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1、1美国电力研究院（EPRI） 湿烟囱设计导则CV Weilert L.A. Maroti R.G. Rhudy J.E. Smigeiski 王亚峰 马果骏 译摘要由于再热系统的成本很高，美国的湿法烟气脱硫系统（Wet FGD Systems）新建或改造项目现在都考虑采用湿烟囱。为满足清洁空气法（Clean Air Act）的一期酸雨控制计划的要求，所有按此环保要求设计的改造系统都采用了湿烟囱。对于二期计划，装配有湿法烟气脱硫系统的电站将会由于超量烟气洗涤而受益。 对于那些目前仍采用旁路再热的机组，可通过关闭旁路来对锅炉的全部烟气流量进行洁净处理，从而满足二期计划的环保要求。在此情况下，需要将
2、现有系统改造为湿烟囱运行。出于对今后烟气脱硫应用中采用这些湿烟囱方案的兴趣，美国电力研究院（EPRI ）通过与 NYSEG 进行专项合作，聘请了 Burns & McDonnell 和 DynaFlow系统公司一同编制湿烟囱的设计导则。本文对此湿烟囱设计导则进行了简要的概述。2引言“湿烟囱”的定义为：用以排放饱和的且全部清洁过的烟气的烟囱或烟道。湿烟囱位于湿法烟气脱硫系统的下游。在上游的湿法脱硫系统中，脱硫浆液被喷入烟气流中与其发生化学反应，通过一系列的脱硫化学反应、二氧化硫的含量降低了、烟气也达到饱和、并且烟气温度也降到 5055。 本文中所讨论的湿烟囱运行不采用任何烟气再热系统或部分烟气旁
3、路。 “1990 年清洁空气法修订案（CAAA） “要求电站应减少二氧化硫的排放。为符合”CAAA“一期酸雨控制计划的烟气排放要求，有几家电站已经加装了湿法烟气脱硫系统。其它电站都已决定消除部分旁路，对 100%的烟气进行清洁洗涤，以便能够减少二氧化硫的排放，并以此作为他们为满足”二期酸雨控制计划“而采取的部分措施。新建的或改造的 FGD 系统一般都采用湿烟囱运行，因为这可以降低运行成本。 湿烟囱设计导则的目的是为脱硫产业提供湿烟囱设计和规范有关的信息和建议。湿烟囱设计须解决未洗涤或再热的烟气之烟囱设计中未出现的具体问题。此设计导则的目的归纳如下： 提供背景信息； 更新先前出版的信息； 确定需
4、要考虑的参数和选项； 提供有关湿烟囱设计的具体建议。湿烟囱应用方案对于电厂设计方和运营方两者来说，由于他们都很关注如何降低维护工作量以及如何提高系统运行效率等问题，因此湿法烟气脱硫系统取消再热系统而采用湿烟囱设计是一项切实可行的选择。在以下情况下，湿烟囱设计方案可作为用旁路烟气或用再热系统来提升烟囱入口烟气温度的替代方案： 带有湿烟囱的新建机组 带有湿烟囱的改造洗涤塔 改造成湿烟囱运行第一种情况：当需要新建一台机组时，并且该新建机组将安装一台烟气洗涤塔和一座湿烟囱。在这种情况下，设计方在内衬选材和烟囱选型方面被赋予最大的自由3度。此时，应该考虑采用最先进的湿烟囱设计，因为此设计方案是根据现有最
5、新的分析、实验和现场数据而确定的。 第二种情况：对现有的电厂加装一台新的湿法烟气洗涤塔系统。在此情况下, 最为重要的湿烟囱设计考虑是现有的烟囱内衬和烟道从材料角度以及从运行角度来讲是否能适应新的湿环境。如果不能适应的话，则必须对现有的内衬和烟道进行改造。由于对现有的烟道进行改造需要一定的电厂停炉时间，通常更为经济的做法是为经过洗涤的烟气新建一座烟囱，并在需要时，使用现有的烟囱作为洗涤塔的旁路来排放烟气。 第三种情况：现有的湿法烟气洗涤系统运行中采用再热系统或部分烟气旁路。为了降低二氧化硫的排放以及消除再热系统的维护工作，该套装置需要改造成 100%的湿态运行 （即完全排除再热或烟气旁路） 。必
6、须就新的运行条件和烟气特性对现有的出口烟道、烟囱内衬材料以及几何形状进行调查。然后，要么需要对现有的系统进行改造，要么加装一座湿烟囱及/或内衬。 湿烟囱设计和运行需要考虑的因素湿烟囱设计需要考虑如下重要的因素 有关法规的考虑 烟囱液体排放 烟羽下洗 腐蚀/化学侵蚀 烟囱内衬几何形状 内衬中的烟气流速 集液装置和疏水装置有关上述事宜的概述见下文。4有关法规的考虑为了满足美国环保局（EPA）的相关法规以及为了适当处理相关的许可问题，以下事项应予以考虑：地面浓度/扩散模型除了排放标准外，电站还必须满足州制定的有关地面浓度的标准。能够满足排放标准并不意味着能保证满足地面浓度（GLC）标准。地面浓度取决
7、于一系列因素，如排放工况、烟囱高度、烟气的特征、附近地域特征，以及气象条件。由于通过湿烟囱排放的烟气温度较低，因此不如经过再热系统加热的烟气有浮力。基于以上原因，从理论上讲，烟囱烟气再热系统所产生的地面浓度要比湿式系统的低。根据以往的经验，实际的模型很少显示再热方式是能否满足国家环境空气质量标准（NAAQS）的决定性因素。如果地面浓度模型确实证明这是一个问题，则可以对通过减少排放来达到降低浓度的许多方法进行审查，以作为一项改造项目可行性研究的一部分。通过使用二元酸（DBA ）或对吸收塔进行机械改造，可以提高二氧化硫的脱除效率。这样便可以抵消由于省却再热系统（将会导致更低的烟羽抬升高度）而导致的
8、地面浓度的增加。通过减少烟气排放来满足地面浓度标准的方法相对采用烟囱烟气再热的方法来说，或许是一个更为有效的解决方案。 许可问题对于防止重大（环境）恶化许可计划（PSD）来说，通过改变物理特征或运行方式的烟囱改造将不需要申请许可，除非这会带来排放量的增加。然而，EPA、州政府或当地的空气质量管理局可能会要求进行空气质量影响分析。在此分析过程中，必须一并解决烟囱高度以及扩散技术等问题。对于新的烟囱，优良工程惯例（GEP）的烟囱高度应予以适用。GEP 高度是建筑物或其它邻近结构物高度的一个函数。 EPA 在 联邦法典（CFR）第 51 部分，第 40 款中对烟囱高度规程有相应的规定。大多数州都已经
9、采用了烟囱高度规程，以满足这些联邦法规要求。 这些规程要求：为控制空气污染物而要求的排放限定值应不受烟囱高度超出 GEP的部分或其它扩散技术的影响。扩散技术包括对烟囱的参数进行计算处理。在烟囱上安装调节门将可算得上是一项扩散技术。相关规程并不禁止安装调节门。相反，规程禁止将其对烟羽抬升的影响纳入空气质量分析或排放限制的设定中。烟囱液体排放烟囱液体排放（SLD）也叫做烟囱雨（rainout）或酸雾沉降( acid mist fallout)。应注意所有的湿烟囱都会具有一定量的烟囱液体排放。然而，只有当液滴大到可以在烟囱邻近地面上可以检测到时，烟囱液体排放才是一个问题。 从烟囱顶部排放的液体量是在
10、吸收塔排放出口和烟囱内衬顶部之间的烟道和烟囱5系统中发生的气体和液体流动过程的产物。液体排放的来源可以通过液体流动过程和液滴尺寸来确定，具体如下： 没有沉积在烟气流动通道上的，而由烟气流从吸收塔携带至烟囱内衬顶部的液滴。只有细小液滴（50 微米）才能流通过烟道，而不产生沉积。这意味着对于大多数常规的洗涤系统设计，吸收塔和烟囱之间有水平连接烟道， 大多数大颗粒的液滴将会沉积在烟道的表面。 从烟道表面的液体沉积物和冷凝物上重新带走的液滴。这些液滴都比较大，通常它们是造成烟囱液体排放的主要因素。 由冷凝形成的液滴。这些液滴呈现出较大的液体流量，但且非常细小的液体，它们对在地面上所能检测出的烟囱液体排
11、放的影响可以忽略。 在那些烟气流速高于内衬材料的逆流速度的烟囱区域里，沉积在以及凝结在内衬上的液体会向上流动。烟囱内衬的顶部流速是最高的，在这里被重新夹带的液滴尺寸有可能会比较大 （300-2000 微米） ，这取决于内衬顶部的几何形状。在烟囱节流喉管的上部的液体流向通常是向上的。 电厂烟囱液体沉降物的数量和位置是所排放的液体和诸如外界温度、风速风向、相对湿度以及湍流等级等外界环境条件的一个函数。湿烟囱设计其中一个重要的目标是要将烟囱液体排放量限制在最低可接受水平。其目的是要限制排出烟囱的液滴尺寸。如果液滴足够小，它们在降落到地面之前便可以蒸发掉。然而，如果液滴比较大，它们便会降落到电厂的结构
12、物、设备、汽车等物体上。根据为设计导则所做的湿烟囱调研结果，可察觉的液滴的沉降区域通常在离烟囱 800m 半径范围内。烟羽下洗若产生饱和烟气的电站烟囱采用低速的烟羽排放，可以降低烟囱液体排放量，但是在高风速下，会增加烟羽下洗的几率。 当发生烟羽下洗时，饱和的烟气便会降落并与与内衬、烟囱罩和烟囱筒体接触。由于烟囱的结构材料受到烟气中的二氧化硫的腐蚀会发生恶化。同时，还会增加烟囱顶部结冰的几率。 烟囱顶上的侧风会使烟羽垂直的流向发生偏转。当对于单个烟囱，烟羽的垂直分动量和风的水平分动量的比值小于 2.0 时， 部分烟羽可能会被烟囱的下风侧形成的涡流夹带。此现象被称为烟羽下洗。为了减少烟羽下洗的发生
13、频率，则必须提高动量比，这可以通过减少通烟筒的直径，或者在通烟筒的顶部安装节流喉管来达到。腐蚀/化学侵蚀采用湿烟囱运行时，腐蚀问题相比采用再热方式的脱硫系统的要轻一点，但是仍然必须予以考虑。腐蚀是由来自吸收塔的湿态酸性烟气流导致的。然而，此腐蚀是可6以预防的。首先，烟道的底面必须予以倾斜以便于排放腐蚀性液体。其次，接触烟气的烟道材料和烟囱通烟筒的内衬必须具有耐化学侵蚀性。目前，有许多材料可供洗涤塔出口烟道和烟囱内衬选用。这些材料是根据来自吸收塔的烟气以及冷凝物的化学特性而选择的。在现有的集液技术和材料选型下，是可以达到腐蚀预防效果的。可供湿烟囱运行选择的内衬材料包括以下几种： 耐酸砖 硼硅酸泡
14、沫玻璃砖 防护涂层 玻璃纤维加固塑料（玻璃钢） 镍合金 钛烟囱高度对于烟囱高度， 在美国环保局的出版物“EPA-450/4-80-023R“， “符合优良工程惯例的烟囱高度测定导则（烟囱高度规程的技术支持文件） ”中有相应的规定。烟囱高度的确定应通过按国家环境空气质量标准的一个空气质量扩散模型来确认。并且相关信息必须提交给美国国家环保局审核。 符合优良工程惯例（GEP）的烟囱高度可通过下式算出：GEP = Hb +1.5L其中：Hb = 附近结构物的高度； 以及 L = 取附近结构物的高度或投影的宽度两者的较小值； EPA 的导则对测定 GEP 烟囱高度有关变量提供了更为明确的描述和定义，在
15、GEP 测定之前，必须详细阅读该导则。 烟囱内衬的几何形状在确定新建湿烟囱的总体几何形状时应该综合考虑多种因素。烟囱通烟筒的几何形状应能提供最为经济的构造以便适应所要求的物理和设计的限制。烟囱通烟筒直径应根据所建议的烟气流速进行选型以便能适应内衬上液体流。在烟囱通烟筒直径的选型中必须考虑平台、通道系统以及检修方法等因素。 烟囱通烟筒的直径可以为垂直的，单锥体的或者是多锥体的。同时，还应对烟囱通烟筒的几何形状进行评估，以便尽可能减少风载和地震载荷的影响。请参考附图-带有砖砌内衬的典型烟囱 。 7在内衬里的烟气流速在通烟筒里的烟气流速是一个非常重要的因素，如果处理得当的话，可极大地减少烟气流的二次
16、夹带。从除雾器处带走的液滴沉积在烟道和烟囱通烟筒的内表面上。 随着液滴的不断沉积，它们便会受到由自身重力的影响的向下拉力，同时，烟气也会对液体施加一个与烟气流同一方向的拉力。当来自烟气的力达到或超出液滴自身重力和内表面的张力时，液体便会从烟道或内衬壁上脱落。然后，液体会重新进入或被二次夹带，进入烟气流并被携带出烟囱。此时，烟气流速也称为二次夹带临界速度。湿烟囱设计方应根据集液系统的设计考虑来选择内衬的直径。内衬直径的选型最好能保证烟气流速低于二次夹带临界速度，并且还应留有适当的裕度。这将增加液体在烟囱内收集的几率，从而避免随烟气流一起排出烟囱。 在表 1 中提供了有关供烟囱内衬直径选型用的速度建议。 二次夹带临界速度随着内衬的表面粗糙度和材料的不同而不同。具有较高不连续性和粗糙度的表面，如砖砌内衬，与较平的表面如镍合金贴衬相比，更有可能会引起液体的二次夹带。例如，在相同的烟气流量和流速条件下，砖砌内衬要比镍合金贴衬所
