蘇躍進，董寶林

（國家電投集團河南電力有限公司，河南鄭州450016）

火電廠普遍采用的濕式通風冷卻系統(tǒng)是大氣中氯離子（Cl-）的排放源，目前，鮮有對該系統(tǒng)Cl-排放量的研究。 循環(huán)水中Cl-濃度較高，冷卻塔風吹損失液滴排放至大氣后液態(tài)水蒸發(fā)，液滴所攜帶的Cl-會在大氣中形成氯鹽細顆粒物。 一般認為冷卻塔風吹損失對應的液態(tài)水很少，對冷卻塔排放的包括Cl-在內的水溶性離子量可忽略不計。

大氣中的氯鹽對霧霾、臭氧生成有明顯影響。刀谞等〔1〕在研究2013 年京津冀大氣顆粒物所含的水溶性離子后發(fā)現(xiàn)，73.9%~94.8%的水溶性離子分布在PM2.5 中，冬季PM2.5 所含水溶性離子中，Cl-的占比為6.9%。 氯鹽具有較高的吸濕增長因子，在高濕氣象條件下，氯鹽潮解后的體積比原體積顯著增加〔2〕。蘇躍進〔3〕分析了火電廠濕式通風冷卻塔排放水溶性離子的問題，分析表明，在風吹損失率取0.05%經驗值的情況下，2017 年全國火電廠冷卻塔排放水溶性離子量約為1.32×105t。Cl-對近地面的臭氧污染生成具有促進作用。 對流層內Cl-與五氧化二氮（N2O5）在夜間發(fā)生非均相反應生成硝酰氯（ClNO2），ClNO2在光照條件下會發(fā)生熱解并釋放出氯自由基。 氯自由基具有高反應活性， 可以與揮發(fā)性有機化合物（VOCs）發(fā)生反應，從而對臭氧生成產生影響。 煤炭燃燒后，濕法脫硫等環(huán)保設施對煙氣中的HCl 有一定的脫除作用，其中，濕法脫硫的脫除率達到95.5%，估算2014 年全國氯化氫（HCl）的排放量為4.58×105t〔4〕。Yiming Liu 等〔5〕認為燃煤是主要的氯排放源，2012 年中國燃煤產生的HCl 和氯氣（Cl2）排放量分別為2.3×105t 和9.4×103t。

對使用濕式通風冷卻塔的火力發(fā)電廠， 有必要準確分析其Cl-排放量。 一定的運行狀態(tài)下，火電廠濕式通風冷卻塔排放的Cl-量約等于循環(huán)水Cl-質量濃度和風吹損失水量的乘積。 近些年來，循環(huán)水Cl-質量濃度升高很快，Cl-質量濃度通過硝酸銀容量法可以準確獲得〔6〕。 20 世紀90 年代，處于西北嚴重缺水區(qū)域的秦嶺電廠循環(huán)水系統(tǒng)的平均濃縮倍率僅達到1.6~1.8〔7〕，補充水Cl-質量濃度約為60 mg/L。 目前，不少工業(yè)排放廢水中含有較高濃度的Cl-，排入自然水體后，會提高自然水體的Cl-質量濃度〔8-9〕。 無論是使用城市中水、地表水還是地下水，補充水中的Cl-濃度都在升高。 為節(jié)約用水，對循環(huán)水的濃縮倍率基本要求是達到3~5 倍，需要實現(xiàn)廢水零排放的火電廠，循環(huán)水的濃縮倍率需控制在8~10 倍〔10-12〕，循環(huán)水中的Cl-顯著富集。 火電發(fā)電量增長很快，冷卻塔的風吹損失水量相應快速增長〔3〕。

及時、 準確地獲得火力發(fā)電廠濕式通風冷卻塔風吹損失率非常困難，一般取0.05%~0.1%的經驗值〔11，13-17〕。 對風吹損失率的測量方法主要有2 種，即濾紙增重法〔16-19〕和等速取樣法〔20〕。趙振國等〔21-22〕還列舉了其他測量方法。 這些方法的共同特點是對小粒徑液滴的捕捉能力差。 章立新等〔23〕改進了飄水率收集方法，在循環(huán)水流量較高的情況下，飄水率測試結果比濾紙增重法提高了約50%。 梁雙印等〔24-25〕采用高壓靜電裝置回收冷卻塔的風吹損失液滴， 測試結果是經驗值0.1%的6~7 倍， 極板間施加的電壓越高，捕集的液滴量越大。

風吹損失率取值是否準確， 對準確評估循環(huán)冷卻系統(tǒng)的性能、對水量平衡法計算濃縮倍率的準確性有明顯影響。對濃縮倍率的計算通常有2 種方法，一種為循環(huán)水和補充水的特定成分的質量濃度比N1，一種是用水量平衡法得到的N2〔26〕。鉀離子（K+）質量濃度幾乎不受循環(huán)水系統(tǒng)加藥加酸影響〔27〕，但所用火焰光度法測量的操作相對復雜〔28〕。 在總溶解固形物（TDS）濃度比較高的情況下，循環(huán)水中加藥加酸對其測量結果影響較小，用TDS 質量濃度變化計算的循環(huán)水濃縮倍率N1TDS更接近于真實值。 本研究將N1TDS作濃縮倍率的真實值對待。

利用水量平衡方法所得N2值應當接近于N1TDS值，但分析后發(fā)現(xiàn)，N2值比N1TDS值始終大較多。 N1TDS計算用的參數(shù)都是測量值，N2計算時用到的風吹損失率是經驗取值、蒸發(fā)損失率依據(jù)經驗公式，因此懷疑N2值偏大可能是因為風吹損失率、蒸發(fā)損失率取值不準所致。依據(jù)水量、鹽量平衡計算得到冷卻塔的風吹損失率、蒸發(fā)損失率，發(fā)現(xiàn)風吹損失率經驗值被嚴重低估，包括Cl-在內的水溶性離子排放問題非常突出。

1 材料與方法

對某2×600 MW 燃煤電廠的循環(huán)水系統(tǒng)運行結果進行分析。 目標電廠使用雙曲線濕式自然通風冷卻塔，單塔設計循環(huán)水流量67 000 t/h，淋水面積8 500 m2，設計風吹損失率為0.1%。 使用BO-160-45波形塑料除水器，風速1.5 m/s 時，收水效率為95.4%〔29〕。

根據(jù)第三方機構所做《全廠水平衡測試項目試驗報告》，獲得循環(huán)水系統(tǒng)的水量平衡參數(shù)。 目標電廠按季度開展水質檢測，可獲得全廠較長期間內補充水、循環(huán)水的特定成分質量濃度值。 目標電廠在t1~t10 期間， 采用地表河水做補充水源；t11~t19 期間，采用城市中水做補充水源。 補充水系統(tǒng)為2 臺機組的公用系統(tǒng)。

1.1 對風吹損失率計算條件的理想化處理

一般地， 蒸發(fā)損失和風吹損失是以排放至大氣的水的氣液態(tài)存在形式進行區(qū)分， 氣態(tài)水歸入蒸發(fā)損失，液態(tài)水歸入風吹損失。在冷卻塔排放水的過程中，伴隨巨量的熱交換過程，水的這2 種形態(tài)始終處于變化中，并非固定不變。

為避免水的氣液形態(tài)對測量和分析的影響，對風吹損失率計算條件做理想化處理。 將冷卻塔排放至大氣的水理想化為2 種類型， 一種是不含特定成分的水，不管是氣態(tài)還是液態(tài)存在形式，都歸入蒸發(fā)損失水量； 一種是和循環(huán)水所含特定成分的質量濃度相同的水，都歸入風吹損失水量。

計算過程中，不考慮循環(huán)水系統(tǒng)加藥加酸處理、大氣中污染物帶入循環(huán)水中特定成分的影響。 根據(jù)特定成分的量的平衡關系， 補充水量帶入系統(tǒng)的特定成分量減去排污水量帶出系統(tǒng)的量， 就等于風吹損失水量帶出系統(tǒng)的特定成分量； 用風吹損失水量帶出系統(tǒng)的特定成分量除以循環(huán)水中特定成分質量濃度，即可得到排入大氣的風吹損失水量。所得蒸發(fā)損失率、風吹損失率結果與氣象條件、冷卻水溫差條件等實現(xiàn)解耦。 補充水量、蒸發(fā)損失水量、排污損失水量、風吹損失水量分別除以循環(huán)水量，得到補水率、蒸發(fā)損失率、排污損失率、風吹損失率。

1.2 循環(huán)水的水量、鹽量平衡測量方法

循環(huán)水系統(tǒng)的水量、鹽量平衡關系如圖1 所示。圖1 中，PB、PZ、PP、PF分別為補水率、蒸發(fā)損失率、排污損失率、風吹損失率，%；CB、CX分別為補充水、循環(huán)水中特定成分的質量濃度，mg/L；q 為循環(huán)水流量，L/h。

循環(huán)水補水流量、 循環(huán)水流量采用日本富士便攜式超聲波流量計（FSCS10C1-00C）測量。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)水量平衡、特定成分濃度圖

從圖1 可以得到水量平衡關系，q×PB=q×PZ+q×PF+q×PP，約去兩側q 后，如式（1）所示。

按照物料平衡的原則， 在循環(huán)水系統(tǒng)達到動態(tài)平衡狀態(tài)時，即濃縮倍率值表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)時，特定成分進入循環(huán)水系統(tǒng)的量等于排出量。由圖1 可知，進入循環(huán)水系統(tǒng)的特定成分量為q×PB×CB； 排出循環(huán)水系統(tǒng)的特定成分量包括2 部分，分別為風吹損失對應的量，即q×PF×CX，排污損失對應的量，即q×PP×CX。 根據(jù)物料平衡關系，q×PB×CB=q×PF×CX+q×PP×CX，約去兩側q 后，可得式（2）。

PZ、PF都難以通過測量準確獲得，更難以實時動態(tài)獲得。 按照GB/T 50102—2014〔29〕，冷卻塔蒸發(fā)損失水量占進入冷卻塔循環(huán)水量的百分數(shù)（蒸發(fā)損失率）按式（3）計算。

式中:K——環(huán)境溫度系數(shù)，按平均溫度結果取值；

Δt——凝汽器進出口溫度差，℃。

目標電廠PF取經驗值0.1%。

PB通過測量獲得。 PP由式（1）計算獲得。 如果目標電廠進行水量平衡試驗時能夠獲得PP，對準確分析水量平衡會更有幫助。

1.3 水質分析方法

選擇穩(wěn)定性較好的4 種特定成分的質量濃度測量結果用于N1計算并進行比較，包括TDS、Cl-、硫酸根離子（SO42-）、K+。 TDS 采用稱量法〔30〕測定；Cl-采用硝酸銀容量法〔6〕測定；SO42-采用稱量法〔31〕測定；K+采用經驗算法，用鈉表測量鈉離子（Na+）物質的量濃度，循環(huán)水所加藥品中不含Na+成分，取Na+物質的量濃度的1/7 計算得到K+的物質的量濃度〔26〕。

1.4 對風吹損失率、蒸發(fā)損失率的分析方法

由式（2）可得PF，如式（4）所示。

其中，PB、PP、CB、CX通過測量可以準確獲得。

根據(jù)濃縮倍率的定義，由循環(huán)水、補充水的特定成分的質量濃度，可以得到濃縮倍率N1，如式（5）所示。

由式（4）、式（5），得到PF的另一種表達式，如式（6）所示。

將式（6）的PF代入式（1），得PZ，如式（7）所示。

由式（7）可以看出，PZ只與PB、N1相關，與PP無關。 計算PF時，需要獲得準確的PP。

由式（1）、式（2）、式（5），可以獲得用水量平衡方法計算的濃縮倍率N2，如式（8）所示。

式（8）中，PP可以在線準確測量，如果PZ經驗公式的計算結果偏大，PF經驗取值偏小，N2計算結果會偏大。

1.5 對特定成分排放濃度的分析方法

PF值乘以循環(huán)水中特定成分的質量濃度值、機組額定功率時的循環(huán)水流量值， 可以求得機組該特定成分額定功率下對空排放的小時排放量，如式（9）所示。

式中:M——特定成分的小時排放量，kg/h；

qV，X——機組額定功率時的循環(huán)水流量，m3/h。

為便于理解， 可計算單位發(fā)電量的特定成分排放量，如式（10）所示。

式中:m——單位發(fā)電量的特定成分對空排放量，mg/（kW·h）；

Pe——機組的額定有功功率值，kW。

為便于和煙氣污染物排放濃度比較， 可獲得折算為單位煙氣量的特定成分排放濃度值c， 標態(tài)煙氣量按3.5 m3/（kW·h）計算〔32〕，如式（11）所示。

式中:c——單位煙氣量的特定成分排放質量濃度值，mg/m3。

1.6 對氯離子排放因子的分析方法

由式（10）可以獲得單位發(fā)電量的Cl-排放量mCl。 mCl可以作為火電廠濕式通風冷卻塔的Cl-排放因子。

也可以采用消耗噸標煤產生的Cl-排放量作為排放因子，如式（12）所示。

式中:EFCl——火電廠濕式通風冷卻塔的Cl-排放因子，g/t 標煤；

fM——發(fā)電煤耗，g/（kW·h）。

2 結果與分析

2.1 不同時期的循環(huán)水水質檢測結果

不同時期循環(huán)水和補充水中TDS、Cl-、SO42-、K+檢測結果如表1、表2 所示。 表1 為使用地表河水期間的結果，表2 為使用城市中水期間的結果，部分檢測期間單機運行。

表1 采用地表河水做補充水期間的水質檢測結果mg/L

表2 采用城市中水做補充水期間的水質檢測結果mg/L

從檢測結果看，地表河水的水質相對穩(wěn)定，城市中水的水質有較明顯波動， 地表河水的各種特定成分的平均質量濃度均略低于城市中水。其中，t7 組數(shù)據(jù)計算#2 機組濃縮倍率、t13 組數(shù)據(jù)計算#1 機組濃縮倍率的結果異常，為保持數(shù)據(jù)完整性，予以保留。

2.2 循環(huán)水濃縮倍率變化

每個檢測期間的CB數(shù)據(jù)是完整的， 直接取19次測量值的算術平均值作為全廠平均值。 對單臺機組，CX數(shù)據(jù)存在個別期間停機缺項問題，為和CB數(shù)據(jù)照應， 對表1 中每臺機組的CX平均值按照10 個周期、表2 中CX平均值按照9 個周期，加權平均計算該機組的CX值，N1值按照該機組的CX加權平均值除以CB平均值計算。 全廠CX、N1平均值按照2 臺機組的算術平均值處理。 全廠的N1TDS、N1Cl，N1硫酸根、N1K平均值如表3 所示。

依據(jù)水量平衡試驗報告計算的各種水量平衡參數(shù)見表4。

用特定成分計算的N1均低于N2。 其中，N1K、N1TDS非常接近，都比較小，計算結果符合預期。 N1Cl、N1硫酸根受循環(huán)水加藥加酸處理的影響，結果相對偏高；在補充水的TDS 濃度比較高的情況下，加藥加酸對N1TDS的計算結果影響較小；N1K從Na+物質的量濃度推算而來，可能受循環(huán)水加藥加酸中所含Na+影響。

表3 統(tǒng)計期間循環(huán)水濃縮倍率的全廠平均值

表4 水量平衡試驗參數(shù)

2.3 蒸發(fā)損失率、風吹損失率變化

PB、PP取表4 中水平衡試驗結果，濃縮倍率取表3、表4 中值，依據(jù)式（6）、式（7），可獲得不同機組在不同濃縮倍率下的PF、PZ，如表5 所示。

用N1TDS計算的PF平均值0.26%接近于真實情況，是經驗取值0.1%的2.6 倍。

表5 各種濃縮倍率下的蒸發(fā)損失率、風吹損失率參數(shù)

2.4 特定成分的排放量變化

按照式（9），CX取表3 中平均值，額定功率下qV，X取設計值67 000 t/h，PF取表5 中平均值，在機組額定功率下，可求得單臺機組的TDS、Cl-小時排放量。按照式（10），可以求得單位發(fā)電量對應的TDS、Cl-排放量。 按照式（11），可以求得TDS、Cl-折合煙氣排放濃度值。 按照年發(fā)電利用小時數(shù)5 000 h，可以求得單臺機組TDS、Cl-的年排放量。 計算結果如表6所示。

表6 額定功率下，各種濃縮倍率下單臺機組的氯離子排放濃度等參數(shù)

按照N1TDS計算的Cl-折合煙氣排放質量濃度為39.5 mg/m3；TDS 折合煙氣排放質量濃度為188.0 mg/m3，都遠遠超出煙塵5 mg/m3的超低排放限值。

2.5 火電行業(yè)濕式通風冷卻塔氯離子排放量分析

目標電廠使用城市中水做補充水， 循環(huán)水濃縮倍率適中，Cl-排放量具有一定的代表性， 不妨用目標電廠的計算結果進行估算。

表6 中， 按N1TDS計算的單位發(fā)電量Cl-排放量mCl=138.5 mg/（kW·h），2018 年全國火電發(fā)電量〔33〕為4.9×1012kW·h， 若按68%的發(fā)電量采用濕式通風冷卻系統(tǒng)〔34〕，估算該部分電量對應的Cl-排放量為4.6×105t。同樣方法，目標電廠單位發(fā)電量的TDS 排放量為657.9 mg/（kW·h），2018 年的TDS 排放量估算為2.19×106t。 化工、石化、鋼鐵等多個行業(yè)大量采用濕式通風冷卻系統(tǒng)，對這些行業(yè)的Cl-排放量有必要進行分析研究。

2.6 確定火電廠濕式通風冷卻塔的氯離子排放因子

火電廠濕式通風冷卻塔排放包括Cl-在內的水溶性離子濃度比較高，應當被作為Cl-排放源，也應當被作為直接霧霾物排放源。 在可以準確評估PF的情況下，可針對不同區(qū)域、不同補充水的水質條件，區(qū)分燃氣和燃煤電廠，區(qū)分淡水循環(huán)和海水循環(huán)，參考火電廠的濃縮倍率控制水平， 給出不同條件下的火電廠濕式通風冷卻塔的Cl-排放因子。

目標電廠單位發(fā)電量Cl-排放量mCl=138.5 mg/（kW·h）， 該值可作為目標電廠這樣一類排放源的Cl-排放因子。 2018 年，全國煤電機組的平均發(fā)電煤耗為fM=293 g/（kW·h）〔33〕，依據(jù)式（12），可估算目標電廠這樣一類排放源的折合單位標煤的Cl-排放因子為EFCl=472.7 g/t 標煤。

沿海部分火電廠使用海水循環(huán)冷卻塔，海水冷卻塔除水器的除水性能和淡水冷卻塔相差不多〔35-36〕，但海水的含鹽量遠遠高于淡水。 環(huán)渤海灣區(qū)域已經投產海水冷卻塔循環(huán)流量為1.26×106t/h，裝機容量11 105 MW（包括2018 年投產的華能煙臺八角電廠2×670 MW 煤電機組）〔37〕，這些海水冷卻塔更嚴重的排放水溶性離子問題還未引起足夠重視。

2.7 風吹損失率經驗值偏小的原因分析

直接測量風吹損失率非常困難， 準確性難以保證。 冷卻塔內流場巨大，流場分布非常復雜，在空間上存在液滴分布不均勻的問題， 排放過程中水的氣液態(tài)存在形式一直在變化， 抽樣測量結果的代表性存在不足。因蒸發(fā)作用，液態(tài)霧滴所含特定成分的質量濃度在空間分布上存在不均勻性。 冷卻塔內的運行狀態(tài)、冷卻塔外的大氣條件始終在變，得到的檢測結果僅能代表測量時的特定狀態(tài)。

風吹損失率直接測量的結果通常偏小。 冷卻塔內，循環(huán)水經噴嘴霧化噴淋形成大量的小粒徑液滴，小粒徑液滴的氣流跟隨性好，比表面積大，在上升氣流的裹挾下，在冷卻塔內巨大的換熱過程中，小粒徑液滴表面蒸發(fā)，能較快地形成更小粒徑的液滴，甚至形成含水量較少的氣溶膠顆粒物。濾紙、等速取樣裝置對小粒徑液滴、氣溶膠的捕集效果不好。逃逸的小粒徑液滴、 氣溶膠所含特定成分量對應的水量沒有被計入風吹損失水量。

濕法脫硫的霧滴排放具有相似性。 濕法脫硫的霧滴排放和冷卻塔的風吹損失問題十分相似， 分析濕法脫硫霧滴排放水溶性離子問題時可資借鑒。 和HY/T 241—2018〔20〕相似，GB/T 21508—2008〔38〕僅能獲得煙氣中大于一定粒徑（約3 μm）的液滴。 濕法脫硫塔內霧化噴淋的脫硫漿液和高溫煙氣逆流接觸，和冷卻塔內的過程相似。 冷卻塔風吹損失率的測量存在嚴重低估問題，有理由認為，濕法脫硫的霧滴排放濃度測量同樣可能存在被嚴重低估的問題。

3 結論與展望

利用濕式通風冷卻塔循環(huán)冷卻系統(tǒng)的部分測量參數(shù)，如補水率、排污損失率、循環(huán)水和補充水的特定成分質量濃度，能夠比較準確地獲得風吹損失率、蒸發(fā)損失率。 目標燃煤電廠冷卻塔風吹損失排放的Cl-折合煙氣排放質量濃度為39.5 mg/m3，TDS 折合煙氣排放質量濃度是188.0 mg/m3， 由此估算2018年全國火電廠冷卻塔的Cl-排放量為4.6×105t、TDS排放量為2.19×106t。 包括火電廠在內的濕式通風冷卻塔應作為Cl-排放源， 估算Cl-排放因子為138.5 mg/（kW·h），或472.7 g/t 標煤。

對濕式通風冷卻塔排放Cl-等水溶性離子問題的研究目前幾乎是空白。 如果不能正確分析處理冷卻塔排放包括Cl-在內的水溶性離子問題，將是大氣霧霾治理的一個漏洞。 有必要考慮濕式通風冷卻塔排放包括Cl-在內的水溶性離子的檢測、監(jiān)管，合理控制循環(huán)水的濃縮倍率，在降低Cl-等水溶性離子的排放量和節(jié)約用水之間需要尋找合理的平衡； 采取措施減少風吹損失帶來的水溶性離子排放量， 研究有效減少風吹損失水量的措施， 提高冷卻塔除水器性能；降低火力發(fā)電的冷端損失，提高低品質熱能的利用水平，降低冷卻需求。減少冷卻塔排放水溶性離子的最根本途徑仍是提高能效，減少化石能源消耗。