洪文鵬，張洪寬，徐云輝

(1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國能源建設(shè)集團(tuán) 浙江火電建設(shè)有限公司，杭州 310016)

二次熱風(fēng)加熱凈煙氣的注入點的選擇

洪文鵬1，張洪寬1，徐云輝2

(1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國能源建設(shè)集團(tuán) 浙江火電建設(shè)有限公司，杭州 310016)

摘要：為解決某2×300 MW機(jī)組中二次熱風(fēng)加熱凈煙氣項目改造后，出現(xiàn)的尾部煙道出口溫度分布不均的現(xiàn)象。利用計算流體力學(xué)fluent軟件進(jìn)行模擬，通過模擬結(jié)果對改造前后流場及溫度場進(jìn)行分析，對比改造前的尾部煙道和3種新的注入方案，得到二次熱風(fēng)垂直注入豎直煙道的加熱方案，可很好的增強(qiáng)二次熱風(fēng)與凈煙氣的混合效果。在最佳方案中二次熱風(fēng)能夠與煙氣充分混合，煙氣出口平均溫度可達(dá)72.6 ℃；混合后得到的凈煙氣出口溫度分布均勻，出口面溫差小，溫差不超過16.7 ℃；給定改造后凈煙道壁面需要安裝防腐涂層的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：二次熱風(fēng)；脫硫凈煙氣；數(shù)值模擬

在環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天，環(huán)境保護(hù)日益受到人們的重視。一些機(jī)組GGH堵塞問題嚴(yán)重影響了脫硫設(shè)施運行可靠性，使得一些電廠采用“濕煙囪”排放的方案，即取消GGH裝置，飽和凈煙氣直接從煙囪排出。由于排煙溫度較低，吸收塔出口帶有飽和水的凈煙氣在排出過程中部分冷凝形成液滴，煙氣夾帶液滴自煙囪口排出后不能有效地抬升、擴(kuò)散到大氣中，導(dǎo)致取消GGH裝置后煙氣不能迅速消散，形成了所謂的“石膏雨”，嚴(yán)重影響了電廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。[1]當(dāng)機(jī)組運行負(fù)荷高、環(huán)境溫度降低時，這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，對人們的生活的和生產(chǎn)造成了巨大的影響，“石膏雨”的治理成為重要的研究方向。[2]“石膏雨”的生成原因有很多種，大致原因可概括為除霧器效率降低、取消GGH后排煙溫度的降低、煙囪運行參數(shù)的偏離以及設(shè)備檢修的不及時等。[3-5]根據(jù)其產(chǎn)生的原因，眾多學(xué)者針對問題也提出了很多治理方法，主要是優(yōu)化除霧器或噴淋層噴嘴，以及采取對煙氣直接加熱的方法。[6-8]

1二次熱風(fēng)加熱凈煙氣及產(chǎn)生的問題

某2×300 MW機(jī)組基于“石膏雨”現(xiàn)象的危害以及工程實際的應(yīng)用性和可行性的基礎(chǔ)，確定了在熱二次風(fēng)管道抽取熱二次風(fēng)加凈煙氣的技術(shù)方案，利用鍋爐熱二次風(fēng)的裕量，從空氣預(yù)熱器后二次風(fēng)風(fēng)道中抽取部分熱二次風(fēng)，以順流方式直接注入脫硫系統(tǒng)出口煙道，與脫硫后的凈煙氣混合，這種方法可以提高凈煙氣的溫度和煙氣抬升高度，使其高于酸露點，從而解決煙囪腐蝕加重以及“石膏雨”的危害問題。[9-10]該電廠在凈煙道加入二次熱風(fēng)后，凈煙道出口處局部煙氣溫度過高，導(dǎo)致“石膏雨”問題沒有得到很好的解決。本文通過對該電廠尾部煙道的模擬，分析出問題的原因，并提出3種新的改造方案來解決問題。[11-12]

2模型的建立與邊界條件

2.1　模型基本假設(shè)

假定煙道內(nèi)煙氣流動為三維、定常、不可壓縮流動，本次模擬不需要考慮煙氣顆粒的軌跡；假定煙氣是不含顆粒相的氣體，模擬流體均以空氣的物性參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)；熱二次風(fēng)和煙氣均為湍流流動，湍流各向同性；假定整個煙道壁面均勻絕熱。[11-12]

2.2　物理模型及參數(shù)

根據(jù)實際凈煙道結(jié)構(gòu)參數(shù)，煙道直徑為5.4 m，二次熱風(fēng)管道直徑為1 m，整個尾部煙道總長度為17.7 m。應(yīng)用Gambit軟件來建立改造后的二次熱風(fēng)加熱凈煙氣的煙道三維模型，模型如圖1所示。通過模擬不同網(wǎng)格下流場的狀況，得出網(wǎng)格在68萬以上時，網(wǎng)格對模擬效果的影響已微乎其微，為保證模擬的結(jié)果較為準(zhǔn)確，本文將模型的網(wǎng)格劃分為72萬。

圖1　二次熱風(fēng)加熱凈煙氣系統(tǒng)示意圖

2.3　計算模型及邊界條件

模擬時采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。對流項差分格式采用二階迎風(fēng)，迭代收斂精度為1×10-4。煙氣入口和二次熱風(fēng)入口采用速度入口，出口采用自由出口。壁面絕熱，近壁面區(qū)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。凈煙氣入口溫度為55 ℃，速度為15 m/s；二次熱風(fēng)的入口溫度為300 ℃，速度為36.7 m/s。

3結(jié)果分析

3.1　改造前后煙道的流場

本文共計模擬了改造前以及改造后三種新的方案：圖2為改造前二次熱風(fēng)管道以水平方向插入到凈煙道拐角處；圖3為二次熱風(fēng)管道在煙道拐角處以45 °角斜插入到煙道拐角處(方案1)；圖4為二次熱風(fēng)管道豎直逆流插入凈煙道拐角處(方案2)；圖5為二次熱風(fēng)管道垂直注入豎直煙道(方案3)。

圖2 改造前軸向速度圖3 方案1軸向速度圖4 方案2軸向速度圖5 方案3軸向速度

改造前以及三種改造方案的凈煙道出口流速見表1所示。

表1　改造前及改造后的凈煙道出口流速

3.2　管道內(nèi)軸向溫度分布

由于凈煙道引入高溫?zé)峥諝猓诔浞只旌现?，加入的高溫空氣會對原煙道?nèi)的樹脂防腐涂層有所損傷。改造前的凈煙道壁面溫度分布圖如圖6所示，二次熱風(fēng)注入口和水平煙道的上壁面部分超過事故溫度(180 ℃)；方案1的凈煙道壁面溫度分布圖如圖7所示，整個壁面的溫度只有二次熱風(fēng)注入口和出口的上部的溫度較高；方案2的壁面溫度分布如圖8所示，只有二次熱風(fēng)的注入口溫度很高，其他部位均不超過事故溫度；方案3的壁面溫度分布如圖9所示，二次熱風(fēng)注入的部位以及二次熱風(fēng)注入后所產(chǎn)生的回流區(qū)的溫度超過事故溫度。為杜絕安全事故，建議在各種方案中壁面溫度超過120 ℃的區(qū)域需要進(jìn)行防腐改造，采用耐高溫、耐腐蝕的合金材料來解決該問題。

圖6 改造前軸向溫度圖7 方案1軸向溫度圖8 方案2軸向溫度圖9 方案3軸向溫度

3.3　改造后煙道混合方案以及出口處溫度分布

改造前以及三種改造方案的凈煙道出口面溫度，匯總?cè)绫?所示。

表2　各方案出口溫度

模擬得到，尾部煙道溫度分布圖以及出口溫度分布圖。圖10中改造前的凈煙道出口最高溫度位于凈煙道出口上部，最低溫度位于凈煙道出口下半部，由于二次熱風(fēng)以順流方式注入到煙道的低速回流區(qū)內(nèi)，雖然會減小二次熱風(fēng)進(jìn)入煙道的阻力，但由于高速的二次熱風(fēng)很快的通過回流區(qū)，與流速最高的一部分煙氣混合，導(dǎo)致煙風(fēng)還未完全混合就被排出，所以出口煙氣的溫度很不均勻。

圖11中方案1的出口最高溫度位于出口中心區(qū)域的中部以及上部，最低溫度位于出口的周圍，由于在直角彎外側(cè)的回流區(qū)注入，雖然會強(qiáng)化擾流使煙風(fēng)混合的更好，但是由于煙氣流速較大，導(dǎo)致沒有達(dá)到充分混合就已經(jīng)被排出；圖12中方案2的出口溫度最為平均，最高溫度在出口的中部，最低溫度位于出口的下圍，由于二次熱風(fēng)以逆流的方式注入到凈煙氣內(nèi)，這種注入方式會增加二次熱風(fēng)與凈煙氣的接觸，使換熱的效果加強(qiáng)；圖13中方案3的出口溫度最為均勻，溫差為16.7 ℃在各方案中最低。

圖10　改造前

圖11　方案1

圖12　方案2

圖13　方案3

4結(jié)論

(1)由于混合不均勻的煙氣溫度過高，會使近壁面的酸凝結(jié)，腐蝕煙道，而高溫耐腐蝕防腐材料造價和施工費用較高，所以雖然方案3煙氣混合最為均勻，但出于經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇同樣混合效果很好的方案2進(jìn)行改造。

(2)二次熱風(fēng)注入點應(yīng)盡量提前，延長混合長度能夠使煙風(fēng)充分的混合，達(dá)到出口溫度分布均勻的目的；

(3)加入二次熱風(fēng)后，煙氣管道內(nèi)的溫度會分布不均勻，對煙道壁面的防腐材料有所損壞，所以建議煙道壁面選擇耐高溫、耐腐蝕的合金材料；

(4)本文采用Fluent軟件對加入二次熱風(fēng)的流場進(jìn)行模擬，能夠?qū)ν愋蜋C(jī)組的電廠中的二次熱風(fēng)加熱脫硫凈煙氣設(shè)計與優(yōu)化進(jìn)行有效地指導(dǎo)和參考。

參考文獻(xiàn)

[1]吳春華，顏儉，柏源，李忠華.無GGH濕法煙氣脫硫系統(tǒng)煙囪石膏雨的影響因素及策略研究[J].電力科技與環(huán)保，2013，29(3)：15-17.

[2]陳牧.濕法脫硫后煙囪出口煙氣液滴夾帶問題分析及解決[J].電力建設(shè)，2010，31(10)：80-83.

[3]程永新，曹佩.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中“石膏雨”問題的分析及對策[J].電力建設(shè)，2011，31(11)：94-97.

[4]顏儉，惠潤堂，楊愛勇.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的吸收塔設(shè)備[J].電力環(huán)境保護(hù)，2006，22(5)：13-17.

[5]魏燕萍，劉俊峰.脫硫煙氣對煙囪內(nèi)壁的腐蝕及其防護(hù)材料的研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2007，40(增)：515-518.

[6]曾庭華，楊華，廖永進(jìn)，等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的調(diào)試、實驗及運行[M].北京：中國電力出版社，2008.

[7]程永新，曹 佩.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中“石膏雨”問題的分析及對策[J].電力建設(shè)，2011，31(11)：94-97.

[8]洪文鵬，高天聰，張偉玲.氨法煙氣脫硫噴淋塔煙氣流場的數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2014,34(1)：10-15.

[9]李占元，孫月，楊建興，等.國華臺電600 MW 機(jī)組二次熱風(fēng)加熱脫硫后凈煙氣技術(shù)研究[J].熱力發(fā)電，2008，37(9)：51-52.

[10] 王鍵，傅鐘泉，蒲良毅，等.從電站鍋爐和脫硫裝置的運行實踐探討煙氣酸露點問題[J].熱力發(fā)電，2010，39(10)：25-28.

[11] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[12] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Secondary Air Heating Net Flue Gas Injection Point Selection

HONG Wen-peng，ZHANG Hong-kuan，XU Yun-hui

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：When reforming the project that 2×300 MW units extract part of hot secondary heated air to heat clean gas in a plant，it was found that the nonuniform temperature occurs at the boiler tail flue gas duct.The computational fluid dynamics software FLUENT was used to simulate.Flow field and temperature field with pipline has been transformed and before it hasn’t been transformed was analysised according to the simulation results.Comparing the tail gas duct before it has been transformed to three new injecting projects obtains the heating soluntions that secondary heated air inject the vertical gas duct perpendicularly.This solution enhances the secondary heated air and clean gas mixing effects.In the optimal solution，the secondary heated air blend clean gas well，the average temperature of the flue gas outlet is 72.6 ℃.The temperature of the clean gas outlet distribute uniformly，the temperature difference is small at outlet face and not more than 16.7 ℃ after mixing.Also the clean gas wall is required to be installed anti-corrosion coating area after a given transformation.

Key words：Hot second wind；Flue gas desulfurization；Numerical simulation

中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2992(2015)06-0056-05

作者簡介：洪文鵬(1970-)，男，遼寧省綏中市人，東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授，博士，主要研究方向：多相流理論及應(yīng)用技術(shù).

收稿日期：2015-09-12