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火電廠用冷卻塔替代煙囪的探討
隨著社會生產力的發展和人們生活質量的提高,人們對環境質量愈來愈關注,對火電廠也提出了更高的環保要求。愈來愈多的電廠將視其煤質情況和環保要求對煙氣進行脫硫處理,甚至于進行脫硝處理。在某些采用石灰石濕法脫硫(以下簡稱FGD)的系統中,經脫硫后的煙溫約50 ℃,若不加熱則可能帶來煙囪排放困難。能否在采用自然通風冷卻塔的電廠,將處理后的煙氣通過冷卻塔排放?本文試圖對該問題做一些分析和探討。
1、技術方案
對于采用了冷卻水再循環的火電廠,若其煙氣進行了脫硫脫硝處理(或只是脫硫處理),在正常運行工況下,煙氣經過二氧化硫吸收塔處理,進入自然通風冷卻塔,在配水裝置之上均勻排放,通過冷卻塔排入大氣。同時,根據二氧化硫吸收塔的可靠性和事故率大小,可以設置旁路煙道,通過事故煙囪排放。
2、技術經濟分析
2.1塔內氣體流動工況的變化分析
與常規做法不同,煙氣不通過煙囪排放,而被送至自然通風冷卻塔。在塔內,煙氣從配水裝置上方均勻排放,與冷卻水不接觸。由于煙氣溫度約50 ℃,高于塔內濕空氣溫度,發生混和換熱現象,混和的結果,改變了塔內氣體流動工況。
2.1.1煙氣進入對熱浮力的影響
塔內氣體向上流動的原動力是濕空氣(或濕空氣與煙氣的混和物)產生的熱浮力(也稱抽力),熱浮力克服流動阻力而使氣體流動。熱浮力為Z=he.Δρ。g,式中 he——冷卻塔有效高度;Δρ——塔外空氣密度ρk與塔內氣體密度ρm之差。
下面,以某300 MW機組為例,做簡要計算:已知f=10%的氣象條件為θ1=25 ℃,Ψ1=78%,pamb=99.235 kPa,查有關圖表或用公式計算出塔外空氣密度ρk=1.152 kg/m3.
一般情況,塔內空氣密度 ρm≈0.98 ρk=1.129 kg/m3,在標準大氣壓下,0 ℃時,煙氣根據經驗,一般煤質ρoy≈1.34 kg/Nm3.
經濕法脫硫后的煙溫ty=50 ℃,考慮煙氣x≈1%,水蒸氣ρos=0.804 kg/Nm3,則可計算出進入冷卻塔的煙氣密度
顯然,進入冷卻塔的煙氣密度低于塔內氣體的密度,對冷卻塔的熱浮力產生正面影響。
2.1.2煙氣進入對塔內氣體流速的影響
已知列舉的300MW機組,冷卻塔淋水面積Am=6500m2,塔內氣體流速vm=1.07m/s,計算出塔內氣體流量Qm=Am.vm=6955m3/s;再計算出排煙溫度140℃時,排煙量約1 800 000m3/h(折合500m3/s)。換算為脫硫后50 ℃的煙氣量(忽略除去的SO2氣體,增加的水蒸氣按經驗為10%):
進入塔內的煙氣占塔內氣體的容積份額:
顯然,進入冷卻塔的煙氣所占容積份額小,對塔內氣體流速影響甚微。
2.1.3煙氣的進入對塔內阻力的影響
根據塔內阻力公式Δp=ξ(ρm vm)/(2),阻力系數ξ主要在于配水裝置,而煙氣在配水裝置以上進入,對配水裝置區間段阻力不產生影響。因此,對總阻力的影響甚微,在工程上亦可以忽略不計。
從以上分析可得到以下結論:煙氣能夠通過雙曲線自然通風冷卻塔順利排放。
2.2濕法脫硫后的煙氣從煙囪排放存在著困難
煙氣經石灰石(濕法)脫硫后,煙溫一般在50 ℃左右。由上例知,50 ℃的煙氣與室外空氣密度差甚小,再考慮到煙囪壁散熱導致煙氣溫降,煙囪非雙曲線形,其流動特性不及冷卻塔,加上氣候變化的影響,可見,經脫硫后50 ℃的煙氣通過煙囪排放存在著困難。否則,不得不對50 ℃的煙氣進行加熱,這樣,勢必導致系統復雜,初投資及運行費用增加。
2.3煙氣通過冷卻塔排放對環境的影響
據國外研究機構的研究成果表明,通過冷卻塔排放的煙氣,其抬升高度能滿足環保要求,在此不再詳述。
2.4煙氣中殘余二氧化硫和飛灰不會對循環冷卻水造成污染
經脫硫和高效除塵后,煙氣中殘余二氧化硫和飛灰含量低,二氧化硫(包括三氧化硫)露點溫度相應降低,在塔內結露的可能性小。加之二氧化硫吸收塔和冷卻塔均有除水裝置,塔內氣體帶水滴(霧)少,煙氣中飛灰不易與水滴(霧)結合而沾附在塔內壁。因此,煙氣中殘余二氧化硫和飛灰不會對冷卻塔和循環冷卻水產生污染。在實際工程運用前,還可以通過試驗獲取數據并進行分析。
2.5投資節約分析
采用煙氣通過冷卻塔排放方案后,根據二氧化硫吸收塔設備及運行可靠性情況,可以根據環保和技術要求另設置簡易低矮的事故旁路煙囪。因此,可以節約永久性煙囪的投資。同時,煙氣不需再加熱,系統簡單,運行費用和初投資也可降低。
2.6使用條件限制
該方案在工程運用中受到以下條件限制:
a)必須在采用了冷卻水再循環和自然通風冷卻塔的火電廠方可應用;
b)必須對煙氣進行高效除塵和脫硫(或脫硫脫硝)處理;
c)在總平面布置上,冷卻塔的位置與爐后脫硫塔相距不遠。
3、工程運用實踐
據悉,國外也在這方面進行著探索和試驗,效果尚令人滿意。
4、結束語
在采用冷卻水再循環和自然通風冷卻塔的火電廠,對煙氣采用了高效除塵和脫硫(或脫硫脫硝)處理后,在技術、經濟、安全比較的前提下,可以考慮煙氣通過冷卻塔排放。并視脫硫塔可靠性情況和事故率大小,設置低矮的事故煙囪,不再建設永久性煙囪,從而降低造價和運行費用。
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