火電廠濕法脫硫煙囪雨治理應(yīng)用研究

國(guó)能廣投柳州發(fā)電有限公司 張 暉 重慶恒泰發(fā)電有限公司 楊曉衡

上海迪夫格環(huán)境科技有限公司 吳永杰 戴永陽(yáng)上海交通大學(xué) 姚 燁

前國(guó)內(nèi)大多數(shù)火電廠脫硫系統(tǒng)不再安裝煙氣換熱器，吸收塔出口為～50℃的飽和濕煙氣，由于煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度，煙氣在流經(jīng)濕煙道和濕煙囪時(shí)會(huì)發(fā)生冷凝結(jié)露現(xiàn)象，受煙囪煙道結(jié)構(gòu)、煙氣流速和氣象條件等因素的影響，液滴被夾帶并飄落在煙囪周?chē)纬蔁焽栌戡F(xiàn)象。煙囪雨雨滴pH 值在1～3之間，含有一定量的SO2、SO3及石膏漿液等，會(huì)對(duì)沉降區(qū)域內(nèi)的設(shè)備、設(shè)施和建筑物造成一定的損害，對(duì)周?chē)用竦纳a(chǎn)、生活產(chǎn)生重大影響，“煙囪雨”已經(jīng)成為電廠脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的重要隱患和污染源。

目前常規(guī)的濕煙道/濕煙囪結(jié)構(gòu)大都沒(méi)有考慮結(jié)露的潮濕環(huán)境，也不具備冷凝液收集和排放的功能，常規(guī)的煙囪雨解決方案又存在效果不佳、能耗大、投資成本高等缺點(diǎn)，因此需要開(kāi)發(fā)一種高效可靠的煙囪雨治理技術(shù)，有效減少大氣污染物排放量，徹底消除煙囪雨對(duì)環(huán)境的危害。

1 項(xiàng)目相關(guān)

1.1 工程簡(jiǎn)介

某電廠煙氣脫硫系統(tǒng)采用石灰石-煙囪濕法脫硫工藝，一爐一塔，無(wú)GGH、無(wú)增壓風(fēng)機(jī)、無(wú)旁路。吸收塔型式為空塔，設(shè)置五臺(tái)漿液循環(huán)泵，預(yù)留一臺(tái)漿液循環(huán)泵安裝空間，脫硫劑為石灰石。脫硫裝置脫硫率在燃用設(shè)計(jì)煤種BMCR 工況不低于98%，可用率不低于95%。從鍋爐來(lái)的原煙氣經(jīng)過(guò)原煙氣擋板分別由煙道引至各自的FGD 系統(tǒng)。在吸收塔內(nèi)原煙氣與石灰石漿液充分接觸反應(yīng)脫除其中的SO2，原煙氣溫度降低至飽和溫度47℃左右。脫硫后的凈煙氣經(jīng)兩級(jí)屋脊式除霧器除去霧滴后經(jīng)過(guò)凈煙氣煙道、凈煙氣擋板和煙囪，排放到大氣中。

本工程兩臺(tái)爐共用一根鋼內(nèi)筒，煙囪高240米高、內(nèi)徑10.5米，采用賓高德系統(tǒng)進(jìn)行防腐。本項(xiàng)目脫硫吸收塔煙氣參數(shù)如下：CO212.18Vol%、O26.406Vol%、N275.59Vol%、SO20.326Vol%、H2O5.577Vol%；煙氣量（1臺(tái)爐）：標(biāo)態(tài)、干基、α＝1.4時(shí)2217078Nm3/h，標(biāo)態(tài)、濕基、α＝1.4時(shí)2361546Nm3/h，實(shí)際煙氣體積3537612m3/h；煙氣溫度（℃）：設(shè)計(jì)值123、最大值173，旁路動(dòng)作溫度＞173。

1.2 煙囪雨的成因

“煙囪雨”的形成有很多因素，主要包括煙氣流速、煙囪內(nèi)襯形式、保溫性能、煙囪煙道的結(jié)構(gòu)、脫硫系統(tǒng)參數(shù)和氣候條件等：過(guò)大的煙氣流速，會(huì)破壞煙囪表面的液膜而造成液滴二次夾帶；不同內(nèi)襯形式對(duì)冷凝液的吸附性不同，也就導(dǎo)致液膜在不同防腐內(nèi)襯上被“二次夾帶”的容易程度不同，煙氣流速也有很大的差異；煙囪的絕熱性能決定煙囪筒體冷凝液量的大小，大量的冷凝液在壁面形成很厚的沿壁面的液膜，而液膜過(guò)厚又很容易被煙氣夾帶；煙囪結(jié)構(gòu)的不合理，會(huì)形成局部的漩渦或強(qiáng)烈沖擊區(qū)域，煙氣通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的“二次夾帶”；脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行情況會(huì)對(duì)“煙囪雨”問(wèn)題造成影響，主要表現(xiàn)在吸收塔流速、除霧器氣流分布等方面；當(dāng)?shù)氐臍夂颉L(fēng)向等決定了冷凝液在空中下落過(guò)程中的蒸發(fā)情況，也會(huì)對(duì)“煙囪雨”問(wèn)題造成影響。

1.3 DFG-LCS 液體收集系統(tǒng)技術(shù)

為避免煙囪雨現(xiàn)象的發(fā)生，可采用DFG-LCS液體收集系統(tǒng)技術(shù)，在吸收塔出口煙道和煙囪內(nèi)的某些特殊位置安裝液體收集器和疏水器，及時(shí)將冷凝液排出，避免冷凝液發(fā)生二次夾帶現(xiàn)象。這些特殊位置的確定及收集器的設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)機(jī)組建立數(shù)學(xué)和物理模型確定的。在模型中，根據(jù)一定比例縮小的液滴可確定液滴沖擊聚集區(qū)域。液膜的形態(tài)被確定后再確定如何進(jìn)行流體控制，如果需要，會(huì)將液體引導(dǎo)到排水裝置中。

在設(shè)計(jì)有效的液體收集裝置時(shí)需考慮：吸收塔出口形狀、煙道的縱橫比、煙囪進(jìn)口設(shè)計(jì)和總體的煙氣流速、液滴夾帶量等。液體收集裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，其取決于煙道、煙囪的幾何形狀、煙氣流速及氣流兩相流狀態(tài)。針對(duì)每一個(gè)工程項(xiàng)目都需進(jìn)行最佳集液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以便確定集液裝置最佳的位置和構(gòu)造。

2 技術(shù)方案

2.1 數(shù)值模擬研究

2.1.1 模型建立

按照1:1比例建模，以吸收塔出口煙道為模型入口，煙囪出口為模型出口，主要參數(shù)如下：模型入口尺寸：7.2m×8.2m，中心線標(biāo)高45.8m；模型出口直徑（內(nèi)筒直徑）10.5m，標(biāo)高240m。本模擬使用Gambit 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1]，為提高數(shù)值分析的精度和效率，采用分塊網(wǎng)格技術(shù)以及盡量采用六面體網(wǎng)格對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了使煙囪內(nèi)筒的網(wǎng)格劃分更為準(zhǔn)確，在煙囪頂部的界面設(shè)置邊界層，同時(shí)考慮到煙囪入口處可能會(huì)產(chǎn)生渦流，對(duì)煙囪頂部?jī)?nèi)壁和入口處進(jìn)行網(wǎng)格加密。目的是為提高數(shù)值計(jì)算的精度，減少數(shù)值計(jì)算的內(nèi)存需求量，從而提高分析效率。

2.1.2 模型計(jì)算

在對(duì)所做模型進(jìn)行流體計(jì)算前，首先對(duì)模型進(jìn)行以下假設(shè)[1]：流體物性參數(shù)為常數(shù)；煙氣做湍流運(yùn)動(dòng)；流動(dòng)是定常的；煙囪內(nèi)壁選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

入口邊界條件：采用速度入口邊界條件，定義流動(dòng)入口邊界的速度和標(biāo)量。假設(shè)模型吸收塔出口口氣體為均勻的充分發(fā)展的湍流，入口速度為常數(shù)：k=3/2(uI)2，ε=Cμ3/4k3/2/l，式中：I=湍流強(qiáng)度；u=入口平均速度，m/s；l=湍流特征長(zhǎng)度，m；C=模型常數(shù)，0.09。出口邊界條件：設(shè)置為壓力出口條件。壁面條件：在壁面湍流運(yùn)動(dòng)粘性ν 設(shè)置為零。當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格足夠細(xì)可計(jì)算層流底層時(shí)，壁面切應(yīng)力用層流應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系求解。如果網(wǎng)格粗放不能用來(lái)求解層流底層，則假設(shè)與壁面近鄰的網(wǎng)格質(zhì)心落在邊界層的對(duì)數(shù)區(qū)，則根據(jù)壁面法則如下，式中k=0.419，E=9.793：u/uτ=1/klnE(ρuτy/μ)。

2.1.3 Fluent 計(jì)算

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，若最小網(wǎng)格體積＞0則可用于計(jì)算，否則需重新劃分網(wǎng)格，然后設(shè)置計(jì)算區(qū)域的實(shí)際尺寸，F(xiàn)luent默認(rèn)單位為m，Gambit 中默認(rèn)單位為mm，網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 后需縮放網(wǎng)格的尺寸。之后打開(kāi)能量方程、湍流方程，設(shè)置煙氣物性參數(shù)以及邊界條件。入口給定煙氣溫度320.15K，壓力出口給定壓力0。湍流參數(shù)按湍流強(qiáng)度和水力直徑的方式來(lái)指定，水力直徑、煙氣流量、熱流密度等參數(shù)依據(jù)相應(yīng)的工程參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在開(kāi)始迭代前，先初始化流場(chǎng)，給各流場(chǎng)參數(shù)賦初始值，其它保留默認(rèn)值。設(shè)置迭代次數(shù)為1500后開(kāi)始運(yùn)算。

2.1.4 結(jié)果與分析

2.1.4.1 煙氣流場(chǎng)

根據(jù)模擬結(jié)果，觀察到在模型入口煙氣流速明顯降低，說(shuō)明煙氣對(duì)煙道內(nèi)壁產(chǎn)生了一定沖擊，存在能量損失。由于煙道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、轉(zhuǎn)彎較多，流場(chǎng)并不均勻。在煙氣轉(zhuǎn)入水平煙道時(shí)在彎頭內(nèi)側(cè)有一個(gè)較大的沖擊力，將湍流區(qū)直接帶到煙囪入口處，這部分高速煙氣和壁面的碰撞將會(huì)帶來(lái)較大的冷凝量，如不及時(shí)收集會(huì)造成二次夾帶。

煙氣流線圖如圖1，由圖看到煙道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煙氣軌跡十分紊亂，流場(chǎng)很不均勻，存在較多的低流速區(qū)域及湍流區(qū)域。由于水平煙道不長(zhǎng)，在水平煙道末端及煙囪入口處的湍流現(xiàn)象最為嚴(yán)重。由流線圖看出，在導(dǎo)流板的作用下煙氣碰撞導(dǎo)流板后向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)流板上部出現(xiàn)一個(gè)高速湍流區(qū)。煙氣進(jìn)入煙囪后在煙囪入口上方存在一個(gè)高流速區(qū)域，煙囪入口兩側(cè)背風(fēng)區(qū)出現(xiàn)較多的渦流。之后的煙囪流速基本平穩(wěn)，流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。內(nèi)筒流速大于建議值18.3m/s，同時(shí)凈煙氣煙道及濕煙囪存在的高流速區(qū)域以及渦流區(qū)域極易導(dǎo)致冷凝液的二次夾帶，是形成煙囪雨的主要因素，也是煙囪雨收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)著重需要考慮的地方。

圖1 煙氣流場(chǎng)、流線及壓力場(chǎng)云圖

2.1.4.2 壓力場(chǎng)云圖

濕法脫硫后的煙氣溫度降低，導(dǎo)致煙氣密度增大、煙囪抽吸能力降低，使煙囪內(nèi)壓分布發(fā)生改變。如圖1所示，煙氣在經(jīng)過(guò)吸收塔出口煙道進(jìn)入水平煙道后壓力明顯減少，可知這些區(qū)域煙氣運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，煙氣在水平方向運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)變徑煙道時(shí)壓力值也發(fā)生波動(dòng)。煙氣在進(jìn)入煙囪后，壓強(qiáng)隨著煙囪的高度逐漸減小。煙囪入口兩側(cè)背風(fēng)區(qū)出現(xiàn)較大范圍的低壓區(qū)，同時(shí)也是渦流區(qū)較多的區(qū)域，之后往上內(nèi)筒壓力變化不大。

由壓力場(chǎng)云圖可看出，煙囪內(nèi)靜壓差從入口開(kāi)始就處于正壓，煙氣壓強(qiáng)隨著煙囪的高度逐漸減小，高壓區(qū)處于煙囪高度12～57m 左右，最大壓強(qiáng)處于煙囪中心處，對(duì)內(nèi)壁影響較小。原因是在煙囪入口煙氣具有一定的流速，而進(jìn)入煙囪的煙氣濕度大、溫度低、速度小，導(dǎo)致積聚的氣團(tuán)不能立即上升且上升速度慢，故積聚的氣團(tuán)使得一定高度處壓力較大。煙道部分在經(jīng)過(guò)第一個(gè)彎頭后壓力明顯減少，可知彎頭存在一定的阻力優(yōu)化空間。煙氣流至煙囪入口煙道，煙道上半部分壓力處于較低的區(qū)域，說(shuō)明煙氣對(duì)煙道壁面產(chǎn)生了碰撞，導(dǎo)致能量發(fā)生了一定的損耗。水平煙道末端煙氣壓力較高，可能由于水平煙道的封端，這一部分的煙氣并不能有效的往煙囪入口處流動(dòng)。

2.2 物模研究

依據(jù)建立準(zhǔn)確的物理模型能采集到數(shù)學(xué)模型中可能忽略到的一些有關(guān)流體分布、壓力損失和氣流混合等相關(guān)的數(shù)據(jù)信息[2]，這對(duì)于解釋和預(yù)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 物理模型圖

吸收塔出口凈煙氣煙道：在對(duì)連接吸收塔和煙囪的煙道設(shè)計(jì)中考慮煙道幾何形狀的布置、尺寸選型、集液裝置以及疏水裝置等所有環(huán)節(jié)。應(yīng)注意在水平煙氣流煙道布置集液裝置要比在垂直流煙囪中更容易一些。因此在煙道中安裝一套有效的集液系統(tǒng)，以便減輕煙囪集液裝置的收集負(fù)荷；煙囪排煙筒：煙囪入口區(qū)域內(nèi)的集液布置最應(yīng)引起注意。當(dāng)液體進(jìn)入排煙筒時(shí)，液體便會(huì)沉積在水平連接煙道對(duì)面的通煙筒壁上。煙氣流型趨向于繞著煙囪的內(nèi)周將液體向后拽回至水平連接煙道。在水平連接煙道周?chē)友b的集液裝置將能防止液體被再次夾帶進(jìn)入煙氣流中。

3 治理效果

DFG-LCS 液體收集系統(tǒng)技術(shù)已在發(fā)電有限責(zé)任公司得到成功應(yīng)用，竣工驗(yàn)收性能檢測(cè)結(jié)果表明在兩臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，冷凝液收集總量不低于600L/h，滿足性能保證值的要求，節(jié)約水耗達(dá)3300t/年；同時(shí)進(jìn)行了煙囪雨感官檢測(cè)，煙囪周?chē)达h落任何煙囪雨雨滴，煙囪雨現(xiàn)象得到了徹底的治理。本技術(shù)應(yīng)用消除了煙囪雨對(duì)周?chē)用瘛h(huán)境和電廠設(shè)備設(shè)施的危害，且投資小、有效節(jié)省能耗，具有重要的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

綜上，通過(guò)采用DFG-LCS 煙囪雨收集系統(tǒng)技術(shù)，研發(fā)設(shè)計(jì)了煙囪雨收集系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)用新型煙囪防腐技術(shù)，依靠其技術(shù)特點(diǎn)，在有效治理煙囪雨的同時(shí)，有助于優(yōu)化濕煙道/濕煙囪流場(chǎng)，提高煙羽的抬升能力，且不需使用GGH。本項(xiàng)目技術(shù)與其他煙囪雨治理技術(shù)相比投資費(fèi)用最低且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用極低，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。本項(xiàng)目通過(guò)綜合數(shù)學(xué)模擬和物理模擬技術(shù)，在國(guó)內(nèi)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了火電廠濕煙囪煙囪雨的治理，其節(jié)能環(huán)保、低成本的有益效果，具有重要的行業(yè)示范作用。