火電廠濕法脫硫煙囪雨治理應用研究

國能廣投柳州發電有限公司 張 暉 重慶恒泰發電有限公司 楊曉衡

上海迪夫格環境科技有限公司 吳永杰 戴永陽上海交通大學 姚 燁

前國內大多數火電廠脫硫系統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溫度，煙氣在流經濕煙道和濕煙囪時會發生冷凝結露現象，受煙囪煙道結構、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圍形成煙囪雨現象。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，會對沉降區域內的設備、設施和建筑物造成一定的損害，對周圍居民的生產、生活產生重大影響，“煙囪雨”已經成為電廠脫硫系統運行的重要隱患和污染源。

目前常規的濕煙道/濕煙囪結構大都沒有考慮結露的潮濕環境，也不具備冷凝液收集和排放的功能，常規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，因此需要開發一種高效可靠的煙囪雨治理技術，有效減少大氣污染物排放量，徹底消除煙囪雨對環境的危害。

1 項目相關

1.1 工程簡介

某電廠煙氣脫硫系統采用石灰石-煙囪濕法脫硫工藝，一爐一塔，無GGH、無增壓風機、無旁路。吸收塔型式為空塔，設置五臺漿液循環泵，預留一臺漿液循環泵安裝空間，脫硫劑為石灰石。脫硫裝置脫硫率在燃用設計煤種BMCR 工況不低于98%，可用率不低于95%。從鍋爐來的原煙氣經過原煙氣擋板分別由煙道引至各自的FGD 系統。在吸收塔內原煙氣與石灰石漿液充分接觸反應脫除其中的SO2，原煙氣溫度降低至飽和溫度47℃左右。脫硫后的凈煙氣經兩級屋脊式除霧器除去霧滴后經過凈煙氣煙道、凈煙氣擋板和煙囪，排放到大氣中。

本工程兩臺爐共用一根鋼內筒，煙囪高240米高、內徑10.5米，采用賓高德系統進行防腐。本項目脫硫吸收塔煙氣參數如下：CO212.18Vol%、O26.406Vol%、N275.59Vol%、SO20.326Vol%、H2O5.577Vol%；煙氣量（1臺爐）：標態、干基、α＝1.4時2217078Nm3/h，標態、濕基、α＝1.4時2361546Nm3/h，實際煙氣體積3537612m3/h；煙氣溫度（℃）：設計值123、最大值173，旁路動作溫度＞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、煙囪內襯形式、保溫性能、煙囪煙道的結構、脫硫系統參數和氣候條件等：過大的煙氣流速，會破壞煙囪表面的液膜而造成液滴二次夾帶；不同內襯形式對冷凝液的吸附性不同，也就導致液膜在不同防腐內襯上被“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，而液膜過厚又很容易被煙氣夾帶；煙囪結構的不合理，會形成局部的漩渦或強烈沖擊區域，煙氣通過時會產生強烈的“二次夾帶”；脫硫系統的運行情況會對“煙囪雨”問題造成影響，主要表現在吸收塔流速、除霧器氣流分布等方面；當地的氣候、風向等決定了冷凝液在空中下落過程中的蒸發情況，也會對“煙囪雨”問題造成影響。

1.3 DFG-LCS 液體收集系統技術

為避免煙囪雨現象的發生，可采用DFG-LCS液體收集系統技術，在吸收塔出口煙道和煙囪內的某些特殊位置安裝液體收集器和疏水器，及時將冷凝液排出，避免冷凝液發生二次夾帶現象。這些特殊位置的確定及收集器的設計是通過對機組建立數學和物理模型確定的。在模型中，根據一定比例縮小的液滴可確定液滴沖擊聚集區域。液膜的形態被確定后再確定如何進行流體控制，如果需要，會將液體引導到排水裝置中。

在設計有效的液體收集裝置時需考慮：吸收塔出口形狀、煙道的縱橫比、煙囪進口設計和總體的煙氣流速、液滴夾帶量等。液體收集裝置的設計和優化按現場實際情況而定，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。針對每一個工程項目都需進行最佳集液系統的設計和優化，以便確定集液裝置最佳的位置和構造。

2 技術方案

2.1 數值模擬研究

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，主要參數如下：模型入口尺寸：7.2m×8.2m，中心線標高45.8m；模型出口直徑（內筒直徑）10.5m，標高240m。本模擬使用Gambit 軟件進行網格劃分[1]，為提高數值分析的精度和效率，采用分塊網格技術以及盡量采用六面體網格對該模型進行網格劃分。為了使煙囪內筒的網格劃分更為準確，在煙囪頂部的界面設置邊界層，同時考慮到煙囪入口處可能會產生渦流，對煙囪頂部內壁和入口處進行網格加密。目的是為提高數值計算的精度，減少數值計算的內存需求量，從而提高分析效率。

2.1.2 模型計算

在對所做模型進行流體計算前，首先對模型進行以下假設[1]：流體物性參數為常數；煙氣做湍流運動；流動是定常的；煙囪內壁選取標準壁面函數。

入口邊界條件：采用速度入口邊界條件，定義流動入口邊界的速度和標量。假設模型吸收塔出口口氣體為均勻的充分發展的湍流，入口速度為常數：k=3/2(uI)2，ε=Cμ3/4k3/2/l，式中：I=湍流強度；u=入口平均速度，m/s；l=湍流特征長度，m；C=模型常數，0.09。出口邊界條件：設置為壓力出口條件。壁面條件：在壁面湍流運動粘性ν 設置為零。當計算網格足夠細可計算層流底層時，壁面切應力用層流應力－應變關系求解。如果網格粗放不能用來求解層流底層，則假設與壁面近鄰的網格質心落在邊界層的對數區，則根據壁面法則如下，式中k=0.419，E=9.793：u/uτ=1/klnE(ρuτy/μ)。

2.1.3 Fluent 計算

將劃分好的網格導入Fluent 中，檢查網格質量，若最小網格體積＞0則可用于計算，否則需重新劃分網格，然后設置計算區域的實際尺寸，Fluent默認單位為m，Gambit 中默認單位為mm，網格導入Fluent 后需縮放網格的尺寸。之后打開能量方程、湍流方程，設置煙氣物性參數以及邊界條件。入口給定煙氣溫度320.15K，壓力出口給定壓力0。湍流參數按湍流強度和水力直徑的方式來指定，水力直徑、煙氣流量、熱流密度等參數依據相應的工程參數進行設定。在開始迭代前，先初始化流場，給各流場參數賦初始值，其它保留默認值。設置迭代次數為1500后開始運算。

2.1.4 結果與分析

2.1.4.1 煙氣流場

根據模擬結果，觀察到在模型入口煙氣流速明顯降低，說明煙氣對煙道內壁產生了一定沖擊，存在能量損失。由于煙道結構較復雜、轉彎較多，流場并不均勻。在煙氣轉入水平煙道時在彎頭內側有一個較大的沖擊力，將湍流區直接帶到煙囪入口處，這部分高速煙氣和壁面的碰撞將會帶來較大的冷凝量，如不及時收集會造成二次夾帶。

煙氣流線圖如圖1，由圖看到煙道結構較復雜，煙氣軌跡十分紊亂，流場很不均勻，存在較多的低流速區域及湍流區域。由于水平煙道不長，在水平煙道末端及煙囪入口處的湍流現象最為嚴重。由流線圖看出，在導流板的作用下煙氣碰撞導流板后向上運動，導流板上部出現一個高速湍流區。煙氣進入煙囪后在煙囪入口上方存在一個高流速區域，煙囪入口兩側背風區出現較多的渦流。之后的煙囪流速基本平穩，流場達到穩定狀態。內筒流速大于建議值18.3m/s，同時凈煙氣煙道及濕煙囪存在的高流速區域以及渦流區域極易導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設計著重需要考慮的地方。

圖1 煙氣流場、流線及壓力場云圖

2.1.4.2 壓力場云圖

濕法脫硫后的煙氣溫度降低，導致煙氣密度增大、煙囪抽吸能力降低，使煙囪內壓分布發生改變。如圖1所示，煙氣在經過吸收塔出口煙道進入水平煙道后壓力明顯減少，可知這些區域煙氣運動較復雜，煙氣在水平方向運動經過變徑煙道時壓力值也發生波動。煙氣在進入煙囪后，壓強隨著煙囪的高度逐漸減小。煙囪入口兩側背風區出現較大范圍的低壓區，同時也是渦流區較多的區域，之后往上內筒壓力變化不大。

由壓力場云圖可看出，煙囪內靜壓差從入口開始就處于正壓，煙氣壓強隨著煙囪的高度逐漸減小，高壓區處于煙囪高度12～57m 左右，最大壓強處于煙囪中心處，對內壁影響較小。原因是在煙囪入口煙氣具有一定的流速，而進入煙囪的煙氣濕度大、溫度低、速度小，導致積聚的氣團不能立即上升且上升速度慢，故積聚的氣團使得一定高度處壓力較大。煙道部分在經過第一個彎頭后壓力明顯減少，可知彎頭存在一定的阻力優化空間。煙氣流至煙囪入口煙道，煙道上半部分壓力處于較低的區域，說明煙氣對煙道壁面產生了碰撞，導致能量發生了一定的損耗。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。

2.2 物模研究

依據建立準確的物理模型能采集到數學模型中可能忽略到的一些有關流體分布、壓力損失和氣流混合等相關的數據信息[2]，這對于解釋和預測實際應用中可能出現的問題具有重要的指導意義。

2.3 系統設計

圖2 物理模型圖

吸收塔出口凈煙氣煙道：在對連接吸收塔和煙囪的煙道設計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節。應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，以便減輕煙囪集液裝置的收集負荷；煙囪排煙筒：煙囪入口區域內的集液布置最應引起注意。當液體進入排煙筒時，液體便會沉積在水平連接煙道對面的通煙筒壁上。煙氣流型趨向于繞著煙囪的內周將液體向后拽回至水平連接煙道。在水平連接煙道周圍加裝的集液裝置將能防止液體被再次夾帶進入煙氣流中。

3 治理效果

DFG-LCS 液體收集系統技術已在發電有限責任公司得到成功應用，竣工驗收性能檢測結果表明在兩臺機組滿負荷運行工況下，冷凝液收集總量不低于600L/h，滿足性能保證值的要求，節約水耗達3300t/年；同時進行了煙囪雨感官檢測，煙囪周圍未飄落任何煙囪雨雨滴，煙囪雨現象得到了徹底的治理。本技術應用消除了煙囪雨對周圍居民、環境和電廠設備設施的危害，且投資小、有效節省能耗，具有重要的環保和經濟效益。

綜上，通過采用DFG-LCS 煙囪雨收集系統技術，研發設計了煙囪雨收集系統設備，應用新型煙囪防腐技術，依靠其技術特點，在有效治理煙囪雨的同時，有助于優化濕煙道/濕煙囪流場，提高煙羽的抬升能力，且不需使用GGH。本項目技術與其他煙囪雨治理技術相比投資費用最低且運行維護費用極低，帶來的經濟效益十分明顯。本項目通過綜合數學模擬和物理模擬技術，在國內創新實現了火電廠濕煙囪煙囪雨的治理，其節能環保、低成本的有益效果，具有重要的行業示范作用。