烟塔合一技术在华能北京热电厂的应用
湿法烟气脱硫技术具有脱硫反应速度快、脱硫效率高等优点，已在燃煤电厂得到了广泛应用。采用湿法脱硫技术脱硫后的烟气温度通常为45～65 ℃，为了保证烟气有足够的抬升高度、改善烟气的扩散效果，一般都要对湿法脱硫后的烟气进行再加热，但烟气再加热的方法将增加火电厂的建设成本、降低能源的利用效率。
烟塔合一是将湿法脱硫后的烟气送入自然通风冷却塔与冷却塔气流一起排入大气的烟气排放技术。烟塔合一技术利用冷却塔巨大的湿热空气上升气流对脱硫后的净烟气形成包裹和抬升，从而促进烟气中污染物的扩散。采用该技术可以省略火电厂湿法烟气脱硫系统的再热器和烟囱，大大简化了火电厂的烟气系统，减少了设备投资，因此具有很好的经济性。
烟塔合一技术于20 世纪70 年代起源于德国，并随后逐渐在其国内得到推广引用，目前其已发展成了一项相当成熟的技术。近几年，随着我国湿法烟气脱硫技术的广泛应用，烟塔合一技术也逐渐引起了广泛关注。中电投远达环保工程有限公司承建的华能北京热电厂一期脱硫工程中，率先引进、应用了具有国际先进水平的烟塔合一技术，并于2006 年10 月顺利投运了国内第一个应用烟塔合一技术的脱硫工程。本文将针对华能北京热电厂烟塔合一技术的设计、运行等情况进行总结，以供借鉴。
1 北京热电厂脱硫系统概况
1.1 基本情况
华能北京热电厂一期总装机容量为1 000 MW，共4台机组，锅炉是由德国Babcock公司设计，每台锅炉额定蒸发量为830 t/h。锅炉烟气全部进行脱硫处理，采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术、一炉一塔布置，脱硫后烟气采用烟塔合一技术排放，取消了传统的烟气烟囱排放，4台锅炉共用1 座冷却塔进行烟气排放。脱硫工程由中电投远达环保工程有限公司总承包，该工程于2005年6月开工，9月烟塔投入运行， 2006年10月至12月，4套脱硫系统相继投产。
1.2 烟塔合一技术特点
烟塔合一技术就是取消火电厂中的烟囱，将脱硫后的锅炉烟气经自然通风冷却塔排放到大气，其工艺流程如图1 所示。烟塔合一技术取消了再热设备和烟囱，减少了工程投资和运行费用。省去烟气再热系统，还可以避免未净化烟气泄漏而造成脱硫效率的下降。同时，研究表明，烟塔合一技术可以大大提高脱硫后烟气的抬升高度，有利于烟气扩散和降低大气污染，为有烟囱限高要求的工程提供了一种更好的烟气排放方式。
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与传统工艺相比，烟塔合一技术具有技术、经济和环境优势，目前已在华能北京热电厂、国华三河电厂、天津国电津能公司等电厂得到推广应用。该技术在应用过程中需要注意的关键点如下：
(1) 冷却塔腐蚀。脱硫后的净烟气通过玻璃钢烟道直接进入冷却塔与水蒸汽混合后排入大气，烟气中的腐蚀介质（CO2、SO2、SO3、HCl 和HF）与水蒸汽接触，凝结的水滴回落到冷却塔，并在冷却塔筒壁形成大的液滴。含有酸性气体的液滴在向下流动过程中，会对冷却塔的壳体产生严重的腐蚀，局部pH 值可能会达到1[2]。由于冷却塔内面积大、湿度高、不易维护，因此烟塔合一技术中的冷却塔防腐至关重要。
(2) 脱硫系统的可靠性和可控性。烟塔合一技术均取消了烟气旁路，当锅炉启动、进入吸收塔的烟气超温或脱硫浆液循环泵全部停运时，烟气不可能从旁路绕过吸收塔，而是必须经过吸收塔，通过冷却塔排入大气。此时，为了保证脱硫系统的安全，脱硫系统的可靠性和可控性至关重要，这通常需要脱硫系统控制与电厂主机控制联锁、采用可靠的脱硫设备、设置可控的事故喷淋装置[3,4]。
2 烟塔合一技术脱硫系统设计
2.1 冷却塔结构及烟道布置
北京热电厂采用4 台锅炉共用1 座冷却塔进行烟气排放，其中，1#、2#机组脱硫后烟气通过1 根FRP 管道进入冷却塔；3#、4#机组脱硫后烟气通过另1 根FRP 管道进入冷却塔，平面布置见图2。为了节省文章篇幅，图中未画出 3#、4#机组脱硫系统。同时由于本工程是在机组相应预留位置安装脱硫装置，电厂烟囱在脱硫装置运行初期予以保留。冷却塔为加高型，其高度为120 m，进风口高6.5 m，冷却塔底部直径为70 m，喉部直径为39 m，出口直径为42 m，支柱对数为24对。
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冷却塔为单竖井供水，塑料淋水填料搁置式布置，塔筒为双曲线型薄壳结构，壳体上开有两个直径为 9 m的孔洞，孔洞中心高度为28.8 m，冷却塔内采用耐酸水泥防腐。进入冷却塔的烟道在塔壁处中心高28.8 m，中心线与水平夹角为35°，烟道直径为7 m，塔内烟道出口高42.8 m。每台锅炉吸收塔后的烟道直径为5 m，脱硫吸收塔至冷却塔之间的烟道采用玻璃钢材料，烟道在冷却塔区域布置如图3所示。
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2.2 吸收塔及内部件设计
采用烟塔合一技术，关键是要解决脱硫系统设计的安全性和可靠性。吸收塔作为脱硫系统最关键的设备，如何有效防止事故状况下高温烟气对吸收塔的影响，是系统设计首要解决的问题。吸收塔设计中特别考虑了以下几点：
(1) 吸收塔及烟道防腐。吸收塔及烟道防腐如图4所示，吸收塔壳体由碳钢制作，喷淋层、浆液池内表面、吸收塔出口烟道采用3 mm厚玻璃鳞片树脂内衬防腐，其余内表面采用2 mm厚玻璃鳞片树脂内衬防腐。为了保证吸收塔长期安全可靠运行，有效防止烟气温度波动、事故状况下高温烟气对吸收塔的影响，以及抗磨损要求，烟气冷却器至吸收塔烟气进口烟道采用6 mm厚C276合金，增压风机至吸收塔入口之间的烟道、烟气冷却器外科采用2 mm厚1.4529不锈钢内衬防腐。吸收塔出口烟道挡板后采用玻璃钢烟道，不做防腐处理。
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(2) 烟气事故喷淋系统。为防止脱硫系统运行期间进入吸收塔内的烟气温度过高、浆液泵全部停运等情况出现，在吸收塔入口烟道上设有1 路烟气事故喷淋系统和1 路除雾冲洗水（上层）。当烟气温度超过140 ℃时，启动1 路事故喷淋和1 路除雾器上层冲洗阀进行烟气降温。当烟气温度低于 135 ℃并且吸收塔出口温度低于55 ℃，自动停止事故喷淋和除雾器上层系统。当烟气温度超过160 ℃时，或吸收塔出口温度高于65 ℃，延时5 s，停止脱硫系统。当吸收塔浆液泵全部停运时，则启动事故喷淋系统、机组跳闸停运。
(3) 系统可靠性设计。为了减少脱硫系统带来的机组停运率，保证机组可用率，本工程中的制浆系统、供水系统石膏脱水系统、石膏卸料系统及其相应设备均为一运一备，增压风机、氧化风机、排浆泵、浆液循环泵、搅拌器及监测控制设备等均是选择性能优良、可靠性高的设备。
主要设备电源供应的可靠性，也是系统可靠性设计重点考虑的一个方面。本设计中采用分段式供电设计，即DCS、吸收塔搅拌器、工艺水泵等设备的电源接在保安电源的不同保安段上。浆液泵尽管不接在保安电源上，但仍分4段连接，确保至少有1台浆液泵运行。
3 烟塔合一技术脱硫系统启停与运行技术
3.1 脱硫系统的启停顺序
脱硫系统启动顺序为：①启动工艺水系统及压缩空气系统；②启动石灰石浆液制备系统、氧化空气系统、石膏排浆系统、浆液循环泵运行；③投入烟气冷却器；④启动烟气系统运行；⑤启动石膏脱水系统及废水处理系统。
脱硫系统停运顺序为：烟气系统、浆液循环泵、石灰石浆液制备系统、烟气冷却器、脱水系统、废水水处理系统、工艺水。
3.2 脱硫系统起停和运行关键技术
(1) 在锅炉点火启动时，由于煤粉未完全燃烧，因此投入电除尘器的每个电场应控制二次电压数值，电压控制在起晕电压和闪络电压之间，并对二次电流限流运行，防止飞灰在电除尘器内进行二次燃烧。
(2) 锅炉点火启动时，由于未完全燃烧煤粉不可能全部由电除尘器收集，吸收塔浆液存在被污染的可能，应根据运行情况及时置换浆液，即大量补充新鲜的石灰石浆液同时排放污染的浆液。
(3) 防止吸收塔入口粉尘浓度高对脱硫系统的影响。由于脱硫系统没有烟气旁路，为防止浆液遭受粉尘的污染，因此在运行期间密切监测电除尘器出入口粉尘浓度、CEMS 系统的主要参数。当电除尘器部分电场因故障停运，造成吸收塔入口烟气中颗粒浓度超过230 mg/Nm3，锅炉应根据实际情况降负荷运行，通过分析吸收塔内浆液、石膏品质等参数，确定脱硫系统是否运行、停运。当电除尘器部分电场因故障停运，但吸收塔入口颗粒浓度低于230 mg/Nm3，此时脱硫系统继续运行，但需密切关注吸收塔内浆液、石膏品质等参数变化。
4 社会经济效益分析
4.1 经济效益分析
本工程设计中，由于还保留旁路挡板、原烟气挡板和净烟气挡板，这部分投资基本上没有变化。由于考虑设备的可靠性，部分设备采用了进口产品，同时设置备用泵、事故喷淋系统、玻璃钢管道及冷却塔防腐等，这部分相对增加了投资，增加约1000万元，增加这部分资金，基本上可以与取消 GGH节约节省的资金抵消。考虑系统节省的维护费用、厂用电费用及水耗费用，每年可节省运行费用约400万元。
由于本工程为老厂改造工程，经济效益不是十分明显。若烟塔合一技术在新建电厂应用，则经济效益相当显著，以 300 MW配套脱硫工程为例，效益分析见表。
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4.2 社会效益分析
中国环境科学研究院对华能北京热电厂冷却塔烟气排放效果进行了环境影响评估，结果表明[5]：在设计工况下， 120 m高的冷却塔对地面造成的二氧化硫、烟尘和氮氧化物年均落地浓度，总体好于240 m高烟囱对地面造成的落地浓度，其中冷却塔排放的SO2 年均质量浓度最大值为0.16μg/ m3，PM10年均质量浓度最大值为0.02 μg/m3，烟囱排放的 SO2 年均质量浓度最大值为0.36 μg/m3，PM10年均质量浓度最大值为0.04 μg/m3。
5 结语
烟塔合一技术不仅可以节省烟囱、再热器等土建与设备投资和运行维护费用，而且有利于烟气有效扩散、降低污染物的落地浓度，是一种先进、经济社会效益显著的脱硫工艺技术。本文总结了华能北京热电厂烟塔合一技术的设计、运行等情况，提出了烟塔合一技术在设计、运行中需要特别考虑的问题，如冷却塔防腐、脱硫系统可靠性和可控性等。该工程于2006 年10 月投入运行，截至目前，系统运行稳定，未出现因脱硫系统故障导致停炉情况，系统脱硫效率满足设计要求值。
参考文献
[1] 翟明, 董芃, 王丽. 利用冷却塔排放脱硫湿烟气技术的应用[J]. 电站系统工程, 2005, 21(4): 27～29. [2] 曹希萍, 冯璄. 浅析排烟冷却塔及在国内工程中的应用[J]. 电力设计, 2007, (1): 47～51. [3] 蒋丛进, 封乾君. 国华三河电厂脱硫装置取消烟气旁路技术[J]. 中国电力, 2007, 40(11): 93～96. [4] 曾德勇. 国内脱硫烟塔合一工程设计[J]. 电力建设, 2007, 28(5): 57～60. [5] 崔克强, 柴发合. 燃煤发电厂烟塔合一环境影响之二——华能北京热电厂烟塔合一设计环境影响估算[J]. 环境科学研究, 2005, 18(1): 31～35.
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