了部分拆除后將頂部封閉。圖3：尼德勞森電廠原有機

14、組煙塔合一改造后凈煙道走向圖2、黑泵熱電廠概況VEAG電力集團組建于1991年，主要電廠分布在德國東部，其中90年代中期利用煙塔合一技術(shù)新建大型機組的黑泵熱電廠、利朋多夫（2X933MW,Lippendorf）等電廠為世界著名。黑泵熱電廠在柏林東南方向約130公里，該電廠原有一些小型供熱機組，通過將小機組拆除建成2臺大型供熱機組。二臺新機組建成后較原來老廠SO2少排放91%。圖4：黑泵熱電廠模型圖新建機組為2×800MW超臨界發(fā)電機組，凝汽工況電廠發(fā)電效率 41%，供熱時電廠發(fā)電效率可達到 55%。電廠從1993年建設(shè)第一臺機組，1997年3月發(fā)電，第二臺機組1998年投產(chǎn)發(fā)電。電廠

15、鍋爐仍為Alstom-EVT生產(chǎn)的塔型爐，燃燒器采用低氮燃燒器（無論脫氮裝置），鍋爐高160米，鍋爐蒸發(fā)量2420t/h。在電除塵和脫硫裝置間布置給水加熱裝置將煙氣由170降至130后進入分別進入二套脫硫裝置，脫硫后凈煙氣量為2X195萬Nm3/h，從脫硫塔頂部后下彎降低高度后水平進入冷卻塔中心，對應(yīng)冷卻塔熱空氣量為4073萬Nm3/h。圖5：黑泵熱電廠熱力系統(tǒng)圖，圖中清晰顯示出汽輪機出來的蒸汽供工業(yè)用戶，電除塵后余熱換熱器處理的熱水給鍋爐給水、工業(yè)用戶和居民供熱。圖6：黑泵熱電廠鍋爐剖面圖，該圖表明黑泵電廠鍋爐在低溫煙氣段沒有安裝脫氮裝置。三、煙塔合一技術(shù)及電廠實際數(shù)據(jù)1、冷卻塔設(shè)計技術(shù)冷卻

16、塔設(shè)計技術(shù)為煙塔合一技術(shù)核心，基本要求是冷卻塔在保證正常汽輪機循環(huán)冷卻水冷卻都情況下，對排入的脫硫凈煙氣要達到環(huán)保要求正常排放，技術(shù)上為冷卻塔線形及尺寸、冷卻塔強度（開孔技術(shù)）、冷卻塔防腐和汽輪機循環(huán)冷卻水冷卻幾個方面。煙塔合一的主要原則：（1） 最低熱負荷要求：采用脫硫凈煙氣在冷卻塔中心、淋水層上方高速（16 m/s20 m/s）排放，冷卻塔巨大的熱濕空氣對脫硫后凈煙氣形成一個環(huán)狀氣幕，對脫硫凈煙氣形成包裹和抬升。為保證脫硫后凈煙氣正常排放和抬升，煙塔合一的設(shè)計要求是汽輪機冷卻循環(huán)水水量不能小于設(shè)計值的50或者不能低于冷卻塔熱負荷的30。圖7：黑泵熱電廠冷卻塔中心凈煙道出口（2） 冷卻塔防腐

17、和脫硫后凈煙氣排煙溫度限制：冷卻塔內(nèi)部需施以一層基層和二層表層防腐，總厚度不小于150微米；冷卻塔外部需施以一層基層和一層表層防腐，總厚度不小于80微米。理論上將冷卻塔的壽命取決于防腐層厚度，因此需限制高溫煙氣排入。由于煙塔合一技術(shù)已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在德國煙塔設(shè)計公司通過一批項目的實施和長時間的風洞試驗的數(shù)據(jù)積累，已經(jīng)可以根據(jù)中國電廠鍋爐煙氣量、脫硫后凈煙氣品質(zhì)和環(huán)保要求，迅速給出冷卻塔的概念設(shè)計。2、凈煙道設(shè)計技術(shù)初期的煙塔合一是冷卻塔低位開洞和塔內(nèi)煙氣均布方式。近十年來設(shè)計技術(shù)不斷進步，1993年黑泵電廠建設(shè)時已經(jīng)采用冷卻塔中心排煙技術(shù)，設(shè)計脫硫后凈煙氣從中心孔排出時煙氣速度為18m/s，不

18、但減少塔壁腐蝕的可能性，而且有利于脫硫凈煙氣的擴散。1998年建設(shè)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(下傾1度角度)進入冷卻塔中心技術(shù)，減少了凈煙道長度和煙氣系統(tǒng)阻力。圖8：尼德勞森新建機組凈煙道凈煙道水平段設(shè)計有1°的傾斜度是為了疏水，同時排煙裝置一般采用豎直管口向上排放，為保證脫硫凈煙氣垂直向上，原則上設(shè)計豎直向上出口高度為煙道直徑的1.5倍。3、尼德勞森和黑泵熱電廠煙塔合一實際數(shù)據(jù)名稱單位黑泵熱電廠尼德勞森電廠機組發(fā)電能力MW800978鍋爐蒸發(fā)量t/h23202620凝汽器額定背壓及對應(yīng)循環(huán)冷卻水溫度0.0475/0.0355kPa/23.60C/270C0

19、.0291/0.0358kPa/ 23.60C/270C煙塔循環(huán)水熱負荷MW6411060冷卻塔循環(huán)水流量t/h6566491073循環(huán)水熱水溫度26.424.5循環(huán)水冷水溫度18.014.70大氣干球溫度9.29.5大氣濕球溫度7.27.6大氣相對濕度%7677大氣壓力hPa10131013脫硫后凈煙氣溫度6564脫硫后凈煙氣流量萬Nm3/h3902×191（382）當?shù)卣?guī)定SO2排放值mg/m3400400脫硫后凈煙氣SO2保證值mg/m3400200脫硫后凈煙氣SO2實測值mg/m3120冷卻塔熱空氣流量萬立米/小時40738208遠距離測量噪聲最大允許值dBA38(A=6

20、48m,B=478m)37(距冷卻塔520m)冷卻塔底部直徑m104143.45冷卻塔出口直徑m61.1286冷卻塔水池直徑m109141冷卻塔喉部直徑m61.1085.9冷卻塔進風口高度m7.3013冷卻塔高度m141200脫硫后凈煙道直徑m6.57脫硫后凈煙氣排煙方式及煙道距地面高度脫硫塔頂向下彎后水平排入冷卻塔中心/距布水層高度6米脫硫塔頂直接水平排入冷卻塔中心/高度50米四、考察實際煙塔合一實施工藝情況1、煙塔合一冷卻塔技術(shù)塔殼開孔：在冷卻塔上的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)定性很重要的殼體下部就不會產(chǎn)生大的影響。由于開孔而引起的殼體穩(wěn)定性降低，殼體開孔處必須通過

21、邊緣的加強來補償。補償?shù)拇胧┮话銥榧茉O(shè)封閉肋梁，肋梁尺寸和洞口加固鋼筋需通過應(yīng)力計算確定。為防止周圍冷空氣進入塔內(nèi)，煙道穿過殼體部分用PVC材料或帆布包裹密封。圖9：凈煙道穿過冷卻塔塔壁及邊緣封堵冷卻塔的防腐主要有兩種方法：第一是采用防酸水泥，這種方法效果較好，如尼德勞森電廠新建978MW機組冷卻塔就是采用的防酸水泥，運行情況良好。但這種方法價格較高，為保證防酸水泥的足夠固化時間，冷卻塔的建造周期較長。第二是采用防腐涂層，如黑泵電廠冷卻塔就是采用防腐涂層。內(nèi)外壁都必須進行防腐，一般用環(huán)氧樹脂涂層進行防腐處理，內(nèi)壁施3層防腐涂層，厚度150m，外壁施2層防腐涂層，厚度80m。圖10：黑泵熱電廠冷

22、卻塔內(nèi)壁。從1997年運行的冷卻塔內(nèi)表面完好，表明腐蝕輕微且可以采用防腐措施克服。冷卻組件：冷卻水塔填料一般為PVC，現(xiàn)在大機組冷卻塔也采用壓型薄鋼疊片制成的填料，防止腐蝕和堵灰。2、凈煙道技術(shù)：凈煙道材料及安裝：一般選擇玻璃纖維聚脂作為冷卻塔凈化氣管道的材料。由于這種材料的比重低，用這種材料所制造的管道產(chǎn)生的荷載只有類似鋼管的三分之一，因此多數(shù)情況下，用塔支撐構(gòu)件作為凈化煙氣管道的支架；尼德勞森和黑泵電廠凈煙道是采用特殊纏繞法在現(xiàn)場制作的，對于直徑6.5米，壁厚30毫米的管子，一次生產(chǎn)出15米長，每米重約1.5噸，價格約為每米2萬歐元左右。單節(jié)煙道從現(xiàn)場用特殊工具運到冷卻塔，提升到固定結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上一節(jié)一節(jié)推進塔內(nèi)進行安裝，支撐或支吊在塔內(nèi)及塔外支撐架上，最后裝配導(dǎo)軌可拆除。凈煙道支撐結(jié)構(gòu)：凈煙道煙道重量絕對不能作用在冷卻塔壁上，必須由塔外鋼架及塔內(nèi)立柱支撐。對于改造機組，一方面更換輕型結(jié)構(gòu)的填料，另一方面冷卻塔鋼筋混凝土支架基礎(chǔ)用混凝土基座加固，支架頂連在一起，用拉桿和壓桿將其與支撐構(gòu)件的固定點相連，并且塔外設(shè)計有支撐鋼架。圖11：尼德勞森冷卻塔內(nèi)凈煙道支架凈煙道與冷卻塔之間設(shè)置有帆布樣密封，煙道重量不作用在冷卻塔壁上，而是由塔外鋼架及塔內(nèi)立柱支撐。煙道設(shè)計有膨脹節(jié)如圖：圖12：凈煙道膨脹節(jié)及維修平臺五、RWE電力集團擴建諾伊拉特電廠（Neurath