????? 煙塔合一技術的環保優勢

????? 摘要：煙塔合一技術節省煙囪、煙氣再熱系統等土建及設備初投資和運行
維護費用，而且濕法脫硫技術的廣泛應用和環保要求也越來越嚴格，它的利用是
一種趨勢。從環保角度對采用此項技術時，煙氣抬升高度、SO2 落地濃度等方面
進行了討論，并闡述了采用不同形式的冷卻塔對SO2 的落地濃度的影響。關鍵詞
：煙塔合一；抬升高度；落地濃度 Abstract ：The technology of cooling water
in place of chimney tower is technology that the thermal power plant chimney
combines circulating water tower together into one， taking advantage
of exhaust for the wet desulfurizing. This technology saves construction
and the equipment initial investment and operating maintainence cost，
such as chimney ， fuel gas reheating system. Viewing from environmental
angle ， this paper discusses t ， the SO2 consistency subsided and so
on through this technology， also expounds how different types of circulating
water tower affects the subsided consistency of the SO2 . Keywords：cooling
water in place of chimney tower ；uplifted height ；subsided consistency
0 引言煙塔合一技術是將火電廠煙囪和冷卻塔合二為一，取消煙囪，利用冷卻塔
排放煙氣，冷卻塔既有原有的散熱功能，又替代煙囪排放脫硫后的潔凈煙氣。此
項技術在國外從70年代就開始研究，通過不斷的試驗、研究、分析和改進，已日
趨成熟，以德國的SHU 公司和比利時的HmaonSobelco公司為代表。在德國新建火
電廠中，已經廣泛地利用冷卻塔排放脫硫煙氣，成為沒有煙囪的火電廠。我國的
環保要求越來越嚴格，濕法煙氣脫硫技術已經廣泛應用，新建機組大部分都采用
了濕法煙氣脫硫工藝。濕法煙氣脫硫工藝的廣泛應用，其高脫硫效率使電廠排放
的煙氣中SO2 含量大大減少，使得煙塔合一技術的采用成為可能。利用冷卻塔
排放煙氣，脫硫后的凈煙氣無需再加熱，不僅節省了煙囪的費用，還節省了煙氣
再熱系統的投資和運行、保養費用，雖然冷卻塔排放低溫煙氣，增加了防腐蝕的
費用，但節省了總的初投資和運行維護費用。此外由于省去了煙氣再熱系統，還
避免了未凈化煙氣泄漏而造成最終脫硫效率的下降。此外，一些城市電廠由于煙
囪限高要求，只能采用新的排煙技術來達到特殊的外部要求和環境要求，這些，
都為煙塔合一技術在我國的應用提供了廣闊的發展空間。 1煙塔合一技術概述煙
塔合一工藝系統通常有2 種排放形式，分別為外置式和內置式。 1.1外置式把脫
硫裝置安裝在冷卻塔外，脫硫后的潔凈煙氣引入冷卻塔內排放。脫硫裝置安裝在
冷卻塔外，凈煙氣直接引到冷卻塔噴淋層的上部，通過安裝在塔內的除霧器除霧
后均勻排放，與冷卻水不接觸。國外早期當脫硫系統運行故障時，由于原煙氣的
溫度和二氧化硫的含量相對較高，不適于通過冷卻塔排放，需經干式煙囪排放。
目前由于脫硫裝置運行穩定，冷卻塔外一般不設旁路煙囪。 1.2內置式近幾年國
外的煙塔合一技術進一步發展，開始趨向將脫硫裝置布置在冷卻塔里面。使布置
更加緊湊，節省用地。其脫硫后的煙氣直接從冷卻塔頂部排放。由于省去了煙囪、
煙氣熱交換器，減少了用地，可大大降低初投資，并節約運行和維護費用。以下
介紹的是內置式的煙塔合一工藝技術。 2采用煙塔合一技術對煙氣的影響從環保
角度來看，冷卻塔排煙和煙囪排煙的根本區別在于： a. 煙氣或煙氣混合物的溫
度不同。 b. 混合物的排出速度不同。 c. 混合處的初始濃度不同。從圖1 可以
看出煙塔合一技術與傳統煙囪排煙有較大的不同。

????? 2.1 煙氣抬升高度 2.1.1理論分析從塔中排放出的凈化煙氣溫度約50℃，
高于塔內濕空氣溫度，發生混合換熱現象，混合后的結果改變了塔內氣體流動工
況。由于進入塔內的煙氣密度低于塔內空氣的密度，對冷卻塔內空氣的熱浮力產
生正面影響。此外，進入冷卻塔的煙氣很少，其體積只占冷卻塔空氣體積的10%
以下。故煙氣能夠通過自然冷卻塔順利排放。煙氣的排入對塔內空氣的抬升和速
度等影響起到了正面作用。在排放源附近，煙氣的抬升受環境湍流影響較小。大
氣層的溫度層不是很穩定時，煙氣抬升路徑主要受自身湍流影響，決定于煙氣的
浮力通量、動量通量及環境風速等。這段時間大約為幾十秒至上百秒，這段時間
內煙氣上升路徑呈曲線形式。煙氣在抬升過程中，由于自身湍流的作用，會不斷
卷入環境空氣。由于煙氣不斷卷入具有負浮力的環境空氣，同時又受到環境中正
位溫梯度的抑制，它的抬升高度路徑會逐漸變平，直至終止抬升［1 ］。濕煙氣
也遵循以上抬升規律，不同的是飽和的濕煙氣在抬升過程中，會因為壓強的降低
及飽和比濕的減小而出現水蒸氣凝結。水蒸氣凝結會釋放凝結潛熱，這會使濕煙
氣溫度升高，浮力增加。在不飽和的環境下，濕煙氣中只有很小的一部分水蒸氣
會凝結，因水蒸氣凝結所釋放的潛熱使煙氣的浮力增加不會很大。然而，當飽和
的濕煙氣升入飽和大氣環境中，這種潛熱釋放會明顯改變抬升高度，抬升高度會
成倍的增加。圖2 是干、濕煙氣抬升高度的對比，可以看出同樣體積的濕煙氣的
抬升高度相當于將干煙氣加熱了幾十度。干、濕煙氣抬升高度對比見圖2.

????? 目前國內大型火電廠機組煙囪高度一般都在180~240 m ，冷卻塔高度在110~150
m ，高度相差較大。在相同條件下，濕煙氣的抬升高于干煙氣。 2.1.2實際抬升
高度分析根據GB 132232003《火電廠大氣污染物排放標準》中推薦的煙氣抬升高
度計算方法［3 ］，煙氣抬升高度DH是正比于煙氣熱釋放率QH、煙囪高度Hs的，
反比于煙氣抬升計算風速Us；而熱釋放率正比于排煙率和煙氣溫度與環境溫度之
差ΔT . 當QH≥21 000 kJ/s ，且ΔT ≥35 K時，城市、丘陵的抬升高度：

????? Hs——煙囪的幾何高度，m ；ΔT ——煙囪出口處煙氣溫度與環境溫度之
差，K ； QH ——煙氣熱釋放率，kJ/s； CP ——標準狀態下煙氣平均定壓比熱，
1.38 kJ/m3K ； V0 ——標準狀態下排煙率，m3/s，當一座煙囪連接多臺鍋爐時，
該煙囪的V0為所連接的各鍋爐該項數值之和。冷卻塔的煙氣量是煙囪排煙煙氣量
的10倍左右，熱釋放率很大。相對來說，汽輪機排汽通過冷卻水帶走的熱量占全
廠的50% 左右（按熱效率分攤），尾部煙氣帶走的熱量只占5%左右，冷卻塔煙氣
的溫度雖然較低，但水蒸氣巨大的熱釋放率彌補了冷卻塔高度的不足，從而較低
的冷卻塔排煙的實際抬升高度不低于高架煙囪。這是在環境濕度不飽和的狀態下
的情況。在環境處于飽和狀態時，冷卻塔煙氣抬升高度將大大高于煙囪排煙。德
國科學家在Volklingen實驗電站測得的煙氣抬升結果也證實了冷卻塔排煙抬升高
度高于煙囪排煙，見圖3.

????? 2.2SO2落地濃度德國某電廠冷卻塔與煙囪排放煙氣年平均落地濃度的比較
見圖4 ，從圖中可以看出，對于高煙囪和低冷卻塔排放的煙氣，污染物SO2 的落
地濃度相差不多。

????? 值得注意的一點是：有時大氣邊界層基本處于近中性狀態，但有那么一層
或幾層是逆溫的。在逆溫情況下，低層空氣中上下交換受到阻礙，如果上下交換
能夠進行，就要消耗能量。電廠煙氣具有較高的能量和較大的浮力時，就可以比
較容易的穿過逆溫層，如果煙氣全部都穿透了逆溫層，它就不再返回下部，對地
面造成污染。如果煙氣的浮力不足以穿透逆溫層，那么它就被封閉在逆溫層以下，
從而造成較嚴重的污染。由于煙塔合一技術排放的混合煙氣含有大量的水蒸氣，
水蒸氣中的熱量大于空中煙氣漂走帶的熱量，具有較大的浮力，所以上下層交換
就能夠進行。因此在天氣不好的情況下，利用冷卻塔排煙優于煙囪排煙。 2.3不
同形式的冷卻塔對SO2 落地濃度的影響利用冷卻塔排放脫硫煙氣，按一個面源來
看待冷卻塔排煙，如果冷卻塔的高度和出口內徑對煙氣的落地濃度有影響，那么
冷卻塔的高度和出口內徑的選擇，不能只從冷卻方面考慮，還要從環保角度考慮
選擇最佳方案。德國H.Damjakob等人對冷卻塔的變異體進行了研究。觀測出了變
異塔的污染物落地濃度。研究變異塔就是改變一個選定的基準冷卻塔的幾何形狀，
觀測其特殊的熱力數據狀況。在下列假設情況下研究所有的冷卻塔：在揚程相同
的情況下，將相同流量的水從相同的熱水溫度冷卻到相同的冷水溫度，基準冷卻
塔高140 m ，其基礎直徑約102 m ，出口直徑為57.5 m，它是為一臺容量590 MW
的抽汽供熱機組設計的，冷卻水的流量為12 300 kg/s ，在大氣溫度為10℃，濕
球溫度為8 ℃，大氣壓力為101.3 kPa 時，冷卻水溫度為18℃，可以冷卻1 臺550
MW的發電機組，該發電機組的煙氣是由冷卻塔排放。假設變異冷卻塔的條件為：
a.改變冷卻塔的高度H ，但保持全部淋水面積不變，即淋水面直徑Dr= 常數。 b.
改變冷卻塔的高度H ，但保持冷卻塔出口直徑Da與淋水面直徑比 Da/Dr為一定值，
設 Da/Dr為0.5 、0.6 、0.7. H.Damjakob 等人根據假設條件對變異體冷卻塔的
污染擴散進行了計算。計算是根據在自然大氣層10 m高處，平均橫向風速為6.0
m/s 進行的。采用迎風面的最大落地濃度作為代表值。計算得出不同的冷卻塔變
異體的污染物最大落地濃度曲線（即圖5 表示的變異塔迎風面污染物最大落地濃
度Cmax與基準冷卻塔迎風面最大落地濃度Cmax0 之比Cmax/ Cmax0 ），見圖5.

????? 由圖5 可知，Cmax/Cmax0不僅與冷卻塔高度有關，而且冷卻塔出口直徑也
起著重要作用。高度越高，污染物落地濃度就越小，污染就越輕。出口直徑越小，
使得出口處的煙氣流速增大，速度越高，煙氣上升的就越高，環境污染就越小。
冷卻塔出口直徑與淋水直徑比 Da/Dr的最佳值約為0.6.在同樣的直徑比和擴散水
平情況下，當塔高為180 m 時，在迎風面的最大落地濃度，Cmax/ Cmax0 約為72%~75%
；在冷卻塔高度為200 m 時，Cmax/ Cmax0 約為62%.而冷卻塔高度為230 m 時，
Cmax/Cmax0約50% 左右。從以上分析可知，如果煙塔合一，不應只利用常規的冷
卻塔，適當增加冷卻塔的高度，改變直徑比，可以更好的降低大氣污染物的落地
濃度。對常規的冷卻塔進行方案選型優化，是有明顯環境效益的。 3結論 a. 由
于環保的嚴格要求，我國將有一批濕法煙氣脫硫裝置建在冷卻塔閉式循環系統的
電廠中，煙塔合一技術在我國應用的前景廣闊。 b. 不飽和的環境下，冷卻塔排
煙的抬升高度不低于干煙囪。飽和的環境下，冷卻塔排煙效果大大好于干煙囪。
c.采用煙塔合一技術排放脫硫后凈化煙氣時，電廠污染物SO2 的落地濃度與干煙
囪排煙中的相差不多。在大氣逆溫的情況下，冷卻塔排煙環保效果好于干煙囪排
煙。 d. 煙塔合一技術的冷卻塔的高度和出口內徑對煙氣SO2 的落地濃度是有影
響的。冷卻塔形式的選型要從環保角度考慮，以期達到最佳環保效益。參考文獻
［1 ］姚增權。火電廠煙羽的傳輸與擴散［J ］。北京：中國電力出版社，2003.
［2 ］（德）H.Damjakob. 用常規冷卻塔和冷煙囪排放煙氣［X ］。國際水利協
會第8 屆冷卻塔和噴水池研討會論文集。［3 ］GB 132232003，火電廠大氣污染
物排放標準［S ］。