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“烟塔合一”技术的推广应用研究

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一、引言
“烟塔合一”是指将燃煤电厂烟囱和冷却塔合二为一,取消烟囱,对冷却塔进行优化,利用冷却塔巨大的热量和热空气流对脱硫后的净烟气形成包裹和抬升,促进烟气污染物的扩散。
“烟塔合一”技术起源于德国,并在德国得到推广应用,目前,已改建和新建了近30座采用冷却塔排烟技术的项目,单机容量最大达到1100MW。2005年起,国内的华能、国电、国华等电力集团,相继建设了一批“烟塔合一”项目,其中华能北京热电厂“烟塔合一”项目于2006年12月投入运行,成为我国乃至亚洲首个可以取消烟囱的电厂。其他的项目包括华电军粮城电厂、大唐哈尔滨第一热电厂、国电天津东北郊电厂、国华三河电厂、大唐锦州电厂、中电投甘井子电厂等。
二、烟塔合一的关键技术
冷却塔设计技术为“烟塔合一”的技术核心,其关键技术为冷却塔塔形和尺寸、冷却塔强度(开孔技术)、冷却塔防腐和净烟道设计技术。
1.冷却塔塔形和尺寸
脱硫后净烟气温度约50℃左右,高于塔内湿空气温度,因此,在冷却塔设计中,需要使用计算流体动力学(CFD)分析冷却塔的流场、温度场和压力场,设计优化冷却塔的塔形和尺寸,确保脱硫后烟气与冷却塔湿蒸汽及抽吸空气的充分混合,并顺利从双曲线自然通风冷却塔排放。
2.冷却塔开孔技术
净烟气经开孔处进入冷却塔时,冷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就不会产生大的影响。在冷却塔上开孔会引起壳体稳定性降低,孔的周围要通过加强来补偿。但是塔壳开口的不对称性还是会导致塔壳弯曲,因此,必须对其进行数模计算。
3.冷却塔防腐技术
湿法脱硫后的净烟气仍含有一定量的SO2、SO3、NOx、HF、HCl等有害气体,含有有害气体的净烟气会在冷却塔塔壁上凝聚,对冷却塔内壁产生强烈的酸腐蚀。此外,当空气风速很大时,烟塔出口的烟气会发生烟气下洗,对冷却塔外壁产生一定的腐蚀,所以如何对冷却塔的内外壁和内部件进行防腐是烟塔技术应用中需要重点考虑的问题。目前国内烟塔工程防腐均采用涂层防腐技术,防腐材料均为国外进口配方,主要厂商包括德国的MC、挪威的佐敦、德国的固斯特和葡萄牙优龙等。
4.净烟道设计技术
早期烟塔合一的冷却塔采用低位开洞和塔内烟气均布方式,而黑泵电厂建设时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,这种设计方式不但减少了冷却塔塔壁腐蚀的可能性,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进入冷却塔中心技术,减少了净烟道长度和烟气系统阻力[3]。
    国外新建采用冷却塔排烟电厂,如SchwarzePumpe(2×800MW)、BoxbergⅣ(1×900MW)、Lippendort(2×900MW)等工程吸收塔出口至冷却塔均采用玻璃钢烟道,国内目前所有的烟塔合一项目也全部采用玻璃钢烟道。玻璃钢烟道除初投资略高于碳钢烟道外,耐化学腐蚀、比重轻、导热率低、在较高温度下有较好的力学性能等方面更具优势。
三、烟塔合一存在的问题及解决措施
通过调研发现,目前“烟塔合一”运行时存在的最大问题是烟塔内壁的腐蚀,此外还有循环水水质污染、冬季主机低负荷运行时烟塔的运行问题。
1.防腐方面
    调研发现,各种防腐材料,实际效果差别明显。华能北京热电厂防腐材料采用的是德国MC的产品,烟塔运行五年,防腐情况良好;华电军粮城防腐材料也是德国MC的产品,运行半年的情况显示,防腐性能良好;大唐某电厂烟塔防腐材料采用的是德国固斯特的产品,运行一年后冷却塔内壁出现不同程度的涂层脱落、空鼓、混凝土剥离、裂纹等缺陷;国华某电厂采用的防腐材料是挪威佐敦公司的产品,烟塔的内壁也已经出现严重腐蚀,部分内壁材料脱落;此外,国电东北郊电厂采用的是国产涂料,烟塔也出现了腐蚀问题。
    除了防腐材料外,防腐施工也是冷却塔防腐效果的关键,目前国外的防腐材料厂商都指定国内施工方进行防腐施工,要求空气/塔壁温度为10℃~30℃,相对湿度小于85%。此外,我国电厂排放烟气中SO2和NOx浓度更高,冷凝液腐蚀性强也是造成我国烟塔防腐层更易破坏的原因之一。
2.循环冷却水方面
    烟气冷却塔排放对循环水的水量和水温影响都非常小,可以忽略不计。但烟气中的可溶性气体和固体颗粒也会随之进入循环水系统,会造成循环水杂质和盐类浓度的增加,如不采取措施,将导致循环水质的持续恶化。
为防止循环水系统的结垢和对冷凝器管的腐蚀,循环水的pH值需要控制在8.0~8.3左右。向循环水中添加阻垢剂、防腐剂和水稳剂等,同时通过增大排污水量和补水量来保持盐类浓度和pH值,但这种方法不仅受水源来水量的限制,严重浪费水资源,而且调节缓慢被动。另一种方法就是对循环水进行除盐处理和pH值调节。
3.冬季运行
    国内采用烟塔合一技术的电厂大部分位于北方地区。对于寒冷地区,为保证脱硫后净烟气正常排放和抬升扩散,冷却塔循环水量不能小于设计值的50%或者热负荷不能低于设计值的30%。
    大唐哈尔滨第一热电厂和国华三河电厂的2×300MW机组的烟塔项目中,设置2套脱硫装置和2座冷却塔。在非采暖期,每台机组的烟气及循环水采用单元制运行,各进1座塔;在采暖期,采用两机一塔的运行方式,即2台机组烟气、循环水进1座塔运行。通过这样的技术方案,可以增加冷却塔的外排热量,提高冷却塔的通风量和出塔速度,从而提高塔内烟气的抬升高度和扩散效果,保证烟塔排放烟气抬升高度不受影响。
冬季运行期间,北方电厂烟塔进风口均有不同程度的结冰,为了解决这个问题,可以采取以下措施:一是分区运行,即将烟塔中分成几个面积相等的区,当温度降低时,塔中心的部分淋水区将被关闭;二是在塔底设一圈防冻管,当环境温度较低时,开启化冰管,减少进塔冷空气量;三是设旁路管,当淋水面积的50%被关闭时,旁路开始运行;四是塔内设温度测点,随时监控运行温度。
4.夏季运行
    夏季运行时需要考虑烟气能否顺利排出,当夏季环境温度达到40℃以上,而机组负荷由于电网原因处于低负荷运行,吸收塔排出的烟气温度可能下降到40℃,烟气是否能够顺利排出就处于一个临界状态,这时一般的解决办法是关掉一层喷淋层来提高烟温。
5.烟道材料的选择及其运行安全性
    采用冷却塔排放烟气时,塔内外烟道可采用玻璃钢材料现场制作。这种材料本身具有自重轻、抗腐蚀等特点,不需采用额外的防腐措施,在德国价格便宜,易于实现,所以烟塔合一技术在得到较为迅速的推广。而在国内价格昂贵,烟道材料价格是制约烟塔合一推广的重要瓶颈之一。
    玻璃钢烟道设计温度为50℃~70℃,短时最高为80℃,一旦发生烟气超温或者脱硫装置旁路运行时,会造成玻璃钢烟道软化,所以必须采取相应的措施。在华能北京热电厂中FGD脱硫塔前设立了降温热回收系统,在玻璃钢烟道前设立了事故喷淋装置,大唐哈尔滨一热脱硫塔前设立了事故喷淋系统,保护玻璃钢净烟道;华电军粮城没有这一类的装置,对控制系统的可靠性提出更高的要求,一旦发生FGD故障或者超温时必须要及时停炉。
四、经济性分析
    采用烟囱排放烟气,除了烟囱的基建投资外,还有烟气换热器、钢结构、基础和烟道的投资及烟气换热器的运行、保养费用。利用冷却塔排放烟气时不需要这些投资和费用,但须增加排烟烟道、冷却塔防腐、塔体开洞等费用。
    国内某设计院对2×300MW机组的冷却塔排烟与带GGH常规烟囱排烟两方案造价的经济进行了比较,结果显示“烟塔合一”的烟气排放技术较传统的带GGH的烟囱排放技术价格优势明显。此外“烟塔合一”技术的运行费用将大大降低,主要表现为节省系统阻力降低带来的风机电耗,以及烟塔排烟无需维护GGH的费用,同时水耗也将进一步降低,每年可节省运行费用400多万元,烟塔合一的经济性优势将更为明显。
目前新建电厂大部分取消GGH,虽然需要对烟囱进行防腐,但投资成本相对于原来有GGH的装置价格仍会有所下降。由于“烟塔合一”中玻璃钢烟道和防腐材料价格昂贵,烟塔合一技术与无GGH的烟囱排放技术相比价格优势不明显。
五、推广应用的必要条件
    目前,“烟塔合一”技术在我国的应用刚刚起步,采用烟塔合一技术可以不设烟囱及GGH等设备,使系统简化。从目前国内电厂的调研结果来看,“烟塔合一”技术仍需要不断积累运行经验,在新建项目中需要从实际情况出发,慎重考虑此技术的推广应用。“烟塔合一”技术对电厂设计和运行水平要求较高,有条件的电厂可根据自身的实际情况参照下列条件进行改造。
    2009年12月,环保部门召开了“火电项目烟塔合一方案环境影响研讨会”,明确指出:烟塔合一排烟方案在我国的适用区域或情况主要包括北方干燥、半干燥地区有建筑物限高的区域以及景观环境有特殊要求的地区,且采用烟塔合一排烟方案时,其污染物治理应采用国内最先进的大气污染控制技术和最好的环境管理水平;机场限高或环保部门允许的地区,特别适合于北方气候干燥地区,也适用于通过烟塔的设计能克服的湿度较高的地区;入炉煤品质(包括硫分、灰分)要求控制在设计值范围内;尽量杜绝机组投油稳燃,严格控制除尘器出口烟尘量在设计值范围内小于150mg/m³,否则,脱硫设施的运行状态会受到影响;杜绝脱硫、脱硝装置运行过程中长时间偷排和超排现象;要求有冷却塔循环水污染后的处理措施,尽量避免冷却水污染后造成系统设备和管道的腐蚀;解决脱硫净烟气玻璃钢管道和防腐材料国产化的问题,否则没有经济优势。
六、结语
    “十二五”期间,国家环保政策将越来越严格,大部分电厂已经开展了旁路铅封工作,随着我国大容量火电机组的快速发展,脱硫装置取消烟气旁路、采用“烟塔合一”技术将是脱硫技术发展的一大趋势。在推广“烟塔合一”技术时,还需要进一步消化吸收国外先进运行经验,并总结出目前国内电厂运行时存在的问题,切实提高电厂主机和环保设施运行水平,实现相关材料国产化以降低造价,使“烟塔合一”技术彻底发挥自身的长足优势,应用于火力发电事业中。
参考文献:
[1]崔克强,李浩.燃煤发电厂烟塔合一环境影响之一:烟气抬升高度的对比计算[J].环境科学研究,2005,18(1):27-31.
[2]秦松波.烟塔合一技术[J].上海电力,2007,(5):492-495.
[3]林勇.烟塔合一技术特点和工程数据[J].环境科学研究,2005,18(1):35-39.
[4]隋建才,杜云贵,潘虹,等.烟塔合一技术在华能北京热电厂的应用[J].电站系统工程,2009,25(2):27-29.
[5]崔克强,柴发合.燃煤发电厂烟塔合一环境影响之二:华能北京热电厂烟塔合一设计环境影响估算[J].环境科学研究,2005,18(1):31-35.

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