火电厂湿法脱硫烟囱雨治理应用研究

国能广投柳州发电有限公司 张 晖 重庆恒泰发电有限公司 杨晓衡

上海迪夫格环境科技有限公司 吴永杰 戴永阳上海交通大学 姚 烨

前国内大多数火电厂脱硫系统不再安装烟气换热器，吸收塔出口为～50℃的饱和湿烟气，由于烟气温度低于酸露点温度，烟气在流经湿烟道和湿烟囱时会发生冷凝结露现象，受烟囱烟道结构、烟气流速和气象条件等因素的影响，液滴被夹带并飘落在烟囱周围形成烟囱雨现象。烟囱雨雨滴pH 值在1～3之间，含有一定量的SO2、SO3及石膏浆液等，会对沉降区域内的设备、设施和建筑物造成一定的损害，对周围居民的生产、生活产生重大影响，“烟囱雨”已经成为电厂脱硫系统运行的重要隐患和污染源。

目前常规的湿烟道/湿烟囱结构大都没有考虑结露的潮湿环境，也不具备冷凝液收集和排放的功能，常规的烟囱雨解决方案又存在效果不佳、能耗大、投资成本高等缺点，因此需要开发一种高效可靠的烟囱雨治理技术，有效减少大气污染物排放量，彻底消除烟囱雨对环境的危害。

1 项目相关

1.1 工程简介

某电厂烟气脱硫系统采用石灰石-烟囱湿法脱硫工艺，一炉一塔，无GGH、无增压风机、无旁路。吸收塔型式为空塔，设置五台浆液循环泵，预留一台浆液循环泵安装空间，脱硫剂为石灰石。脱硫装置脱硫率在燃用设计煤种BMCR 工况不低于98%，可用率不低于95%。从锅炉来的原烟气经过原烟气挡板分别由烟道引至各自的FGD 系统。在吸收塔内原烟气与石灰石浆液充分接触反应脱除其中的SO2，原烟气温度降低至饱和温度47℃左右。脱硫后的净烟气经两级屋脊式除雾器除去雾滴后经过净烟气烟道、净烟气挡板和烟囱，排放到大气中。

本工程两台炉共用一根钢内筒，烟囱高240米高、内径10.5米，采用宾高德系统进行防腐。本项目脱硫吸收塔烟气参数如下：CO212.18Vol%、O26.406Vol%、N275.59Vol%、SO20.326Vol%、H2O5.577Vol%；烟气量（1台炉）：标态、干基、α＝1.4时2217078Nm3/h，标态、湿基、α＝1.4时2361546Nm3/h，实际烟气体积3537612m3/h；烟气温度（℃）：设计值123、最大值173，旁路动作温度＞173。

1.2 烟囱雨的成因

“烟囱雨”的形成有很多因素，主要包括烟气流速、烟囱内衬形式、保温性能、烟囱烟道的结构、脱硫系统参数和气候条件等：过大的烟气流速，会破坏烟囱表面的液膜而造成液滴二次夹带；不同内衬形式对冷凝液的吸附性不同，也就导致液膜在不同防腐内衬上被“二次夹带”的容易程度不同，烟气流速也有很大的差异；烟囱的绝热性能决定烟囱筒体冷凝液量的大小，大量的冷凝液在壁面形成很厚的沿壁面的液膜，而液膜过厚又很容易被烟气夹带；烟囱结构的不合理，会形成局部的漩涡或强烈冲击区域，烟气通过时会产生强烈的“二次夹带”；脱硫系统的运行情况会对“烟囱雨”问题造成影响，主要表现在吸收塔流速、除雾器气流分布等方面；当地的气候、风向等决定了冷凝液在空中下落过程中的蒸发情况，也会对“烟囱雨”问题造成影响。

1.3 DFG-LCS 液体收集系统技术

为避免烟囱雨现象的发生，可采用DFG-LCS液体收集系统技术，在吸收塔出口烟道和烟囱内的某些特殊位置安装液体收集器和疏水器，及时将冷凝液排出，避免冷凝液发生二次夹带现象。这些特殊位置的确定及收集器的设计是通过对机组建立数学和物理模型确定的。在模型中，根据一定比例缩小的液滴可确定液滴冲击聚集区域。液膜的形态被确定后再确定如何进行流体控制，如果需要，会将液体引导到排水装置中。

在设计有效的液体收集装置时需考虑：吸收塔出口形状、烟道的纵横比、烟囱进口设计和总体的烟气流速、液滴夹带量等。液体收集装置的设计和优化按现场实际情况而定，其取决于烟道、烟囱的几何形状、烟气流速及气流两相流状态。针对每一个工程项目都需进行最佳集液系统的设计和优化，以便确定集液装置最佳的位置和构造。

2 技术方案

2.1 数值模拟研究

2.1.1 模型建立

按照1:1比例建模，以吸收塔出口烟道为模型入口，烟囱出口为模型出口，主要参数如下：模型入口尺寸：7.2m×8.2m，中心线标高45.8m；模型出口直径（内筒直径）10.5m，标高240m。本模拟使用Gambit 软件进行网格划分[1]，为提高数值分析的精度和效率，采用分块网格技术以及尽量采用六面体网格对该模型进行网格划分。为了使烟囱内筒的网格划分更为准确，在烟囱顶部的界面设置边界层，同时考虑到烟囱入口处可能会产生涡流，对烟囱顶部内壁和入口处进行网格加密。目的是为提高数值计算的精度，减少数值计算的内存需求量，从而提高分析效率。

2.1.2 模型计算

在对所做模型进行流体计算前，首先对模型进行以下假设[1]：流体物性参数为常数；烟气做湍流运动；流动是定常的；烟囱内壁选取标准壁面函数。

入口边界条件：采用速度入口边界条件，定义流动入口边界的速度和标量。假设模型吸收塔出口口气体为均匀的充分发展的湍流，入口速度为常数：k=3/2(uI)2，ε=Cμ3/4k3/2/l，式中：I=湍流强度；u=入口平均速度，m/s；l=湍流特征长度，m；C=模型常数，0.09。出口边界条件：设置为压力出口条件。壁面条件：在壁面湍流运动粘性ν 设置为零。当计算网格足够细可计算层流底层时，壁面切应力用层流应力－应变关系求解。如果网格粗放不能用来求解层流底层，则假设与壁面近邻的网格质心落在边界层的对数区，则根据壁面法则如下，式中k=0.419，E=9.793：u/uτ=1/klnE(ρuτy/μ)。

2.1.3 Fluent 计算

将划分好的网格导入Fluent 中，检查网格质量，若最小网格体积＞0则可用于计算，否则需重新划分网格，然后设置计算区域的实际尺寸，Fluent默认单位为m，Gambit 中默认单位为mm，网格导入Fluent 后需缩放网格的尺寸。之后打开能量方程、湍流方程，设置烟气物性参数以及边界条件。入口给定烟气温度320.15K，压力出口给定压力0。湍流参数按湍流强度和水力直径的方式来指定，水力直径、烟气流量、热流密度等参数依据相应的工程参数进行设定。在开始迭代前，先初始化流场，给各流场参数赋初始值，其它保留默认值。设置迭代次数为1500后开始运算。

2.1.4 结果与分析

2.1.4.1 烟气流场

根据模拟结果，观察到在模型入口烟气流速明显降低，说明烟气对烟道内壁产生了一定冲击，存在能量损失。由于烟道结构较复杂、转弯较多，流场并不均匀。在烟气转入水平烟道时在弯头内侧有一个较大的冲击力，将湍流区直接带到烟囱入口处，这部分高速烟气和壁面的碰撞将会带来较大的冷凝量，如不及时收集会造成二次夹带。

烟气流线图如图1，由图看到烟道结构较复杂，烟气轨迹十分紊乱，流场很不均匀，存在较多的低流速区域及湍流区域。由于水平烟道不长，在水平烟道末端及烟囱入口处的湍流现象最为严重。由流线图看出，在导流板的作用下烟气碰撞导流板后向上运动，导流板上部出现一个高速湍流区。烟气进入烟囱后在烟囱入口上方存在一个高流速区域，烟囱入口两侧背风区出现较多的涡流。之后的烟囱流速基本平稳，流场达到稳定状态。内筒流速大于建议值18.3m/s，同时净烟气烟道及湿烟囱存在的高流速区域以及涡流区域极易导致冷凝液的二次夹带，是形成烟囱雨的主要因素，也是烟囱雨收集系统设计着重需要考虑的地方。

图1 烟气流场、流线及压力场云图

2.1.4.2 压力场云图

湿法脱硫后的烟气温度降低，导致烟气密度增大、烟囱抽吸能力降低，使烟囱内压分布发生改变。如图1所示，烟气在经过吸收塔出口烟道进入水平烟道后压力明显减少，可知这些区域烟气运动较复杂，烟气在水平方向运动经过变径烟道时压力值也发生波动。烟气在进入烟囱后，压强随着烟囱的高度逐渐减小。烟囱入口两侧背风区出现较大范围的低压区，同时也是涡流区较多的区域，之后往上内筒压力变化不大。

由压力场云图可看出，烟囱内静压差从入口开始就处于正压，烟气压强随着烟囱的高度逐渐减小，高压区处于烟囱高度12～57m 左右，最大压强处于烟囱中心处，对内壁影响较小。原因是在烟囱入口烟气具有一定的流速，而进入烟囱的烟气湿度大、温度低、速度小，导致积聚的气团不能立即上升且上升速度慢，故积聚的气团使得一定高度处压力较大。烟道部分在经过第一个弯头后压力明显减少，可知弯头存在一定的阻力优化空间。烟气流至烟囱入口烟道，烟道上半部分压力处于较低的区域，说明烟气对烟道壁面产生了碰撞，导致能量发生了一定的损耗。水平烟道末端烟气压力较高，可能由于水平烟道的封端，这一部分的烟气并不能有效的往烟囱入口处流动。

2.2 物模研究

依据建立准确的物理模型能采集到数学模型中可能忽略到的一些有关流体分布、压力损失和气流混合等相关的数据信息[2]，这对于解释和预测实际应用中可能出现的问题具有重要的指导意义。

2.3 系统设计

图2 物理模型图

吸收塔出口净烟气烟道：在对连接吸收塔和烟囱的烟道设计中考虑烟道几何形状的布置、尺寸选型、集液装置以及疏水装置等所有环节。应注意在水平烟气流烟道布置集液装置要比在垂直流烟囱中更容易一些。因此在烟道中安装一套有效的集液系统，以便减轻烟囱集液装置的收集负荷；烟囱排烟筒：烟囱入口区域内的集液布置最应引起注意。当液体进入排烟筒时，液体便会沉积在水平连接烟道对面的通烟筒壁上。烟气流型趋向于绕着烟囱的内周将液体向后拽回至水平连接烟道。在水平连接烟道周围加装的集液装置将能防止液体被再次夹带进入烟气流中。

3 治理效果

DFG-LCS 液体收集系统技术已在发电有限责任公司得到成功应用，竣工验收性能检测结果表明在两台机组满负荷运行工况下，冷凝液收集总量不低于600L/h，满足性能保证值的要求，节约水耗达3300t/年；同时进行了烟囱雨感官检测，烟囱周围未飘落任何烟囱雨雨滴，烟囱雨现象得到了彻底的治理。本技术应用消除了烟囱雨对周围居民、环境和电厂设备设施的危害，且投资小、有效节省能耗，具有重要的环保和经济效益。

综上，通过采用DFG-LCS 烟囱雨收集系统技术，研发设计了烟囱雨收集系统设备，应用新型烟囱防腐技术，依靠其技术特点，在有效治理烟囱雨的同时，有助于优化湿烟道/湿烟囱流场，提高烟羽的抬升能力，且不需使用GGH。本项目技术与其他烟囱雨治理技术相比投资费用最低且运行维护费用极低，带来的经济效益十分明显。本项目通过综合数学模拟和物理模拟技术，在国内创新实现了火电厂湿烟囱烟囱雨的治理，其节能环保、低成本的有益效果，具有重要的行业示范作用。