收稿日期:2004-09-25作者简介:林勇(1961-),男,广东中山人,高级工程师.烟塔合一技术特点和工程数据林󰀁勇(华能国际电力股份有限公司,北京󰀁100031)摘要:剖析了德国烟塔合一技术特点和工程数据。烟塔合一技术可以提高能源效率,简化烟气系统设计,减少烟囱和GGH换热器,可以合并锅炉引风机和脱硫增压风机,降低电厂建设费用,有利于降低发电成本。更为重要的是,烟塔合一技术可提高脱硫后净烟气的抬升高度,有利于降低污染。关键词:烟塔合一;湿法脱硫;抬升高度;冷却塔;净烟道中图分类号:X169󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1001-6929(2005)01-0035-05󰀁󰀁国内新建火电厂开始大规模脱硫后,广泛采用了湿法脱硫技术。电力行业面临如何处理脱硫后烟气热量低、含湿量大的技术问题。对电厂内部来讲,脱硫后净烟道、旁路烟道和烟囱造价大幅度上升;对环境管理来讲,脱硫后(低热、湿)烟气从烟囱排放污染特点如何,国内经验还不多。因此脱硫烟气排放成为电力行业和环境管理部门共同关注的一个问题。烟塔合一技术是利用冷却塔巨大热量和热空气量对脱硫后湿烟气进行抬升,在大多数情况下,其混合气体的抬升高度远高于比冷却塔高几十~100m的烟囱,从而促进烟气内污染物的扩散。同时,该技术可提高电力系统能源利用效率,简化电厂烟气系统的工艺设计,在一定程度上降低电厂投资。德国从1982年开始建设烟塔合一的火电厂,现已运行的电厂有20多座,并对一批老机组也进行了改造,近年来新建机组基本都采用了烟塔合一方式。华能集团公司计划在北京热电厂脱硫改造后采用烟塔合一方案,并已对德国尼德劳森(Niederaussem)和黑泵(SchwarzePumpe)电厂进行了考察。1󰀁烟塔合一技术德国火电厂烟气脱硫主要采用石灰石湿法脱硫技术,脱硫后的净烟气达到烟气饱和温度点,一般为45~65󰀁。为增加脱硫后烟气抬升高度,电厂只能在采用对烟气再加热方式从烟囱排放和借助冷却塔热空气抬升烟气从冷却塔排放2种方式中选择。1977年德国研究技术部和SaarbergwergwerkeAG公司联合设计了V󰀁lklingen电厂,该厂烟塔合一机组于1982年8月开始运行,1985年完成一系列测评。自此烟塔合一技术在德国新建厂广泛采用,同时部分老机组也完成改造工作。目前采用烟塔合一技术运行的20多座电厂,装机总容量超过12000MW,最大单机容量已达到978MW。德国主要采用烟塔合一技术的电厂见表1。表1󰀁德国主要烟塔合一电厂[1]Table1󰀁ThepowerplantnamelistofNDCTwithfluegasrejectioninGerman电厂燃煤种类机组数󰀁台单机容量󰀁MW总容量󰀁MWNeurath褐煤211002200Niederaussem褐煤3900Frimmersdorf褐煤2400Weisweiler褐煤2300Boxberg󰀁褐煤1900900J󰀁nschwalde褐煤65003000SchwarzePumpe褐煤28001600Lippendorf褐煤29201840V󰀁lklingen烟煤1300300RostockD烟煤1500500Staudinger5烟煤1510510󰀁󰀁德国环境界认为,由于冷却塔热空气的作用将脱硫后净烟气抬升排入大气,其抬升效果比传统的烟囱排放要好。一台300MW机组锅炉排放的烟气量约为100万m3󰀁h,烟气排放温度120󰀁时其热量为燃烧总热量的5%,含水量为8%。而脱硫后净烟气的湿度(饱和点为45~65󰀁)大幅度增加,即使将烟气加热到80󰀁,实际排放温度仅在72󰀁左右,绝对含热量大幅度降低,靠对烟气加热其抬升高度也难以提高。而采用烟塔合一方式可以借助汽轮机循环冷却水放出的巨大热量增加脱硫后净烟气抬升高度,对于300MW凝气机组循环冷却水放热为锅炉热量的40%~45%,按照年均气象条件估算冷却塔热空气量约为1800万m3󰀁h,脱硫净烟气和冷却塔热空气量之比为1󰀁18,二者混合后总热量上升到锅炉热量的50%,而且混合气温度常年较环境温度高12~18󰀁左右。在风速较小的条件下,脱硫后净烟气的抬升高度借助于冷却塔热空气作用被大幅度提高,从而有利于降低烟气中剩余污染物的地面浓度。󰀁第18卷󰀁第1期环󰀁境󰀁科󰀁学󰀁研󰀁究ResearchofEnvironmentalSciences󰀁󰀁Vol.18,No.1,2005图1为RWE电力集团环保公司提供的V󰀁lklingen电厂烟塔合一和烟囱排放烟羽的󰀁照相󰀁对比图。其中烟囱标高为170m,在距离排放点附近抬升很快,之后烟气中心高度基本停留在450m,烟羽轮廓上下宽度较大;虽然烟塔合一冷却塔标高仅为100m,由于其总含热量较大,冷却塔烟羽在排放原点中等距离处的抬升高度迅速超过烟囱烟气抬升高度,达到600m仍然缓慢上升,最后在700m时升势趋缓,其烟羽的轮廓较烟气要窄,扩散的距离更远。

图1󰀁烟塔合一和烟囱排放烟羽抬升对比Fig.1󰀁Thegasoutletdischargebetweennaturalbraftcooltowerandchimney󰀁󰀁德国SHL公司提供了有关V󰀁lklingen电厂烟塔合一资料:脱硫净烟气流量为75󰀁6万m3󰀁h,燃用烟煤时脱硫净烟气温度为50󰀁,排放的SO2小于400mg󰀁m3,冷却塔高度100m,冷却循环水量1󰀁656万t󰀁h,但环境温度为6󰀁时,热空气流量为1740万m3󰀁h。烟塔合一投产后在1984年11󰀁12月进行了冬季塔的技术监测和大气扩散测量,在1985年5󰀁6月进行了同样工作。从2架飞机上观测到冷却塔排放的烟气比烟囱排放的烟气更加稠密,上升时间也更长。因而冷却塔排放烟气的扩散抬升高度更高,其污染比烟囱排放的烟气要小。2󰀁尼德劳森和黑泵电厂烟塔合一技术概况2.1󰀁尼德劳森电厂RWE电力集团的尼德劳森电厂是一个具有几十年历史的老厂,位于德国科隆市西30km。新扩建之前电厂已装有2󰀁150MW,4󰀁300MW,2󰀁600MW等8台机组,共计2700MW。尼德劳森电厂新建烟塔合一机组为978MW燃烧褐煤的超临界机组,于2002年11月启动运行。锅炉为Alstom-EVT生产的塔型炉,燃烧器八角布置单切圆燃烧,采用低氮燃烧器,没有建设脱氮设备。烟气分二路分别进入2套石灰石石膏湿法脱硫塔,脱硫后净烟气在脱硫塔顶部直接水平进入冷却塔中心(下倾角为1󰀁)。烟塔合一设计脱硫后净烟气流量2󰀁191万m3󰀁h,对应冷却塔热空气量为8208万m3󰀁h。尼德劳森电厂全景见图2。图中新扩建的978MW机组从锅炉、脱硫塔、净烟道和冷却塔一线布置图2󰀁尼德劳森电厂全景Fig.2󰀁ThepanoramapictureofNiederaussemPowerPlant󰀁󰀁电厂其他机组也均进行了烟塔合一改造。改造机组采用烟塔合一后,对旧烟囱进行了部分拆除后将顶部封闭,见图3。

图3󰀁尼德劳森电厂原有机组烟塔合一改造后净烟道走向Fig.3󰀁ThecleangasductstendtowardsinoriginunitsofNiederaussemPowerPlant2.2󰀁黑泵热电厂黑泵热电厂在柏林东南方向约130km处,该电厂原有一些小型供热机组,通过将小机组拆除建成2台发电能力为800MW的大型供热机组。2台新机组建成后较原来老厂少排放91%的SO2。新建机组为2󰀁800MW超临界发电机组,凝汽工况电厂发电效率41%,供热时电厂发电效率可达到55%。电厂从1993年建设第1台机组,1997年3月发电,第2台机组于1998年投产发电。电厂锅炉仍为Alstom-EVT生产的塔型炉,燃烧器采用低氮燃烧器(无脱氮装置),锅炉高160m,锅炉蒸发量2420t󰀁h。在电除尘和脱硫装置中间布置给水加热装置将烟气由170󰀁降至130󰀁后分别进入2套脱硫装置,脱硫后净烟气量为2󰀁195万m3󰀁h,从脱硫塔顶部下弯降低高度后水平进入冷却塔中心,对应冷却塔热空气量为4073万m3󰀁h,见图4。36环󰀁境󰀁科󰀁学󰀁研󰀁究第18卷

图4󰀁黑泵热电厂模型Fig.4󰀁ThemodelofSchwarzePumpePowerPlant3󰀁烟塔合一技术特点及电厂实际数据3󰀁1󰀁冷却塔设计技术冷却塔设计技术为烟塔合一技术核心,基本要求是冷却塔在保证正常汽轮机循环冷却水冷却的情况下,使排入的脱硫净烟气达到环保要求正常排放,其关键技术为冷却塔线形及尺寸、冷却塔强度(开孔技术)、冷却塔防腐和汽轮机循环冷却水冷却几个方面。设计的主要原则:a.最低热负荷要求:采用脱硫净烟气在冷却塔中心、淋水层上方高速(16~20m󰀁s)排放,冷却塔巨大的热湿空气对脱硫后净烟气形成一个环状气幕,对脱硫净烟气形成包裹和抬升。为保证脱硫后净烟气正常排放和抬升,烟塔合一的设计要求为汽轮机冷却循环水水量不能小于设计值的50%或者不能低于冷却塔热负荷的30%。b.冷却塔防腐和脱硫后净烟气排烟温度限制:冷却塔内部需施以一层基层和二层表层防腐,总厚度不小于150󰀁m;冷却塔外部需施以一层基层和一层表层防腐,总厚度不小于80󰀁m。理论上讲冷却塔的寿命取决于防腐层厚度,因此需限制高温烟气排入。由于烟塔合一技术已经比较成熟,现在德国烟塔设计公司通过一批项目的实施和长时间风洞试验的数据积累,已经可以根据中国电厂锅炉烟气量、脱硫后净烟气品质和环保要求,迅速给出冷却塔的概念设计。3.2󰀁净烟道设计技术初期的烟塔合一是冷却塔低位开洞和塔内烟气均布方式。近10年来设计技术不断进步,1993年黑泵电厂建设时已经采用冷却塔中心排烟技术,设计脱硫后净烟气从中心孔排出时烟气速度为18m󰀁s,不但减少塔壁腐蚀的可能性,而且有利于脱硫净烟气的扩散。1998年建设尼德劳森电厂新机组时净烟道采用从脱硫塔顶高度直接水平(下倾1󰀁)进入冷却塔中心技术,减少了净烟道长度和烟气系统阻力,见图5,6。图5󰀁黑泵热电厂冷却塔中心净烟道出口Fig.5󰀁TheoutletofcleangasductinnaturaldraftcooltowerinSchwarzePumpePowerPlant

图6󰀁尼德劳森电厂新建机组净烟道Fig.6󰀁ThecleangasductinnewunitinNiederaussemPowerPlant󰀁󰀁净烟道水平段设计有1󰀁的倾斜度是为了疏水,同时排烟装置一般采用竖直管口向上排放,为保证脱硫净烟气垂直向上,原则上设计竖直向上出口高度为烟道直径的1󰀁5倍。3󰀁3󰀁德国典型电厂烟塔合一实际数据尼德劳森和黑泵热电厂烟塔合一的实际工程数据如表2所示。3󰀁4󰀁烟塔合一实施工艺3󰀁4󰀁1󰀁烟塔合一冷却塔技术工艺塔壳开孔:冷却塔上的开孔一般在淋水层除水器的上方,此处壳体较薄,这样对稳定性很重要的壳体下部就不会产生大的影响。由于开孔会引起壳体稳定性降低,壳体开孔处必须通过边缘的加强来补偿。补偿的措施一般为架设封闭肋梁,肋梁尺寸和洞口加固钢筋需通过应力计算确定。为防止周围冷空气进入塔37第1期林󰀁勇:烟塔合一技术特点和工程数据内,烟道穿过壳体部分用PVC材料或帆布包裹密封,见图7。冷却塔的防腐主要有2种方法:󰀁采用防酸水泥,如尼德劳森电厂新建978MW机组冷却塔,这种方法效果较好,但价格较高,为保证防酸水泥的足够固化时间,冷却塔的建造周期较长。󰀁采用防腐涂层,如黑泵电厂冷却塔,这种方法内外壁都必须进行防腐,一般用环氧树脂涂层进行防腐处理,内壁施3层防腐涂层,厚度150󰀁m,外壁施2层防腐涂层,厚度80󰀁m。进入待运行黑泵热电厂冷却塔内部,观察到从1997年运行的冷却塔内壁表面完好,表明完全可以采用防腐措施克服腐蚀难题。冷却组件:冷却水塔填料一般为PVC,现在大机组冷却塔也有采用压型薄钢叠片制成的填料,防止腐蚀󰀁󰀁󰀁表2󰀁尼德劳森和黑泵热电厂烟塔合一实际数据Table2󰀁TheacturedataofNiederaussemandSchwarzePumpePowerPlant名称黑泵热电厂尼德劳森电厂机组发电能力󰀁MW800978锅炉蒸发量󰀁(t󰀁h-1)23202620凝汽器额定背压󰀁kPa0󰀁0475󰀁0.03550.0291󰀁0.0358对应循环冷却水温度󰀁󰀁23.6󰀁2723.6󰀁27烟塔循环水热负荷󰀁MW6411060冷却塔循环水流量󰀁(t󰀁h-1)6566491073循环水热水温度󰀁󰀁26.424.5循环水冷水温度󰀁󰀁18.014.70大气干球温度󰀁󰀁9.29.5大气湿球温度󰀁󰀁7.27.6大气相对湿度󰀁%7677大气压力󰀁hPa10131013脱硫后净烟气温度󰀁󰀁6564脱硫后净烟气流量󰀁(万m3󰀁h-1)3902󰀁191(382)当地政府规定SO2排放值󰀁(mg󰀁m-3)400400脱硫后净烟气SO2保证值󰀁(mg󰀁m-3)400200脱硫后净烟气SO2实测值󰀁(mg󰀁m-3)120冷却塔热空气流量󰀁(万m3󰀁h-1)40738208远距离测量噪声最大允许值󰀁dB38(A=648m,B=478m)37(距冷却塔520m)冷却塔底部直径󰀁m104143󰀁45冷却塔出口直径󰀁m61󰀁1286冷却塔水池直径󰀁m109141冷却塔喉部直径󰀁m61󰀁1085󰀁9冷却塔进风口高度󰀁m7󰀁3013冷却塔高度󰀁m141200脱硫后净烟道直径󰀁m6󰀁57脱硫后净烟气排烟方式脱硫塔顶向下弯后水平排入冷却塔中心脱硫塔顶直接水平排入冷却塔中心烟道距地面高度󰀁m6(距布水层高层)50󰀁󰀁注:数据由尼德劳森和黑泵热电厂提供。图7󰀁净烟道穿过冷却塔塔壁及边缘封堵Fig.7󰀁Thecleangasductgoesthroughthewallofcooltowerandenvelopsedge和堵灰。3󰀁4󰀁2󰀁净烟道工艺󰀁󰀁净烟道材料及安装:一般选择玻璃纤维聚脂作为冷却塔净化气管道的材料。由于这种材料的比重低,用这种材料制造的管道产生的荷载只有钢管的1󰀁3,因此多数情况下,用塔支撑构件作为净化烟气管道的支架;尼德劳森和黑泵电厂净烟道是采用特殊缠绕法在现场制作的,对于直径6󰀁5m,壁厚30mm的管子,一次生产出15m长,重约1󰀁5t󰀁m,价格在德国约为2万欧元󰀁m左右。单节烟道从现场用特殊工具运到冷却塔,提升到固定结构的导轨上一节一节推进塔内进行安装,支撑或支吊在塔内及塔外支撑架上,最后装配导轨可拆除。净烟道支撑结构:净烟道重量不能作用在冷却塔壁上,必须由塔外钢架及塔内立柱支撑。对于改造机组,一方面更换轻型结构的填料,另一方面冷却塔钢筋混凝土支架基础用混凝土基座加固,支架顶连在一起,用拉杆和压杆将其与支撑构件的固定点相连,并且塔外设计有支撑钢架,见图8。󰀁󰀁净烟道与冷却塔之间设置有帆布样密封,烟道重量不作用在冷却塔壁上,而是由塔外钢架及塔内立柱支撑。烟道设计有膨胀节,如图9。38环󰀁境󰀁科󰀁学󰀁研󰀁究第18卷