火电厂用冷却塔替代烟囱的探讨

      摘　要　长期以来，烟囱成为火电厂必不可少的重要设施。近年来，随着
脱硫脱硝技术的运用，使处理后的烟气温度和烟气成分与过去相比发生了变化。
能否在适当条件下用冷却塔替代烟囱（将烟气通过冷却塔排放）呢？通过对塔内
气体流动工况的变化分析，以及对湿法脱硫后的烟气从烟囱排放分析和烟气中残
余二氧化硫和飞灰对循环冷却水污染分析，最后得出结论：若烟气采用了高效除
尘和脱硫（或脱硫脱硝）处理，可以设置低矮的事故烟囱，不再建设永久性烟囱，
从而降低造价和运行费用。

      随着社会生产力的发展和人们生活质量的提高，人们对环境质量愈来愈关
注，对火电厂也提出了更高的环保要求。愈来愈多的电厂将视其煤质情况和环保
要求对烟气进行脱硫处理，甚至于进行脱硝处理。在某些采用石灰石湿法脱硫
（以下简称FGD ）的系统中，经脱硫后的烟温约50℃，若不加热则可能带来烟囱
排放困难。能否在采用自然通风冷却塔的电厂，将处理后的烟气通过冷却塔排放？
本文试图对该问题做一些分析和探讨。

      1 　技术方案

      对于采用了冷却水再循环的火电厂，若其烟气进行了脱硫脱硝处理（或只
是脱硫处理），在正常运行工况下，烟气经过二氧化硫吸收塔处理，进入自然通
风冷却塔，在配水装置之上均匀排放，通过冷却塔排入大气。同时，根据二氧化
硫吸收塔的可靠性和事故率大小，可以设置旁路烟道，通过事故烟囱排放。

      2 　技术经济分析

      2.1 　塔内气体流动工况的变化分析

      与常规做法不同，烟气不通过烟囱排放，而被送至自然通风冷却塔。在塔
内，烟气从配水装置上方均匀排放，与冷却水不接触。由于烟气温度约50℃，高
于塔内湿空气温度，发生混和换热现象，混和的结果，改变了塔内气体流动工况。

      2.1.1 　烟气进入对热浮力的影响

      塔内气体向上流动的原动力是湿空气（或湿空气与烟气的混和物）产生的
热浮力（也称抽力），热浮力克服流动阻力而使气体流动。热浮力为Z=he. Δρ。
g ，式中　　he——冷却塔有效高度；Δρ——塔外空气密度ρk 与塔内气体密
度ρm 之差。

      下面，以某300 MW机组为例，做简要计算：已知f=10% 的气象条件为θ1=25
℃，Ψ1=78% ，pamb=99.235 kPa ，查有关图表或用公式计算出塔外空气密度ρ
k=1.152 kg/m3.

      一般情况，塔内空气密度ρm ≈0.98ρk=1.129 kg/m3 ，在标准大气压下，
0 ℃时，烟气根据经验，一般煤质ρoy≈1.34 kg ／Nm3.

      经湿法脱硫后的烟温ty=50 ℃，考虑烟气x ≈1%，水蒸气ρos=0.804 kg/Nm3，
则可计算出进入冷却塔的烟气密度

      显然，进入冷却塔的烟气密度低于塔内气体的密度，对冷却塔的热浮力产
生正面影响。

      2.1.2 　烟气进入对塔内气体流速的影响

      已知列举的300 MW机组，冷却塔淋水面积Am=6 500 m2 ，塔内气体流速vm=1.07
m/s ，计算出塔内气体流量Qm=Am.vm=6 955 m3/s ；再计算出排烟温度140 ℃时，
排烟量约1 800 000 m3/h（折合500 m3/s）。换算为脱硫后50℃的烟气量（忽略
除去的SO2 气体，增加的水蒸气按经验为10% ）：

      进入塔内的烟气占塔内气体的容积份额：

      显然，进入冷却塔的烟气所占容积份额小，对塔内气体流速影响甚微。

      2.1.3 　烟气的进入对塔内阻力的影响

      根据塔内阻力公式Δp=ξ（ρm vm）/ （2 ），阻力系数ξ主要在于配水
装置，而烟气在配水装置以上进入，对配水装置区间段阻力不产生影响。因此，
对总阻力的影响甚微，在工程上亦可以忽略不计。

      从以上分析可得到以下结论：烟气能够通过双曲线自然通风冷却塔顺利排
放。

      2.2 　湿法脱硫后的烟气从烟囱排放存在着困难

      烟气经石灰石（湿法）脱硫后，烟温一般在50℃左右。由上例知，50℃的
烟气与室外空气密度差甚小，再考虑到烟囱壁散热导致烟气温降，烟囱非双曲线
形，其流动特性不及冷却塔，加上气候变化的影响，可见，经脱硫后50℃的烟气
通过烟囱排放存在着困难。否则，不得不对50℃的烟气进行加热，这样，势必导
致系统复杂，初投资及运行费用增加。

      2.3 　烟气通过冷却塔排放对环境的影响

      据国外研究机构的研究成果表明，通过冷却塔排放的烟气，其抬升高度能
满足环保要求，在此不再详述。

      2.4 　烟气中残余二氧化硫和飞灰不会对循环冷却水造成污染

      经脱硫和高效除尘后，烟气中残余二氧化硫和飞灰含量低，二氧化硫（包
括三氧化硫）露点温度相应降低，在塔内结露的可能性小。加之二氧化硫吸收塔
和冷却塔均有除水装置，塔内气体带水滴（雾）少，烟气中飞灰不易与水滴（雾）
结合而沾附在塔内壁。因此，烟气中残余二氧化硫和飞灰不会对冷却塔和循环冷
却水产生污染。在实际工程运用前，还可以通过试验获取数据并进行分析。

      2.5 　投资节约分析

      采用烟气通过冷却塔排放方案后，根据二氧化硫吸收塔设备及运行可靠性
情况，可以根据环保和技术要求另设置简易低矮的事故旁路烟囱。因此，可以节
约永久性烟囱的投资。同时，烟气不需再加热，系统简单，运行费用和初投资也
可降低。

      2.6 　使用条件限制

      该方案在工程运用中受到以下条件限制：

      a ）必须在采用了冷却水再循环和自然通风冷却塔的火电厂方可应用；

      b ）必须对烟气进行高效除尘和脱硫（或脱硫脱硝）处理；

      c ）在总平面布置上，冷却塔的位置与炉后脱硫塔相距不远。

      3 　工程运用实践

      据悉，国外也在这方面进行着探索和试验，效果尚令人满意。

      4 　结束语

      在采用冷却水再循环和自然通风冷却塔的火电厂，对烟气采用了高效除尘
和脱硫（或脱硫脱硝）处理后，在技术、经济、安全比较的前提下，可以考虑烟
气通过冷却塔排放。并视脱硫塔可靠性情况和事故率大小，设置低矮的事故烟囱，
不再建设永久性烟囱，从而降低造价和运行费用。