浅析烟塔合一Word格式.docx
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现在我们为什么开始关注此项技术呢？
据了解目前国内准备采用“烟塔合一”的有华能北京热电厂、天津东北郊热电厂、石家庄良村热电厂、国华三河电力有限公司二期、大唐哈尔滨第一热电厂、华能九台电厂、国华宁海电厂二期等等，有的工程已通过了环境影响评价，有的在进行初可研和可研，有的则已开始实施。
所列这些工程采用“烟塔合一”的原因大都是由于电厂的烟囱高度受到厂址附近机场的限制，不能满足环保要求，厂址又不能搬迁，解决问题的唯一出路就是取消烟囱，用高度比烟囱低得多的冷却塔排烟。
大多数以城市集中供热为目的热电厂，由于合理的供热半径限制，热电厂厂址选择的自由度较小，难以避开机场，另一种情况是，如九台电厂，除机场限制条件外，是一个技术经济条件最好的的厂址，难以割舍。
另外，用冷却塔排烟，理论上有利于烟气的抬升与扩散，有利于环境保护或其它特定条件，也是某些工程，如宁海电厂（采用海水冷却塔，其海水的防腐措施有可能与排烟要求相结合，而节约投资），业主感兴趣的理由。
2烟塔合一技术特点
2.1烟塔合一技术的一般概念
烟塔合一技术首先在德国使用，从二十世纪七十年代开始，已有多座大型火电厂采用。
2003年投产的1000MW级Neideraussem电厂也采用此项技术，该技术目前在德国已应用得非常成熟。
火电厂烟气脱硫主要采用石灰石湿法脱硫技术，脱硫后的净烟气达到烟气饱和温度点，一般为45～65℃。
为增加脱硫后烟气抬升高度，一种方式采用对烟气再加热从烟囱排放；
而另一种方式借助冷却塔热空气抬升烟气从冷却塔排放，即“烟塔合一”。
在德国，目前采用比较普遍的烟塔合一工艺主要是直通式，即锅炉排放烟气经除尘脱硫后直接进入冷却塔，参见图1。
烟塔合一技术与常规做法不同，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，见图2。
由于烟气温度约50℃，高于塔内湿空气温度，会发生混和换热现象，对塔内气体流动工况产生一定的影响。
图2冷却塔内烟气的上升流动
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。
研究指出，进入冷却塔的烟气密度低于塔内气体的密度，会对冷却塔的热浮力产生正面影响。
对于烟气进入对塔内对气体流速的影响，由于进入冷却塔的烟气所占容积份额较小，对塔内气体流速影响甚微。
关于烟气的进入对塔内阻力的影响问题，由于进入冷却塔的烟气是在冷却塔的配水装置以上进入，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。
2.2烟塔合一技术的环境效益
采用烟塔合一，烟气提升高度高，利于污染物的稀释和扩散，有利于环境保护。
烟塔合一技术是利用冷却塔巨大热量和热空气量对脱硫后湿烟气进行抬升，冷却塔气流的提升力，把净化处理烟气中残留的有害物排入环境空气中，尽管气流温度低，但是体积流量较大，由此总流量较大，在大多数天气条件下，都能够达到高于同等烟气从烟囱排出的提升高度，抬升高度远高于比冷却塔高数十米的烟囱，从而利于污染物的稀释和扩散，有利于环境保护。
根据SaarbergwerkeAG及Rhei－nisch－WestfalischesElektrizitatswerkAG于1984～1985年间在Volklingen实验电站测得结果，100m高的冷却塔和170m高的烟囱排放烟气扩散“照相”对比图，见图3。
其中烟囱高为170m，在距离排放点附近抬升很快，之后烟气中心高度基本停留在450m，烟云轮廓上下宽度较大。
虽然烟塔合一冷却塔标高仅为100m，由于其含热量较大，冷却塔烟云在排放原点中等距离处的抬升高度迅速超过烟囱烟气抬升高度，达到600m仍然缓慢上升，最后在700m时升势趋缓，其烟云的轮廓较烟气要窄，扩散的距离更远。
扩散距离km
抬升高度m
图3烟塔合一和烟囱排放烟气抬升对比
由此可见，尽管传统烟囱一般比双曲线冷却塔要高，烟囱排放的烟气温度也比冷却塔排出混合气体的温度要高，但利用冷却塔排烟时，由于烟气与冷却塔中的水气混合后，大量的水气能将烟气分散冲淡，这种大量的混合气流有着巨大的抬升力，能使其渗入到大气的逆温层中；
另一方面，这种混合气流还具有一种惯性，使其对风的敏感度比烟囱排除的烟气对风的敏感度要低，后者极易被风吹散。
在可比的情况下利用冷却塔排放的烟气比烟囱排放的烟气气流更大，上升的时间也更长，扩散高度更高，因而认为利用冷却塔排放烟气的污染比烟囱排放低，利于降低环境污染，保护环境。
我国现行环境标准和评价导则规定的烟气抬升和环境空气污染物扩散模式，是基于采用烟囱排放烟气这一先决条件。
由于采用烟塔合一技术才刚刚开始研究，还没有相应的适合我国环境条件的经验公式，烟气抬升和环境空气污染物扩散模式有待于进一步研究。
目前只有中国环境科学研究院利用德国的S/P模式和拉格朗日模式为某电厂计算了烟气抬升高度和对地面的附加质量浓度，需要探讨的问题较多。
影响烟气抬升与扩散的基础参数有烟气流速、温度，环境风速、气温、大气稳定度、扩散参数及地形条件，在同等烟气和环境条件下，决定性的因子为环境风速和大气稳定度。
根据有关资料，利用S/P模式和德国烟囱排放抬升公式对比计算某电厂2×
300MW机组在不同大气稳定度条件下和不同风速时的烟气抬升高度和环境影响显示：
在大气不稳定状态下，风速为1.5m/s时烟气通过冷却塔排放可抬升到1100m，而通过烟囱排放则只能达到400m。
风速为3m/s时，烟气通过冷却塔排放可抬升到500m，而通过烟囱排放则只能达到150m。
在大气中性状态下，不同风速烟气通过冷却塔排放可抬升到140～200m，而通过烟囱排放则只能达到60～100m。
在稳定状态下，通过冷却塔排放比通过烟囱排放烟气抬升高50m左右。
计算结果表明，120m冷却塔对地面造成的SO2、NOx和PM10年均浓度，总体上好于烟囱。
采用烟囱方案较冷却塔年均浓度增加约为8～10%。
两种方案年均浓度最大值位置一致，等浓度线分布趋势也基本一致。
同时有关研究资料表明，在弱风条件下冷却塔排放的烟气较烟囱有明显的抬升，在风速在4.5m/s以上时，冷却塔排放的烟气抬升低于烟囱。
2.3烟塔合一技术的其它技术特点
1）由于烟气通过冷却塔排放，可节省烟囱、湿法脱硫系统中的烟气再热（GGH）装置、增压风机及其相应烟道的费用，投资一般比烟囱排放低。
但是，根据国内的排放标准，采用常规烟囱排烟可只预留脱硝装置的条件，采用烟塔合一则必须设置脱硝装置，目前脱硝装置按单位造价每千瓦200元计算，因此采用烟塔合一技术投资将超出烟囱排放的投资。
2）采用烟塔合一技术可能通过回收烟气热量，提高能源效率。
这通过在锅炉尾部增加热交换器，用烟气加热给水实现，见图4。
粗略估计，如设计合理，可以提高电厂效率0.7个百分点左右。
图4烟塔合一的烟气系统
图5常规烟囱排烟的烟气系统
3）采用烟塔合一技术可简化烟气系统设计，比常规烟囱排烟由于无GGH换热器，可以合并锅炉引风机和脱硫增压风机等，烟气系统比较简单，烟道一般比较短，见图4、图5。
4）冷却塔中或者在气流刚离开冷却塔时会出现强烈的空气有害物，如二氧化硫和氧化氮与气流中水蒸气的反应，结果提前形成酸。
在筒壁上形成的酸性物质会腐蚀塔筒，并可能在一定程度上影响循环水水质。
5）冷却塔喷出的水滴和气流中的雾滴在冷却塔附近比没有与烟气混合的冷却塔气流中的酸性大，其对周围生态环境、建筑物有一定的影响；
6）脱硫（或脱硫脱硝）和除尘设备运行出现故障时，烟气不充许直接排入冷却塔，需要有应对措施，如增加备用设备或机组仃机。
2.4烟塔合一技术应用的技术条件
采用烟塔合一技术的前提是对烟气的品质有较高要求。
广泛采用烟塔合一的德国，火电厂大气污染物排放标准（2000年版）为：
烟尘：
50～80mg/Nm3
SO2：
300～400mg/Nm3
NOX：
200mg/Nm3
2003年以前，我国火电厂锅炉排烟中烟尘和SO2浓度远高于德国标准，烟气如由冷却塔排出，将使塔内集水装置产生污垢，冷却水质变坏，塔筒腐蚀严重，无条件采用烟塔合一。
2004年我国颁布了新的火电厂大气污染物排放标准，对烟气中污染物排放指标要求如下：
50～100mg/Nm3
400～800mg/Nm3
450～650mg/Nm3
按指标下限，除NOX外，其它指标已与德国标准相近，这就为采用烟塔合一技术创造了必要的前提条件。
满足上述指标，需要对烟气进行高效除尘、脱硫处理。
根据目前国内采用烟塔合一技术工程进展情况及环境审批意见，采用烟塔合一技术NOX排放浓度应控制在200mg/Nm3。
目前采用低氮燃烧技术是达不到这个标准的，必须对烟气进行脱硝处理。
除烟气品质外，采用烟塔合一技术的其它条件是：
1）采用自然通风冷却塔的二次循环冷却系统的火电厂；
2）在总平面布置上，一般要求采用炉后布置冷却塔，由于冷却塔直径较大和防火间距要求，电厂机组数量不宜多于4台，否则后几台机组的烟道将比较长。
3）冷却塔结构设计的特殊技术问题的落实，主要有：
⏹入塔烟道的结构设计，包括入塔烟道的材质入塔烟道的支撑结构；
⏹冷却塔筒壁的开孔冷却塔筒壁设计验算与工程措施；
⏹冷却塔的防腐问题。
3采用烟塔合一与常规烟囱方案的综合技术经济分析
电厂排烟有烟塔合一与常规烟囱两个方案。
烟塔合一方案的一般技术特点已在本文中做了叙述，现就两个方案进一步进行技术经济比较分析。
1）环境效益与厂址的自然条件有关
关于烟气的抬升与扩散，烟塔合一较常规烟囱方案在弱风条件下烟气有明显的抬升，利于烟气中污染物的扩散。
但在风速在4.5m/s以上时，冷却塔排放的烟气抬升低于烟囱。
根据某地气象资料统计，厂址地区多年平均风速为3.2m/s，风速在4.5m/s以上的频率为23.36%，占全年频率近1/4，由此带来的环境效益将有所折扣。
2）脱硫设备故障需要有应对措施
对于热电厂，如果在脱硫设备事故停运时，由于采用烟塔合一工艺未经脱硫的烟气不允许从冷却塔排放，锅炉需停止运行，这将直接影响到供热的可靠性。
如脱硫设备事故，为了保证供热，可增加备用脱硫设备或增加备用旁路烟囱，这并不可取，因此有一定的环境风险。
3）布置上有限制
同样对于热电厂，采用烟塔合一技术，冬季可能出现二台炉对一个冷却塔的运行方式，为此塔前烟道需要联通和切换，增加了烟道布置的复杂性。
同时，由于冷却塔直径较大和防火间距要求，在电厂机组台数多于4台时，后几台机组的烟道将比较长，冷却塔和烟道的布置较困难。
4）设计和施工复杂
利用烟塔合一技术可省去烟囱建设和施工，节省烟囱地下基础和烟囱本身的建设费用，给电厂施工的进度和建设工期都会带来好处。
但是，由于烟、塔合二为一，对冷却塔的设计要求高了，塔体本身因筒壁开孔使结构发生了改变，增加了烟道及烟道支架、孔口边缘封堵、冷却塔内外壁、构件等的防腐以及对填料防堵灰等，都要比传统的冷却塔设计增加较多的工程量和施工难度，由此冷却塔的综合造价有较大的提高。
5）无相应环境标准和评价导则
由于采用烟塔合一技术才刚刚开始，还没有相应的适合我国环境条件的经验公式，烟气抬升和环境空气污染物扩散模式有待于进一步研究，尚无相应的环境评价标准和方法。
由于无相应的标准和规范，且认识上可能还不尽一致，对项目环境影响评价的评审和批准的过程可能较长，有可能对工程的报批产生潜在的不利影响。
6）目前技术上主要依靠国外，投资高
从经济比较上，采用烟塔合一技术可以节省烟囱、GGH和增压风机的费用，但同时增加了脱硝装置及冷却塔防腐等费用。
由于目前烟塔合一技术国内尚处于起步阶段，技术上包括烟塔合一冷却塔的概念设计、防腐设计、烟气抬升与扩散计算等等主要依靠国外专业冷却塔公司，甚至采用由国外专业冷却塔公司总承包，因此投资水平还是比较高的。
目前冷却塔的单位面积投资高达常规冷却塔的二倍以上。
天津东北郊热电厂2×
5000m2排烟冷却塔报价为1.1～1.3亿元人民币。
但可以预计，随着引进技术的消化和材料的国产化，投资将会有下降的趋势。
某工程采用烟塔合一技术与采用烟囱方案主要部分投资相对比较见下表：
烟塔合一方案与烟囱方案投资差别比较
序号
费用名称
单位
烟塔合一
烟囱
1
烟囱（包括防腐）
（万元）
1374
2
烟烟换热器
2400
3
脱硫增压风机
350
4
普通冷却塔
3616
5
烟塔合一的冷却塔综合造价
10182
6
脱硝
12000
合计
22182
7740
由上表可见，采用烟塔合一方案比采用常规烟囱方案投资高约14442万元。
如果常规烟囱方案也设脱硝，烟塔合一方案比采用常规烟囱方案投资也还要高约2442万元。
4结论
综上所述，采用烟塔合一技术在国外已成功应用20几年，在国内，随着环境空气污染物排放标准的提高，已基本具备应用的条件，技术上是可行的。
采用烟塔合一方案有利于烟气的抬升与扩散，有一定环境效益，但由于目前采用烟塔合一方案技术上还主要依赖国外，需要脱硝，总投资比烟囱排烟高，同时对供热的可靠性和工程进度可能有潜在的不利影响，因此，如果工程无烟囱高度的限制，建议现阶段用冷却塔排烟方案的决策要慎重。
对于烟塔合一的技术和环境管理问题，尚有一些问题需要落实，包括需要与环境主管部门进行协调，解决环境影响评价和相关的审批问题。
参考文献
[1]电力建设第26卷第2期2005年2月《火电厂“烟塔合一”技术的应用》，汤蕴琳
[2]环境科学研究第18卷第1期2005《燃煤发电厂烟塔合一环境影响之一》，崔克强，李浩
[3]环境科学研究第18卷第1期2005《燃煤发电厂烟塔合一环境影响之二》，崔克强，柴发合
[4]环境科学研究第18卷第1期2005《烟塔合一技术特点和工程数据》，林勇
[5]《火电厂用冷却塔替代烟囱的探讨》，陈朴
[6]《热电厂与城市环境》，于国续
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