燃煤电站烟囱消除白烟的数值模拟研究

贾明华， 徐　朋， 李　斌， 吴琪珑， 张　勇

(烟台龙源电力技术股份有限公司， 山东烟台 264006)

大型电站锅炉，尤其是投运了湿法脱硫系统后， 烟囱中冒白色烟羽(简称白烟)现象加剧[1]。带有较高酸度的水气(凝结水pH一般为2～3)会对大气产生一定的污染。对烟气再热是解决烟囱冒白烟现象的最佳、最有效的方案，但在工程实践中，烟气再热的温度尚无统一的依据，各工程公司对烟气再热的温度选择各不相同，且未有针对烟气饱和温度、大气环境情况对白烟形成的影响进行分析。

笔者通过数值模拟的方法对白烟的形成进行分析，并探讨了烟气饱和温度、大气环境对白烟的影响，以作为消除烟囱白烟的工程实践参考。

1　白烟形成物理过程

烟气离开烟囱后被大气迅速冷却，同时烟气中的各组分与大气质量交换。在这个过程中，当水蒸气的温度低于其分压所对应的露点温度时，即发生水蒸气的冷凝。烟气中水蒸气产生过饱和而雾化成水滴，水滴在光线的照射下产生散乱反射继而产生白烟现象。

目前，对于烟气中水蒸气和环境中相对湿度的关系，缺少详细的计算。从避免白烟的角度考虑，要求当环境温度高于5 ℃时，不会出现白烟：45 ℃的饱和湿烟气需要加热到69 ℃；50 ℃的饱和湿烟气需要加热到86 ℃；55 ℃的饱和湿烟气需要加热到108 ℃。如果要求环境温度高于10 ℃时不出现白烟：45 ℃的饱和湿烟气需要加热到58 ℃；50 ℃的饱和湿烟气需要加热到71 ℃；55 ℃的饱和湿烟气需要加热到88 ℃[2]。以上基本符合客观实际情况。

笔者认为是否出现白烟以水蒸气分压与当地温度对应的饱和分压的差值决定，定义该差值为α：α值为正，存在液化和白烟；α值为负，不存在白烟。α值越大，白烟情况越明显。以流场区域中α的最大值αmax作为白烟情况的判定依据。

2　数值计算模型

2.1 几何模型

烟囱内筒直径7.2 m，高度方向从0 m到740 m。计算区域为：上风向300 m到下风向2 000 m，烟囱侧向400 m。

2.2 计算模型

2.2.1 物性参数

烟气组分主要有O2、N2、H2O、CO2。

2.2.2 控制方程

白烟形成过程中涉及到多种组分的流动、传热反应，所以模拟过程中需要用到控制方程来表征流动、传热及传质，具体方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为混合物的密度；ui为混合物的速度；p为系统压力；τij为黏性应力；Sm为包含重力的源项；Yi代表组分的含量；Γi为组分扩散系数；μt是湍流涡黏性；Sct为紊流施密特数；Si为由反应生成或消耗的组分。

以上各式分别代表质量连续性方程、动量方程、能量方程及组分传输方程。将所计算区域离散成许多控制体来求解上述偏微分方程的数值解。在这些控制体上，偏微分方程由一系列代数方程来代替，然后通过对这些代数方程的求解得出一系列接近于偏微分方程解的离散值。所有的控制方程都能写成一个统一的形式：

(4)

通用变量φ、扩散系数Γ及源项S在特定的方程中可以定义为特定的参数，这些代数方程通过半隐式迭代方法SIMPLE算法计算。

2.2.3 湍流模型

笔者在模拟过程中采用RNGk-ε模型，在RNGk-ε模型中湍动能k及湍流扩散项ε如下：

(5)

(6)

式中：S2=2SijSij为弹性模量的应变率张量，Sij为平均速度应变率张量；C1和C2分别为1.42和1.68；η=Sk/ε；取α=1.39，η0=4.38,β=0.012。

2.3 边界条件设定

烟囱出口设置为流速出口边界，烟气流速25 m/s，烟气各组分含量按照锅炉燃烧计算和脱硫塔物料平衡计算得到。上风向入口设置为流速入口边界，大气流速8 m/s，环境温度5 ℃，环境湿度80%。下风向出口设置为压力出口边界。

3　结果及分析

以我国浙江沿海地区某电厂为例进行计算分析，选取该地区不同季节典型气象条件进行计算，分别为冬季(环境温度5 ℃、大气湿度80%)、夏季(环境温度29 ℃、大气湿度54.5%)、春秋季(环境温度20 ℃、大气湿度68.5%)三种工况。

冬季50 ℃饱和烟气直接外排时的烟囱周围的物理场计算结果见图1，符合前述的烟囱白烟形成机理的探讨。

图1冬季50 ℃饱和烟气直接外排的结果

3.1 白烟出现的判定值

对45 ℃的饱和湿烟气过热到69 ℃，50 ℃的饱和湿烟气过热到86 ℃，55 ℃的饱和湿烟气过热到108 ℃三个工况进行计算。环境温度5 ℃，湿度80%。计算αmax,并取平均值作为是否出现白烟的判定依据。

经计算，αmax值分别为571 Pa、624 Pa、653 Pa，平均值为616 Pa，将其作为是否出现白烟的判定值。

3.2 43 ℃饱和烟气在冬季工况不出现白烟的合理过热温度

(1) 排烟过热至55 ℃。

经计算，该情况下仍会有较为可见的白烟出现，但白烟较淡(见图2)。

图2　冬季43 ℃饱和烟气过热至55 ℃外排的结果(烟囱出口α值分布场)

(2) 排烟过热至60 ℃。

经计算，该情况下无白烟出现(见图3)。

图3冬季43 ℃饱和烟气过热至60 ℃外排的结果

可见，烟气饱和温度较低时，不出现白烟的烟气过热温度也较低，二者的汇总关系见图4。

图4　不出现白烟的烟气过热温度与烟囱进口烟气饱和温度的关系

3.3 43 ℃饱和烟气在夏季和春秋季工况不出现白烟的过热温度

(1) 典型夏季工况。

经计算，该环境下无需过热(见图5)。

(2) 典型春秋季工况。

经计算，该环境下需过热至45 ℃(见图6)。

对上述结果汇总见表1。

表1　43 ℃饱和烟气在不同季节消除白烟的过热温度

图5夏季43 ℃饱和烟气直接外排的结果

图6　春秋季43 ℃饱和烟气过热至45 ℃外排的结果

4　结语

(1) 较低的饱和烟气温度有利于消除白烟。对于上述计算电厂，脱硫塔出口烟气温度饱和温度为43 ℃时，冬季工况烟气过热至60 ℃即无白烟出现。

(2) 环境温度低、湿度大更容易导致白烟的出现。以上述示例电厂为例，冬季较其他季节，脱硫出口净烟气需要的过热度更高。对于典型夏季工况，无需过热，直接排放即无白烟现象。对于典型春秋季工况，需过热至45 ℃，即可无白烟。

(3) 为消除白烟，可降低烟囱入口的烟气饱和温度(采用冷凝烟气等技术手段)，可减少烟气所需的过热度。在某些情况下，尤其是机组排烟温度不高时，比直接加热烟气的技术经济路线具有更好的经济性。

(4) 采用αmax作为白烟出现与否的判定依据是合理的，符合实际情况的。笔者计算结果可作为白烟的产生和烟气再热的定量计算依据，供工程参考。

参考文献：

[1] 裘立春. 大型燃煤电站锅炉冒白烟的研究[J]. 锅炉技术, 2015, 46(3): 26-29.

[2] 薛建明, 王小明, 刘建民, 等. 湿法烟气脱硫设计及设备选型手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2011: 341.