燃煤電站煙囪消除白煙的數(shù)值模擬研究

賈明華， 徐　朋， 李　斌， 吳琪瓏， 張　勇

(煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司， 山東煙臺 264006)

大型電站鍋爐，尤其是投運了濕法脫硫系統(tǒng)后， 煙囪中冒白色煙羽(簡稱白煙)現(xiàn)象加劇[1]。帶有較高酸度的水氣(凝結(jié)水pH一般為2～3)會對大氣產(chǎn)生一定的污染。對煙氣再熱是解決煙囪冒白煙現(xiàn)象的最佳、最有效的方案，但在工程實踐中，煙氣再熱的溫度尚無統(tǒng)一的依據(jù)，各工程公司對煙氣再熱的溫度選擇各不相同，且未有針對煙氣飽和溫度、大氣環(huán)境情況對白煙形成的影響進行分析。

筆者通過數(shù)值模擬的方法對白煙的形成進行分析，并探討了煙氣飽和溫度、大氣環(huán)境對白煙的影響，以作為消除煙囪白煙的工程實踐參考。

1　白煙形成物理過程

煙氣離開煙囪后被大氣迅速冷卻，同時煙氣中的各組分與大氣質(zhì)量交換。在這個過程中，當水蒸氣的溫度低于其分壓所對應(yīng)的露點溫度時，即發(fā)生水蒸氣的冷凝。煙氣中水蒸氣產(chǎn)生過飽和而霧化成水滴，水滴在光線的照射下產(chǎn)生散亂反射繼而產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。

目前，對于煙氣中水蒸氣和環(huán)境中相對濕度的關(guān)系，缺少詳細的計算。從避免白煙的角度考慮，要求當環(huán)境溫度高于5 ℃時，不會出現(xiàn)白煙：45 ℃的飽和濕煙氣需要加熱到69 ℃；50 ℃的飽和濕煙氣需要加熱到86 ℃；55 ℃的飽和濕煙氣需要加熱到108 ℃。如果要求環(huán)境溫度高于10 ℃時不出現(xiàn)白煙：45 ℃的飽和濕煙氣需要加熱到58 ℃；50 ℃的飽和濕煙氣需要加熱到71 ℃；55 ℃的飽和濕煙氣需要加熱到88 ℃[2]。以上基本符合客觀實際情況。

筆者認為是否出現(xiàn)白煙以水蒸氣分壓與當?shù)販囟葘?yīng)的飽和分壓的差值決定，定義該差值為α：α值為正，存在液化和白煙；α值為負，不存在白煙。α值越大，白煙情況越明顯。以流場區(qū)域中α的最大值αmax作為白煙情況的判定依據(jù)。

2　數(shù)值計算模型

2.1 幾何模型

煙囪內(nèi)筒直徑7.2 m，高度方向從0 m到740 m。計算區(qū)域為：上風(fēng)向300 m到下風(fēng)向2 000 m，煙囪側(cè)向400 m。

2.2 計算模型

2.2.1 物性參數(shù)

煙氣組分主要有O2、N2、H2O、CO2。

2.2.2 控制方程

白煙形成過程中涉及到多種組分的流動、傳熱反應(yīng)，所以模擬過程中需要用到控制方程來表征流動、傳熱及傳質(zhì)，具體方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為混合物的密度；ui為混合物的速度；p為系統(tǒng)壓力；τij為黏性應(yīng)力；Sm為包含重力的源項；Yi代表組分的含量；Γi為組分擴散系數(shù)；μt是湍流渦黏性；Sct為紊流施密特數(shù)；Si為由反應(yīng)生成或消耗的組分。

以上各式分別代表質(zhì)量連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及組分傳輸方程。將所計算區(qū)域離散成許多控制體來求解上述偏微分方程的數(shù)值解。在這些控制體上，偏微分方程由一系列代數(shù)方程來代替，然后通過對這些代數(shù)方程的求解得出一系列接近于偏微分方程解的離散值。所有的控制方程都能寫成一個統(tǒng)一的形式：

(4)

通用變量φ、擴散系數(shù)Γ及源項S在特定的方程中可以定義為特定的參數(shù)，這些代數(shù)方程通過半隱式迭代方法SIMPLE算法計算。

2.2.3 湍流模型

筆者在模擬過程中采用RNGk-ε模型，在RNGk-ε模型中湍動能k及湍流擴散項ε如下：

(5)

(6)

式中：S2=2SijSij為彈性模量的應(yīng)變率張量，Sij為平均速度應(yīng)變率張量；C1和C2分別為1.42和1.68；η=Sk/ε；取α=1.39，η0=4.38,β=0.012。

2.3 邊界條件設(shè)定

煙囪出口設(shè)置為流速出口邊界，煙氣流速25 m/s，煙氣各組分含量按照鍋爐燃燒計算和脫硫塔物料平衡計算得到。上風(fēng)向入口設(shè)置為流速入口邊界，大氣流速8 m/s，環(huán)境溫度5 ℃，環(huán)境濕度80%。下風(fēng)向出口設(shè)置為壓力出口邊界。

3　結(jié)果及分析

以我國浙江沿海地區(qū)某電廠為例進行計算分析，選取該地區(qū)不同季節(jié)典型氣象條件進行計算，分別為冬季(環(huán)境溫度5 ℃、大氣濕度80%)、夏季(環(huán)境溫度29 ℃、大氣濕度54.5%)、春秋季(環(huán)境溫度20 ℃、大氣濕度68.5%)三種工況。

冬季50 ℃飽和煙氣直接外排時的煙囪周圍的物理場計算結(jié)果見圖1，符合前述的煙囪白煙形成機理的探討。

圖1冬季50 ℃飽和煙氣直接外排的結(jié)果

3.1 白煙出現(xiàn)的判定值

對45 ℃的飽和濕煙氣過熱到69 ℃，50 ℃的飽和濕煙氣過熱到86 ℃，55 ℃的飽和濕煙氣過熱到108 ℃三個工況進行計算。環(huán)境溫度5 ℃，濕度80%。計算αmax,并取平均值作為是否出現(xiàn)白煙的判定依據(jù)。

經(jīng)計算，αmax值分別為571 Pa、624 Pa、653 Pa，平均值為616 Pa，將其作為是否出現(xiàn)白煙的判定值。

3.2 43 ℃飽和煙氣在冬季工況不出現(xiàn)白煙的合理過熱溫度

(1) 排煙過熱至55 ℃。

經(jīng)計算，該情況下仍會有較為可見的白煙出現(xiàn)，但白煙較淡(見圖2)。

圖2　冬季43 ℃飽和煙氣過熱至55 ℃外排的結(jié)果(煙囪出口α值分布場)

(2) 排煙過熱至60 ℃。

經(jīng)計算，該情況下無白煙出現(xiàn)(見圖3)。

圖3冬季43 ℃飽和煙氣過熱至60 ℃外排的結(jié)果

可見，煙氣飽和溫度較低時，不出現(xiàn)白煙的煙氣過熱溫度也較低，二者的匯總關(guān)系見圖4。

圖4　不出現(xiàn)白煙的煙氣過熱溫度與煙囪進口煙氣飽和溫度的關(guān)系

3.3 43 ℃飽和煙氣在夏季和春秋季工況不出現(xiàn)白煙的過熱溫度

(1) 典型夏季工況。

經(jīng)計算，該環(huán)境下無需過熱(見圖5)。

(2) 典型春秋季工況。

經(jīng)計算，該環(huán)境下需過熱至45 ℃(見圖6)。

對上述結(jié)果匯總見表1。

表1　43 ℃飽和煙氣在不同季節(jié)消除白煙的過熱溫度

圖5夏季43 ℃飽和煙氣直接外排的結(jié)果

圖6　春秋季43 ℃飽和煙氣過熱至45 ℃外排的結(jié)果

4　結(jié)語

(1) 較低的飽和煙氣溫度有利于消除白煙。對于上述計算電廠，脫硫塔出口煙氣溫度飽和溫度為43 ℃時，冬季工況煙氣過熱至60 ℃即無白煙出現(xiàn)。

(2) 環(huán)境溫度低、濕度大更容易導(dǎo)致白煙的出現(xiàn)。以上述示例電廠為例，冬季較其他季節(jié)，脫硫出口凈煙氣需要的過熱度更高。對于典型夏季工況，無需過熱，直接排放即無白煙現(xiàn)象。對于典型春秋季工況，需過熱至45 ℃，即可無白煙。

(3) 為消除白煙，可降低煙囪入口的煙氣飽和溫度(采用冷凝煙氣等技術(shù)手段)，可減少煙氣所需的過熱度。在某些情況下，尤其是機組排煙溫度不高時，比直接加熱煙氣的技術(shù)經(jīng)濟路線具有更好的經(jīng)濟性。

(4) 采用αmax作為白煙出現(xiàn)與否的判定依據(jù)是合理的，符合實際情況的。筆者計算結(jié)果可作為白煙的產(chǎn)生和煙氣再熱的定量計算依據(jù)，供工程參考。

參考文獻：

[1] 裘立春. 大型燃煤電站鍋爐冒白煙的研究[J]. 鍋爐技術(shù), 2015, 46(3): 26-29.

[2] 薛建明, 王小明, 劉建民, 等. 濕法煙氣脫硫設(shè)計及設(shè)備選型手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011: 341.