烟塔合一技术在湿法脱硫净烟气排放中的应用
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摘要:烟塔合一技术作为一种新型排烟技术正在大力推广。本文分析了烟塔合一技术在湿法脱硫净烟气排放中的应用,介绍了烟塔合一法的基本概念及技术模式,总结了烟塔合一技术优势,分析了采用烟塔合一技术对冷却塔热力性能的影响。
关键词:烟气排放 烟塔合一技术 脱硫净气 应用
中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0052-02
煤燃烧过程会产生SO2等腐蚀性气体,对环境造成影响。为控制SO2的排放,烟气脱硫技术在各电厂得到广泛应用。石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺在电厂烟气脱硫中的应用最多,不仅因为原料廉价、过程技术成熟、脱硫效率高(95%以上)、系统运行可靠等优点,脱硫过程产生的副产品可回收利用也是该工艺的一大优势。通常采用湿法进行脱硫后的净烟温度值为55～60℃,并且处于饱和状态,环境温度低时形成白烟。净烟气直接经烟囱排放不能达到排放标准,需要将烟气进行再加热到80℃以上,以增加烟气的抬升高度、消除“烟羽”和降低烟气污染组分的地面浓度。烟气的再加热过程要求火电厂必须加装烟气再热排放系统,不仅增加烟气排放系统的复杂性,同时也增大了初始投资及相关的维护费用,过程的经济性优势被减弱。
现今研究较多的“烟塔合一”技术,湿法脱硫后的净烟气不经烟囱排放,而是通过自然通风冷却塔排放到空气中。该技术能够利用冷却塔的湿热空气包裹脱硫的净烟气,对净烟气起到抬升作用,同时对烟气中的污染物也起到扩散的作用。采用烟塔合一技术能够使火电厂免于建设再热器、烟囱和增压风机,不但对其烟气系统起到了简化作用,而且减小了相关的设备投资,增加了火电厂的经济效益。
1 烟塔合一技术发展现状
随着环境标准的日益严格,要求燃煤电厂的必须设置烟气脱硫系统。此过程势必增加整个发电过程的建设成本和运行费用。为了尽可能优化电厂的经济效益,欧洲一些国家开发了脱硫净烟气冷却塔排放技术。烟塔合一技术概念始于1967年的德国Balcke公司,德国1983年7月1日生效的《联邦防污染法》提出的烟气排放标准促使烟塔合一技术开始投入运行并得到快速推广。烟塔合一技术经进一步发展成熟,现在在德国、波兰、土耳其、希腊等国家也有很多电厂使用该技术进行电厂建设和改造。
近年来,该技术以其特有的技术、经济优势引起国内同行的重视,并逐步引进该技术。华能北京热电厂首个引进国外烟塔合一技术,对现有设备进行了技术改造,成为我国第一个实现无烟囱排放的火力发电厂。与此同时,国内也在大力进行此项技术的研究攻关。神华集团河北三河发电厂二期工程首次使用国内研发技术,建成两台300MW机组。截止到2009年我国应用烟塔一体化技术的电厂还有哈尔滨第一热电厂、锦州热电厂、天津东北郊热电厂和石家庄良村热电厂等火电厂,单机容量基本都在300MW以上,该项技术为电厂运行节省了能源、经济效益得到提高。
2 烟塔合一技术的型式
2.1 外置式和内置式
烟塔合一技术按脱硫装置布置位置可分为内置式和外置式两种。
2.1.1 外置式
外置式的烟塔合一技术的脱硫装置通常在冷却塔外进行安装,而将净烟气引入到冷却塔水装置的正上方,通过在塔内的除雾器进行除雾,保持与冷却水的隔离。烟道有两种方式进入冷却塔:低位进塔和高位进塔。低位进塔方式将脱硫后烟气的标高降到30m左右,烟气再从此处进塔;高位进塔烟气不降低其标高,在高位进塔,标高45m左右。
烟气通过烟道进入冷却塔后的也有两种排放方式:一种是通过烟道上的喇叭直接排放的;另一种是先通过排气室然后排入冷却塔。前者简单易行,是当前最常采用的一种方法,这种方法主要用在烟气进入冷却塔前固体物质的过滤;后者排气过程较复杂,但是此方式气体先通过排气室,烟气流入冷却塔的方向可通过排气室内三角形的可调叶片进行调节,从而保证在不同工况下烟气与冷却塔内的水气的有效混合。
2.1.2 内置式
内置式烟塔合一工艺的脱硫装置一般安装在冷却塔内,使得布置更加紧凑,节省设备的用地。并且净烟气不经烟囱排放,不需烟囱、热交换器等设备,降低设备投资、减小运行费用。但是内置式烟塔合一工艺的冷却塔必须采用横流塔,福克林根电厂采用的就是该种工艺。
2.2 旁路式和直通式
按脱硫工艺可分为旁路式和直通式。旁路式系统在排烟冷却塔需要额外建造备用烟囱作为旁路。以确保锅炉的正常运行不受脱硫过程工况的影响。因此此系统的优势在于:主机与脱硫装置既能同步运行也可以实现主机的独立运行。系统正常运行情况下,烟气经冷却塔排放;脱硫装置出现故障无法正常运行时,高SO2含量的未脱硫烟气不能再直接通过冷却塔排放,此时旁路的备用烟囱用于确保烟气的符合环保标准排放。
直通式系统则没有额外的烟囱,高SO2含量的烟气需要经脱硫处理后才能达到排放标准,它就要求脱硫装置与主机同步运行,因此直通式系统的可靠性较差。随着脱硫装置可靠性的不断提升,直通式系统较旁路式系统设备简单的优势不断凸显,所以直通式烟塔系统在火电厂中得到普遍应用。
3 烟塔合一技术工艺
3.1 湿烟气烟道的选材和布置
为了防止高温、水蒸气和SO2、SO等的影响,烟道内壁的防腐性是选择烟道材料的关键因素。由树脂和玻璃纤维混合制成的玻璃钢是湿烟气烟道的首选材料。玻璃钢除抗酸腐蚀外,因烟道的重量需要设立额外的支撑结构,玻璃钢材料比重小也是其一大优势。烟气中水汽饱和,排气过程会有水汽在烟道内凝结,因此烟道进气部分以接近水平进入(倾角1°)。另外排气过程会有伴随温度变化,膨胀节安装在烟道与冷却塔连接处起缓冲作用。气体垂直排放的抬升高度最大,因此烟道的出口通常设置为竖直向上、管口高度原则上为烟道直径的1.5倍(如图1)。
3.2 排烟冷却塔的防腐
脱硫后的烟气仍含有酸性气体,与水汽混合形成酸性物质腐蚀烟道。为抑制腐蚀作用,合适烟道材料的选择是一个关键因素。除此之外,更常用的技术是在烟道内壁涂一定厚度的防腐层,常用涂层材料聚丙稀环脂。近来为进一步提高烟道的抗腐性,德国研发出抗酸性好、强度高、结构密度大和抗冻性好的SRB－ARHPC85/35新型混凝土,该材料做烟道内壁可有效提高冷却塔的使用寿命。
4 烟塔合一技术优势
常规的火电机组通过烟囱进行排气,由烟囱高度产生的压力差和大气与烟气的温度差产生的升力是烟气排放的主要动力来源。烟气被抬升到一定高度后从烟囱口排除,从而实现烟气中污染物的扩散稀释,保证烟气污染物的落地范围更广、到达地面污染物的浓度符合环境标准。
湿法脱硫后烟气的温度较低,在50℃左右,并且由于环境温度低于烟气排出温度,烟气中的水汽会在烟囱壁凝结,净烟气的温度进一步下降,烟气与环境温度差减小从而使烟气很难抬升到足够的高度。为满足环境排放标准,需要对烟气进行再加热后处理,安装烟气加热设备,增加系统的设备投资。而采用烟塔合一技术不仅免除烟囱的设备投入,冷却塔热气对烟气的抬升作用使烟气不经加热也能抬升到足够高度以满足环境需求。因此烟塔合一技术较传统的烟囱排烟技术不仅设备运行和维护更简单,经济效益也更好。
5 采用烟塔合一技术对冷却塔热力性能的影响
采用烟塔合一技术进行烟气排放过程,脱硫烟气被直接送入冷却塔内经烟气扩散与热交换排入大气,此过程势必对冷却塔产生影响,主要表现在两个方面。
(1)烟气流动方向与冷却塔内冷却水流动方向相反,烟气自下而上通过冷却塔会对冷却塔配水过程带来阻力;另一方面冷却塔内的烟道产生的局部阻力也对冷却塔的气流状态产生不良影响。
(2)烟气进入冷却塔后会与塔内的湿空气进行热交换,影响冷却塔的热力学性能。但是气体在冷却塔内的速度很低,烟气排放使气体流速增加也不会超过25%,并且烟道结构在冷却塔中只占很小比重,其阻力的影响可以忽略不计。脱硫湿烟气的温度通常在50℃左右,而冷却塔上层气体的温度也基本保持稳定,气体密度较低的烟气引入冷却塔会使冷却塔淋水层上侧的高密度气体的密度降低,使塔内气体密度差增加,促进气体的动力学传递,通风量增大,持续、有效的提高冷却塔的换热能力。
6 结论
与传统烟囱排烟技术相比,烟塔合一技术无需要再建高烟囱,净烟气直接寄给冷却塔排放,电厂排烟系统得到简化。同时烟塔合一技术排放烟气过程,烟气不用进行再加热,省去加热设备的初期投资和运行费用。烟塔合一技术既满足了烟气排放的环境要求,又降低了排放过程的经济成本,对于湿法脱硫技术的发展推广起到巨大促进作用。随着人们环保意识的增强,预计未来会有越来越多的烟塔合一技术在火电厂建立和应用。
参考文献
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