烟塔合一技术认识和国外工程数据.docx
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烟塔合一技术认识和国外工程数据
烟塔合一技术认识和国外工程数据
林勇
（华能国际电力股份有限公司，北京100031）
摘要：
烟塔合一技术是政府环境管理和电力系统工艺进步的结合点。
从环境角度冷却塔的巨大热量和热空气量促进了脱硫后烟气的抬升，更好的保证了地方环境质量；从电力行业讲能源效率提高，排放烟气系统大为简单，减少烟囱、GGH换热器，可以合并锅炉引风机和脱硫增压风机，电厂建设费用降低，有利于发电成本降低。
本文对烟塔合一技术从工程使用角度进行了剖析和分析，介绍了主要工艺特点，并整理了德国二个典型电厂的工程数据。
主题词：
烟塔合一、工程数据
Abstract
TechnologyofNDCTwithfluegasrejectioniscombinationofGovernment'senvironmentalmanagementandpowersystemprocessprogresses.Inaviewofenvironment,enormousheatofNDCTandhotairamountpromoteexhaustgasafterdesulfrizationlifting,betterlocalenvironmentalqualitywillbeassured.Inaviewofpowerindustry,energyefficiencyisimproved,dischargetheexhaustgassystemisverysimple,chimneyandGGHheatexchangerisdecreased,Boilerair-introducedfanandFGDpressurizedairfancanbeunited,expensesofpowerplantconstructionisdecreased,allofthesehelpthecostofelectricity-generatingtoreduce.ThistexthasanalyzedthetechnologyofNDCTwithfluegasrejectionfromproject,introducingthemainprocesscharacteristic,compilingprojectdataoftwoGermantypicalpowerplants.
KeywordNDCT,Powerplantdata
一、烟塔合一技术背景
国内新建火电厂开始大规模脱硫后，电力行业面临脱硫后烟气热量低、含湿量大，对电厂内部来讲脱硫后净烟道、旁路烟道和烟囱造价大幅度上升，对环境管理来讲脱硫后（低热、湿）烟气从烟囱排放环境审查也非常严格，因此脱硫烟气排放成为电力行业和环境管理部门共同关注的一个问题。
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，混合气体抬升高度会远高于比冷却塔高几十米到100米的烟囱，从而促进地方环境质量的提高，同时该技术提高电力系统能源利用效率，简化了电厂烟气系统工艺设计，同时少量降低了电厂投资。
德国从1982年开始建设烟塔合一的火电厂，现烟塔合一方式运行的电厂有二十多个，难能可贵的是有一批老机组也采用烟塔合一方式进行了改造，近年来新建机组基本都采取烟塔合一方式。
华能计划在北京热电厂采用烟塔合一方案，2004年6月华能国际电力股份公司与北京市环保局、西安热工研究院和华北电厂设计院的有关领导和专家一同赴德国考察烟塔合一技术。
考察团实地考察尼德劳森（Niederaussem）和黑泵（SchwarzePumpe）电厂，与德国GEA公司、德国RWE电力集团公司和奥地利能源与环境进行了烟塔合一技术、工程实施方案和环境管理问题进行了认真考察和讨论。
二、烟塔合一技术
德国火电厂烟气脱硫主要是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至65摄氏度，若保证环境质量必须对脱硫后烟气增加抬升高度。
电厂只能在采用烟气加热方式或者借助冷却塔热空气抬升二种方式中选择。
1977年德国研究技术部和SaarbergwergwerkeAG公司联合设计了Völklingen电厂，该烟塔合一机组与并于1982年8月开始运行，1985年完成一系列测评后。
此后烟塔合一技术在德国开始在新建广泛采用，同时部分老机组也完成改造工作。
目前烟塔合一的技术主要在德国发展，新建电厂和老厂加脱硫装置都使用过这种技术。
德国德国有烟气冷却塔运行的有二十多个电厂，装机容量超过12,000MW，最大单机容量已超过978MW。
德国主要烟塔合一的电厂见下表：
电厂燃煤容量
Neurath褐煤2X1100MW
Niederaussem褐煤总计3900MW
Frimmersdorf褐煤总计2400MW
Weisweiler褐煤总计2300MW
BoxbergIV褐煤1X900MW
Jänschwalde褐煤6X500MW
SchwarzePumpe褐煤2X800MW
Lippendorf褐煤2X920MW
Völklingen烟煤1X300MW
RostockD烟煤1X500MW
Staudinger5烟煤1X510MW
德国环境界认为冷却塔热空气将脱硫后净烟气分散排入大气，其效果比传统的烟囱排放要好，冷却塔热空气抬升力使脱硫后净烟气能顺利渗入到逆温层中。
烟塔合一的热力概念为一台300MW机组锅炉烟气量约为100万m3/h，烟气排放120度时其热量为燃烧总热量的5％，含水量为８％。
脱硫后净烟气的湿度（饱和点为45度至60度）大幅度增加、绝对含热量大幅度降低，仅靠烟气加热方法抬升高度难以提高，对污染物浓度扩散的较为不利。
而采用烟塔合一方式可以借助汽轮机循环冷却水放出的巨大热量增加脱硫后净烟气抬升高度，对于300MW凝气机组循环冷却水放热为锅炉热量的40％～45％，按照年均湿度计算冷却塔热空气量约为1800万m3/h，脱硫净烟气和冷却塔热空气量之比为1：
18，混合后总热量上升到锅炉热量中的50％，而且此部分混合气温度常年较环境温度高15度至20度左右。
在风速较小的条件下，脱硫后净烟气的抬升高度借助于冷却塔热空气被大幅度提高，远比冷却塔高出几十米的烟囱抬升高度要高，从而将烟气中剩余的污染物充分扩散。
德国SHL公司提供了有关Völklingen电厂烟塔合一资料：
脱硫净烟气流量为75.6万m3/h，燃用烟煤时脱硫净烟气温度为50度，SO2小于400mg/Nm3，冷却塔高度100米，冷却循环水量1.656万吨，但环境温度为6度时，热空气流量为1740万m3/h。
烟塔合一投产后在1984年11－12月进行了冬季塔的技术监测和大气扩散测量，在1985年夏季5－6月进行了同样工作。
从二架飞机上获得结果证实：
冷却塔排放的烟气比烟囱排放的烟气更加稠密，上升时间也更长。
因而冷却塔排放烟气的扩散抬升高度更高，污染比烟囱排放的烟气要低。
冷却塔可以渗透到非扰动的大气逆温层，达到更高位。
若气象条件出现非扰动性因素时，更能展示烟塔合一排放的优势。
下表为RWE电力集团环保公司提供Völklingen电厂烟塔合一和烟囱烟羽排放的“照相”对比图。
其中烟囱为兰色，标高为170米，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450米高度，烟气轮廓上下较大；但对比粉红色的冷却塔，虽然标高仅为100米，由于其总含热量较大，冷却塔的（烟塔合一）烟羽在排放原点中等距离处的抬升高度迅速超过烟囱烟气排放高度，达到600米高度仍然缓慢上升，最后在700高度时升势趋缓，其烟羽的轮廓较烟气要小，表明扩散的距离可以更远。
表1：
烟塔合一和烟囱抬升对比图，兰色为烟囱，粉红色为烟塔合一，对应虚线为轮廓线。
三、尼德劳森和黑泵电厂概况
1、尼德劳森电厂
RWE电力集团位于德国西北部，主要电厂从法兰克福到鲁尔工业区一带，总部在杜伊斯堡。
RWE集团为德国第一大电力公司，拥有尼德劳森、诺伊拉特（Neurath）等众多大型发电厂，其中脱硫机组总容量为19000MW。
RWE电力集团的尼德劳森电厂是一个具有几十年历史老厂，位于德国科隆东20公里。
老厂已装有2x150MW、4X300MW、2X600MW等八台机组，共计2700MW。
图1：
尼德劳森电厂全景，图中新扩建的987MW机组从锅炉、电除尘、脱硫塔、净烟道和冷却塔一线布置。
尼德劳森电厂新建烟塔合一机组为987MW燃烧褐煤的超超临界机组，于2002年11月启动投运。
锅炉为Alstom-EVT生产的塔型炉，燃烧器八角布置单切圆燃烧，采用低氮燃烧器，没有建设脱氮设备。
烟气分二路分别进入两套石灰石石膏湿法脱硫塔，脱硫后净烟气在脱硫塔顶部直接水平进入冷去塔中心（下倾角为1度）。
烟塔合一设计脱硫后净烟气流量2x191万Nm3/h，对应冷却塔热空气量为8208万Nm3/h。
图2：
尼德劳森新建机组2620吨/时塔式炉剖面，该图表明锅炉为低氮燃烧器减少氮氧化物措施，在尾部烟道没有脱氮设施。
电厂其它机组也均进行了烟塔合一改造。
改造机组采用烟塔合一后，将旧烟囱进行了部分拆除后将顶部封闭。
图3：
尼德劳森电厂原有机组烟塔合一改造后净烟道走向图
2、黑泵热电厂概况
VEAG电力集团组建于1991年，主要电厂分布在德国东部，其中90年代中期利用烟塔合一技术新建大型机组的黑泵热电厂、利朋多夫（2X933MW,Lippendorf）等电厂为世界著名。
黑泵热电厂在柏林东南方向约130公里，该电厂原有一些小型供热机组，通过将小机组拆除建成2台大型供热机组。
二台新机组建成后较原来老厂SO2少排放91%。
图4：
黑泵热电厂模型图
新建机组为2×800MW超临界发电机组，凝汽工况电厂发电效率41%，供热时电厂发电效率可达到55%。
电厂从1993年建设第一台机组，1997年3月发电，第二台机组1998年投产发电。
电厂锅炉仍为Alstom-EVT生产的塔型炉，燃烧器采用低氮燃烧器（无论脱氮装置），锅炉高160米，锅炉蒸发量2420t/h。
在电除尘和脱硫装置间布置给水加热装置将烟气由170℃降至130℃后进入分别进入二套脱硫装置，脱硫后净烟气量为2X195万Nm3/h，从脱硫塔顶部后下弯降低高度后水平进入冷却塔中心，对应冷却塔热空气量为4073万Nm3/h。
图5：
黑泵热电厂热力系统图，图中清晰显示出汽轮机出来的蒸汽供工业用户，电除尘后余热换热器处理的热水给锅炉给水、工业用户和居民供热。
图6：
黑泵热电厂锅炉剖面图，该图表明黑泵电厂锅炉在低温烟气段没有安装脱氮装置。
三、烟塔合一技术及电厂实际数据
1、冷却塔设计技术
冷却塔设计技术为烟塔合一技术核心，基本要求是冷却塔在保证正常汽轮机循环冷却水冷却都情况下，对排入的脱硫净烟气要达到环保要求正常排放，技术上为冷却塔线形及尺寸、冷却塔强度（开孔技术）、冷却塔防腐和汽轮机循环冷却水冷却几个方面。
烟塔合一的主要原则：
（1）最低热负荷要求：
采用脱硫净烟气在冷却塔中心、淋水层上方高速（16m/s~20m/s）排放，冷却塔巨大的热湿空气对脱硫后净烟气形成一个环状气幕，对脱硫净烟气形成包裹和抬升。
为保证脱硫后净烟气正常排放和抬升，烟塔合一的设计要求是汽轮机冷却循环水水量不能小于设计值的50％或者不能低于冷却塔热负荷的30％。
图7：
黑泵热电厂冷却塔中心净烟道出口
（2）冷却塔防腐和脱硫后净烟气排烟温度限制：
冷却塔内部需施以一层基层和二层表层防腐，总厚度不小于150微米；冷却塔外部需施以一层基层和一层表层防腐，总厚度不小于80微米。
理论上将冷却塔的寿命取决于防腐层厚度，因此需限制高温烟气排入。
由于烟塔合一技术已经比较成熟，现在德国烟塔设计公司通过一批项目的实施和长时间的风洞试验的数据积累，已经可以根据中国电厂锅炉烟气量、脱硫后净烟气品质和环保要求，迅速给出冷却塔的概念设计。
2、净烟道设计技术
初期的烟塔合一是冷却塔低位开洞和塔内烟气均布方式。
近十年来设计技术不断进步，1993年黑泵电厂建设时已经采用冷却塔中心排烟技术，设计脱硫后净烟气从中心孔排出时烟气速度为18m/s，不但减少塔壁腐蚀的可能性，而且有利于脱硫净烟气的扩散。
1998年建设尼德劳森电厂新机组时净烟道采用从脱硫塔顶高度直接水平（下倾1度角度）进入冷却塔中心技术，减少了净烟道长度和烟气系统阻力。
图8：
尼德劳森新建机组净烟道
净烟道水平段设计有1°的倾斜度是为了疏水，同时排烟装置一般采用竖直管口向上排放，为保证脱硫净烟气垂直向上，原则上设计竖直向上出口高度为烟道直径的1.5倍。
3、尼德劳森和黑泵热电厂烟塔合一实际数据
名称
单位
黑泵热电厂
尼德劳森电厂
机组发电能力
MW
800
978
锅炉蒸发量
t/h
2320
2620
凝汽器额定背压及对应循环冷却水温度
0.0475/0.0355kPa/23.60C/270C
0.0291/0.0358kPa/23.60C/270C
烟塔循环水热负荷
MW
641
1060
冷却塔循环水流量
t/h
65664
91073
循环水热水温度
℃
26.4
24.5
循环水冷水温度
℃
18.0
14.70
大气干球温度
℃
9.2
9.5
大气湿球温度
℃
7.2
7.6
大气相对湿度
%
76
77
大气压力
hPa
1013
1013
脱硫后净烟气温度
℃
65
64
脱硫后净烟气流量
万Nm3/h
390
2×191（382）
当地政府规定SO2排放值
mg/m3
400
400
脱硫后净烟气SO2保证值
mg/m3
400
200
脱硫后净烟气SO2实测值
mg/m3
120
冷却塔热空气流量
万立米/小时
4073
8208
远距离测量噪声最大允许值
dBA
38（A=648m,B=478m）
37（距冷却塔520m）
冷却塔底部直径
m
104
143.45
冷却塔出口直径
m
61.12
86
冷却塔水池直径
m
109
141
冷却塔喉部直径
m
61.10
85.9
冷却塔进风口高度
m
7.30
13
冷却塔高度
m
141
200
脱硫后净烟道直径
m
6.5
7
脱硫后净烟气排烟方式及烟道距地面高度
脱硫塔顶向下弯后水平排入冷却塔中心/距布水层高度6米
脱硫塔顶直接水平排入冷却塔中心/高度50米
四、考察实际烟塔合一实施工艺情况
1、烟塔合一冷却塔技术
塔壳开孔：
在冷却塔上的开孔一般在淋水层除水器的上方，此处壳体较薄，这样对稳定性很重要的壳体下部就不会产生大的影响。
由于开孔而引起的壳体稳定性降低，壳体开孔处必须通过边缘的加强来补偿。
补偿的措施一般为架设封闭肋梁，肋梁尺寸和洞口加固钢筋需通过应力计算确定。
为防止周围冷空气进入塔内，烟道穿过壳体部分用PVC材料或帆布包裹密封。
图9：
净烟道穿过冷却塔塔壁及边缘封堵
冷却塔的防腐主要有两种方法：
第一是采用防酸水泥，这种方法效果较好，如尼德劳森电厂新建978MW机组冷却塔就是采用的防酸水泥，运行情况良好。
但这种方法价格较高，为保证防酸水泥的足够固化时间，冷却塔的建造周期较长。
第二是采用防腐涂层，如黑泵电厂冷却塔就是采用防腐涂层。
内外壁都必须进行防腐，一般用环氧树脂涂层进行防腐处理，内壁施3层防腐涂层，厚度150μm，外壁施2层防腐涂层，厚度80μm。
图10：
黑泵热电厂冷却塔内壁。
从1997年运行的冷却塔内表面完好，表明腐蚀轻微且可以采用防腐措施克服。
冷却组件：
冷却水塔填料一般为PVC，现在大机组冷却塔也采用压型薄钢叠片制成的填料，防止腐蚀和堵灰。
2、净烟道技术：
净烟道材料及安装：
一般选择玻璃纤维聚脂作为冷却塔净化气管道的材料。
由于这种材料的比重低，用这种材料所制造的管道产生的荷载只有类似钢管的三分之一，因此多数情况下，用塔支撑构件作为净化烟气管道的支架；尼德劳森和黑泵电厂净烟道是采用特殊缠绕法在现场制作的，对于直径6.5米，壁厚30毫米的管子，一次生产出15米长，每米重约1.5吨，价格约为每米2万欧元左右。
单节烟道从现场用特殊工具运到冷却塔，提升到固定结构的导轨上一节一节推进塔内进行安装，支撑或支吊在塔内及塔外支撑架上，最后装配导轨可拆除。
净烟道支撑结构：
净烟道烟道重量绝对不能作用在冷却塔壁上，必须由塔外钢架及塔内立柱支撑。
对于改造机组，一方面更换轻型结构的填料，另一方面冷却塔钢筋混凝土支架基础用混凝土基座加固，支架顶连在一起，用拉杆和压杆将其与支撑构件的固定点相连，并且塔外设计有支撑钢架。
图11：
尼德劳森冷却塔内净烟道支架
净烟道与冷却塔之间设置有帆布样密封，烟道重量不作用在冷却塔壁上，而是由塔外钢架及塔内立柱支撑。
烟道设计有膨胀节如图：
图12：
净烟道膨胀节及维修平台
五、RWE电力集团扩建诺伊拉特电厂（Neurath）方案
RWE电厂集团在位于科隆市西南35公里的Neurath要再建设二台1100MW燃用褐煤机组，已于2003年底于各个设备厂商签订了合同。
德国政府已经批准该电厂采用烟塔合一方式，电厂总规划平面图为：
图13：
诺伊拉特电厂平面图
诺伊拉特电厂每台锅炉烟气流量为474万标立米/小时，脱硫塔二氧化硫入口浓度为3948毫克/标立米，脱硫后净烟气标准为二氧化硫196毫克/标立米。
锅炉仍采用低氮燃烧器控制氮氧化物浓度排放。
脱硫塔正在进行初步设计为，其三维示意图如下：
图14：
诺伊拉特电厂脱硫塔设备和净烟道三维设计图
设计烟塔合一的冷却塔为高度172米，出口直径118米，净烟道直径为10米。
结束语：
德国开始实施烟塔合一时，电力和环境行业对冷却塔的热力分析、建设方案和环境影响有多种不同认识，随着工程的逐渐实施，德国已经结合自己的工程出台了相关技术标准和评价准则。
现在德国环境管理为公示和备案制度，新大型机组建设利用烟塔合一技术建造，说明技术的成熟性和可靠性。
1993年黑泵（SchwarzePumpe）电厂2X800MW机组开始建设，1995年利朋多夫（Lippendorf）电厂2X933MW机组开始建设，1998年尼德劳森（Niederaussem）电厂978MW机组开始建设，以上电厂投产后全部运行良好，都成为烟塔合一的经典电厂，充分显示了烟塔合一点优越性。
2004年正在开工建设的诺伊拉特电厂（Neurath）电厂2X1100MW机组更是映证了这一观点。
在中国新一轮的电厂建设中，应当认真分析该技术如何在国内实施，在保证环境质量的同时降低电厂建设成本。
资料和数据来源
德国GEA公司
德国SHL公司
奥地利能源与环保公司
德国RWE电力集团公司
德国VEAG电力集团公司
西安热工研究院
北京、半山、重庆三个电厂后评估报告（国家电网公司，舒慧芬）
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