火電廠煙氣經(jīng)除塵

1、1 引言 火電廠煙氣經(jīng)除塵、脫硫后一般對(duì)煙氣經(jīng)過(guò)氣氣換熱系統(tǒng)（GGH）加熱后（由約45加熱到80以上）經(jīng)煙囪排放到大氣中，但也有借助冷卻塔的熱空氣抬升作用經(jīng)冷卻塔排放，即煙塔合一技術(shù)。這種利用冷卻塔熱空氣抬升作用排放煙氣的煙塔合一技術(shù)是上世紀(jì)70年代首先在德國(guó)開始研究并逐步加以利用的，目前已應(yīng)用于1000MW超大容量機(jī)組，且技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域始終處于領(lǐng)先地位1。近年來(lái)煙塔合一技術(shù)在國(guó)內(nèi)電力工程設(shè)計(jì)中已引起廣泛關(guān)注，且已有應(yīng)用，華能北京熱電廠二期即采用該技術(shù)建成并試運(yùn)行，國(guó)內(nèi)還有幾個(gè)電廠擬采用這種方案，但都是煙氣在塔外經(jīng)過(guò)脫硫后通過(guò)水冷塔排放234。本文所研究的煙塔合一技術(shù)是將脫硫裝置和煙囪布置

2、在自然通風(fēng)間接空冷塔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)煙塔脫硫三合一。與濕冷塔相比，自然通風(fēng)間接空冷塔比水冷塔煙塔合一提供了更優(yōu)越的條件（降低成本和維護(hù)費(fèi)用，還降低了地面污染物的濃度）。干冷塔內(nèi)熱的極其干燥的空氣流量代表了一個(gè)巨大的抬升動(dòng)量，其流速大約是煙氣流速的3050倍?？绽涞目諝饬魉俅蠹s是同類機(jī)組水冷塔的3倍。這種自然通風(fēng)冷卻塔的煙塔合一的結(jié)果使得煙氣抬升的更高，更有利于大氣擴(kuò)散?？绽渌熕弦患夹g(shù)是上世紀(jì)90年代在國(guó)外開始應(yīng)用，目前僅在巴西、土耳其、德國(guó)、匈牙利等國(guó)有8個(gè)工程運(yùn)行實(shí)例（其中兩個(gè)采用脫硫塔布置于塔內(nèi)），國(guó)內(nèi)尚無(wú)設(shè)計(jì)運(yùn)行先例。本文以某發(fā)電公司擬建2×300MW空冷供熱機(jī)組為例，研究了將脫硫

3、系統(tǒng)布置在空冷塔內(nèi)煙塔合一方案的煙氣抬升和擴(kuò)散的大氣環(huán)境影響5。2 煙氣抬升與擴(kuò)散模式及參數(shù)我國(guó)現(xiàn)行的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定的煙氣抬升高度和環(huán)境空氣污染物擴(kuò)散模式，是基于采用煙囪排放煙氣這一先決條件6。由于采用煙塔合一技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛剛開始，還沒(méi)有適應(yīng)我國(guó)環(huán)境條件的經(jīng)驗(yàn)公式，煙氣抬升高度和環(huán)境空氣污染物擴(kuò)散模式有待進(jìn)一步研究。本文采用德國(guó)空氣清潔標(biāo)準(zhǔn)法制定的VDI 3784（德國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)，1990）標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算該工程冷卻塔煙團(tuán)抬升高度，并依照德國(guó)2002年空氣清潔標(biāo)準(zhǔn)研制的污染物擴(kuò)散模式計(jì)算冷卻塔排放對(duì)地面造成的濃度。作為對(duì)比，用煙囪排放煙縷抬升的VDI3782標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算210米煙囪抬升高度和對(duì)地面

4、造成的濃度。2.1 冷卻塔排出煙團(tuán)抬升高度的S/P模式S/P模式為三維流體動(dòng)力學(xué)積分模式。其模式方程選用曲線坐標(biāo)形式， 其中S軸與煙氣軸線一致。原始方程經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)化和近似后， 得到質(zhì)量、動(dòng)量、能量、水汽積分形式的守恒方程：質(zhì)量方程： (1)動(dòng)量方程： (2)方程： (3)方程為-和-方向運(yùn)動(dòng)方程的結(jié)合的結(jié)果， 描述了煙氣軌跡與水平面之間的角度變化。包含水汽q和液態(tài)水的總體水量的平衡方程： (4)和熱量平衡方程： (5)其中：為曲線坐標(biāo)(m,m,角度)；為正交坐標(biāo)（m,m,m）；，分別為環(huán)境風(fēng)速，方向風(fēng)速分量，煙氣相對(duì)周圍風(fēng)速的余值，m/s；，分別為環(huán)境溫度和煙氣相對(duì)周圍溫度的余值，K;,分別為

5、周圍空氣密度和煙氣相對(duì)周圍密度的余值，kg/m3；，分別為環(huán)境水汽量和煙氣相對(duì)周圍水汽量的余值，g/kg; 為煙氣相對(duì)周圍大氣水汽總量的余值，g/kg;為煙氣半徑，m； 為煙氣寬度，m；為周圍空氣的混合率， ； 為氣壓函數(shù)的拖曳系數(shù);L為蒸發(fā)比熱。冷卻塔煙氣排放相對(duì)于煙囪排放而言具有顯著的熱含量， ， ，和等物理量描述了冷卻塔排放煙氣的特征。在假定這些量具有相似分布特征條件下，上述方程從0積分到， 得到描述風(fēng)速、溫度、總體水量截面最大值量和變量的微分方程式。在關(guān)系式和的幫助下這些變量從s坐標(biāo)轉(zhuǎn)為x,z坐標(biāo)函數(shù)。2.2 冷卻塔下洗模式修正冷卻塔的下洗狀況取決于煙塔出口處環(huán)境風(fēng)速和煙團(tuán)中心處抬升速

6、度的比值，弗魯?shù)聰?shù)和雷諾數(shù)。此外弗魯?shù)聰?shù)描述了煙團(tuán)抬升的動(dòng)力和熱力作用比；在其它條件不變的情況下熱力作用越大，冷卻塔下洗現(xiàn)象越弱。:冷卻塔出口處煙氣排放速率（m/s）：冷卻塔出口處煙氣和周圍空氣密度差（kg/m3）：冷卻塔出口處周圍空氣密度（kg/m3）：重力加速度（m/s2）：冷卻塔出口處直徑（m）雷諾數(shù)。決定了冷卻塔下洗的范圍。在模式中已考慮了冷卻塔下洗對(duì)煙團(tuán)抬升的影響，通過(guò)修正拖曳系數(shù)，也就是給拖曳系數(shù)增加一個(gè)由下洗（或傾斜作用）所造成的的增值來(lái)實(shí)現(xiàn)。其增值為 當(dāng)Re 2×105 當(dāng)Re 2×105由于德國(guó)模式在計(jì)算年均地面附加濃度時(shí)每小時(shí)都采用了上述修正，故可以理解

7、為煙氣通過(guò)冷卻塔排放煙團(tuán)的的傾斜是隨時(shí)存在的，煙塔出口處環(huán)境風(fēng)速和煙團(tuán)中心處抬升速度的比值越大，煙團(tuán)傾斜越明顯。當(dāng)煙塔出口處環(huán)境風(fēng)速和煙團(tuán)中心處抬升速度的比值趨于零時(shí)，煙團(tuán)幾乎垂直上升。反之，冷卻塔出口處環(huán)境風(fēng)速和煙團(tuán)中心處抬升速度的比值越大，就越有可能出現(xiàn)下洗。2.3 污染物擴(kuò)散模式(VDI 3945)污染物擴(kuò)散采用依照德國(guó)2002年空氣清潔標(biāo)準(zhǔn)研制的污染物擴(kuò)散模式（VDI 3945 第三部分），其算法采用拉格朗日方法，通過(guò)計(jì)算污染物噴煙團(tuán)的路徑和空間分布來(lái)確定污染物的濃度。該模式煙團(tuán)的輸送和擴(kuò)散由隨機(jī)過(guò)程來(lái)確定。 煙團(tuán)位置移動(dòng)和湍流變化形式為： (1) (2)式中，為時(shí)間時(shí)刻的值；為時(shí)間時(shí)

8、刻的值；為平均風(fēng)速；為湍流風(fēng)速；為附加風(fēng)速，像煙氣熱力作用的抬升，沉降等；為速度增值；為馬爾可夫過(guò)程因子。質(zhì)量變化公式： (3)式中， 為物質(zhì)被一個(gè)顆粒輸送掉的量。轉(zhuǎn)換矩陣系數(shù)跟時(shí)間無(wú)關(guān)， 并滿足。物質(zhì)在空間，時(shí)間段的時(shí)間空間平均濃度 (4)其中當(dāng)顆粒在空間時(shí)函數(shù)， 否則為零。2.4 模式計(jì)算參數(shù) 表13分別給出了脫硫后煙氣和冷卻塔及排放參數(shù)。表1 鍋爐排放煙氣參數(shù)項(xiàng)目煙塔高度(m)出口內(nèi)徑(m)實(shí)際煙氣量 (m3/s)脫硫塔出口煙氣溫度()SO2排放源強(qiáng)（g/s）本工程14578916.8945172.2表2空冷塔結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)方式海勒式間接空冷散熱面積m21600000型式兩臺(tái)機(jī)組共

9、用一座空冷塔，將脫硫塔和煙囪布置在空冷塔內(nèi)空冷塔高度m145進(jìn)風(fēng)口高m24零米處塔筒直徑m141出口處塔筒直徑m78表3 空冷塔排放參數(shù)出口處混合氣體流速出口處混合氣體溫度環(huán)境溫度備注冬季5.6 m/s25-3.61月份平均氣溫夏季7.1 m/s4723.47月份平均氣溫3 空冷塔煙塔合一環(huán)境影響結(jié)果分析利用德國(guó)S/P煙氣抬升模式和擴(kuò)散模式，用上述參數(shù)計(jì)算了某電廠2×300MW空冷供熱機(jī)組在不同穩(wěn)定度和附屬條件下冷卻塔排放煙氣抬升高度和采用通過(guò)煙囪排放計(jì)算的抬升高度的比較。3.1 不同大氣狀況下冷卻塔煙氣的抬升高度圖1給出電廠采用煙塔合一技術(shù)煙氣在不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定大氣狀況下不同風(fēng)速

10、冷卻塔煙團(tuán)的抬升高度。在不穩(wěn)定大氣狀況下，煙氣在小風(fēng)時(shí)可迅速抬升至1100米；在中性情況下小風(fēng)時(shí)煙團(tuán)最大抬升可達(dá)800m左右，當(dāng)風(fēng)速為1.5m/s時(shí)，煙團(tuán)抬升高度為500m，風(fēng)速?gòu)?m/s增加到8.5m/s時(shí)，煙團(tuán)抬升高度在從380減為166m；在穩(wěn)定大氣狀況下煙氣最大抬升高度為320m，當(dāng)風(fēng)速大于1.5m/s時(shí)，煙團(tuán)高度抬升低于185m。從以上結(jié)果可以看出，煙氣抬升高度與穩(wěn)定度和風(fēng)速有關(guān)，大氣在不穩(wěn)定狀況下煙氣抬升高度要高于穩(wěn)定狀況，在小風(fēng)天氣條件煙氣抬升高度要高于大風(fēng)天氣。圖1不同穩(wěn)定度下的煙塔合一煙氣抬升高度3.2 煙塔合一和煙囪排放煙氣抬升高度對(duì)比圖2給出不同天氣條件下煙塔合一和煙囪排

11、放煙氣抬升高度對(duì)比。大氣在不穩(wěn)定狀態(tài)下，風(fēng)速為0.5m/s時(shí)煙氣通過(guò)冷卻塔排放可抬升到1100m，而通過(guò)煙囪排放則只能達(dá)到900m，當(dāng)風(fēng)速為3m/s時(shí)，煙氣通過(guò)冷卻塔排放可抬升到1000m，通過(guò)煙囪排放則只達(dá)到270m；在大氣中性狀態(tài)下，在小風(fēng)狀態(tài)下（0.5m/s）冷卻塔抬升可達(dá)800m，煙囪抬升高度為600m，當(dāng)風(fēng)速大于3m/s后煙氣通過(guò)冷卻塔排放抬升高度為230380m；通過(guò)煙囪排放抬升高度在70-140m；在穩(wěn)定狀態(tài)下煙氣通過(guò)冷卻塔排放和通過(guò)煙囪排放抬升高度區(qū)別不大。不穩(wěn)定（L-冷卻塔，Y-煙囪）中性（L-冷卻塔，Y-煙囪）穩(wěn)定（L-冷卻塔，Y-煙囪）圖2不同天氣條件下煙塔合一和煙囪排放

12、煙氣抬升高度對(duì)比3.3 煙塔合一和煙囪排放煙氣地面濃度對(duì)比本文收集了當(dāng)?shù)匾荒甑臍庀筚Y料計(jì)算了采用煙塔合一技術(shù)和通過(guò)煙囪排放SO2的小時(shí)、日均和年均最大地面濃度值，表4給出了計(jì)算結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果可以看出，通過(guò)141m空冷塔排放的SO2地面濃度小于通過(guò)210m煙囪排放的地面濃度，約為煙囪排放所致地面濃度的1/3。表4煙塔合一和煙囪排放煙氣地面濃度對(duì)比(g/m3)項(xiàng)目141m冷卻塔210m煙筒SO2年最大值0.652.14天最大值12.9635.55小時(shí)最大值34.53110.35圖3煙塔合一和煙囪排放煙氣抬升高度比較圖4煙塔合一和煙囪排放SO2下風(fēng)向地面濃度比較德國(guó)EGI公司也給出空冷塔和煙囪排煙

13、方案的計(jì)算結(jié)果曲線，見圖3、圖4。計(jì)算時(shí)煙囪按240m排放高度考慮，采用煙塔合一技術(shù)時(shí)，煙氣抬升高度明顯高于煙囪排煙方案，污染物地面濃度明顯較低。計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)和規(guī)律與本案例計(jì)算結(jié)果基本相同。4 討論（1）通過(guò)濕冷塔排放的煙塔合一技術(shù)在國(guó)外已成功應(yīng)用二十多年，將脫硫塔布置到空冷塔內(nèi)的煙塔合一技術(shù)應(yīng)用近年在國(guó)外有部分機(jī)組投運(yùn)，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)設(shè)計(jì)運(yùn)行先例，但技術(shù)上是可行的。（2）通過(guò)計(jì)算比較，煙塔合一技術(shù)有利于煙氣的抬升、稀釋和擴(kuò)散，對(duì)環(huán)境的影響明顯小于煙囪排放產(chǎn)生的影響。但由于我國(guó)現(xiàn)行的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定的煙氣抬升和環(huán)境空氣污染物擴(kuò)散模式基于煙囪排放，還沒(méi)有相應(yīng)的適合我國(guó)環(huán)境條件的經(jīng)驗(yàn)公式，煙氣抬升和環(huán)境空氣污染擴(kuò)散模式有待進(jìn)一步研究。也會(huì)帶來(lái)環(huán)境評(píng)價(jià)和審批時(shí)