燃煤電站煙囪消除白煙的數值模擬研究

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后， 煙囪中冒白色煙羽(簡稱白煙)現象加劇[1]。帶有較高酸度的水氣(凝結水pH一般為2～3)會對大氣產生一定的污染。對煙氣再熱是解決煙囪冒白煙現象的最佳、最有效的方案，但在工程實踐中，煙氣再熱的溫度尚無統一的依據，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、大氣環境情況對白煙形成的影響進行分析。

筆者通過數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量交換。在這個過程中，當水蒸氣的溫度低于其分壓所對應的露點溫度時，即發生水蒸氣的冷凝。煙氣中水蒸氣產生過飽和而霧化成水滴，水滴在光線的照射下產生散亂反射繼而產生白煙現象。

目前，對于煙氣中水蒸氣和環境中相對濕度的關系，缺少詳細的計算。從避免白煙的角度考慮，要求當環境溫度高于5 ℃時，不會出現白煙：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 ℃。如果要求環境溫度高于10 ℃時不出現白煙：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。

筆者認為是否出現白煙以水蒸氣分壓與當地溫度對應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。以流場區域中α的最大值αmax作為白煙情況的判定依據。

2　數值計算模型

2.1 幾何模型

煙囪內筒直徑7.2 m，高度方向從0 m到740 m。計算區域為：上風向300 m到下風向2 000 m，煙囪側向400 m。

2.2 計算模型

2.2.1 物性參數

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，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，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為系統壓力；τij為黏性應力；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；μt是湍流渦黏性；Sct為紊流施密特數；Si為由反應生成或消耗的組分。

以上各式分別代表質量連續性方程、動量方程、能量方程及組分傳輸方程。將所計算區域離散成許多控制體來求解上述偏微分方程的數值解。在這些控制體上，偏微分方程由一系列代數方程來代替，然后通過對這些代數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一的形式：

(4)

通用變量φ、擴散系數Γ及源項S在特定的方程中可以定義為特定的參數，這些代數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為彈性模量的應變率張量，Sij為平均速度應變率張量；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 邊界條件設定

煙囪出口設置為流速出口邊界，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。上風向入口設置為流速入口邊界，大氣流速8 m/s，環境溫度5 ℃，環境濕度80%。下風向出口設置為壓力出口邊界。

3　結果及分析

以我國浙江沿海地區某電廠為例進行計算分析，選取該地區不同季節典型氣象條件進行計算，分別為冬季(環境溫度5 ℃、大氣濕度80%)、夏季(環境溫度29 ℃、大氣濕度54.5%)、春秋季(環境溫度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果

3.1 白煙出現的判定值

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。環境溫度5 ℃，濕度80%。計算αmax,并取平均值作為是否出現白煙的判定依據。

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

3.2 43 ℃飽和煙氣在冬季工況不出現白煙的合理過熱溫度

(1) 排煙過熱至55 ℃。

經計算，該情況下仍會有較為可見的白煙出現，但白煙較淡(見圖2)。

圖2　冬季43 ℃飽和煙氣過熱至55 ℃外排的結果(煙囪出口α值分布場)

(2) 排煙過熱至60 ℃。

經計算，該情況下無白煙出現(見圖3)。

圖3冬季43 ℃飽和煙氣過熱至60 ℃外排的結果

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

圖4　不出現白煙的煙氣過熱溫度與煙囪進口煙氣飽和溫度的關系

3.3 43 ℃飽和煙氣在夏季和春秋季工況不出現白煙的過熱溫度

(1) 典型夏季工況。

經計算，該環境下無需過熱(見圖5)。

(2) 典型春秋季工況。

經計算，該環境下需過熱至45 ℃(見圖6)。

對上述結果匯總見表1。

表1　43 ℃飽和煙氣在不同季節消除白煙的過熱溫度

圖5夏季43 ℃飽和煙氣直接外排的結果

圖6　春秋季43 ℃飽和煙氣過熱至45 ℃外排的結果

4　結語

(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。

(2) 環境溫度低、濕度大更容易導致白煙的出現。以上述示例電廠為例，冬季較其他季節，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經濟路線具有更好的經濟性。

(4) 采用αmax作為白煙出現與否的判定依據是合理的，符合實際情況的。筆者計算結果可作為白煙的產生和煙氣再熱的定量計算依據，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, 2015, 46(3): 26-29.

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