摘要：随着燃煤电厂超低改造的推进，湿法脱硫系统一般不设GGH，导致吸收塔后湿烟气温度较低，机组低负荷运行下极易产生烟羽下洗现象。对于北方电厂，冬季产生烟羽下洗时造成烟囱顶口结冰，对电厂人员、设备的安全运行造成重要威胁。本研究采用CFD仿真模拟，创新烟囱顶口结构，研发了DFG-SPD防烟羽下洗装置，从根本上防止了烟羽下洗和烟囱顶口结冰现象发生，具有重要的环境和社会效益。
关键词：湿烟囱；烟羽下洗；烟囱顶口结冰；计算流体动力学（CFD）模拟
Abstract:With the advancement of ultra-low transformation of coal-fired power plant, the wet desulfurization system generally does not have GGH, which results in lower temperature of the wet flue gas after the absorption tower, and stack plume downwash is easy to occur under low unit load. For the northern power plant in the winter, the stack plume downwash causes the stack top icing, posing an important threat to the safe operation of power plant personnel and equipment. In this paper, CFD simulation is used to innovate the chimney top structure, and the DFG-SPD anti-stack plume downwash device is developed, which fundamentally prevents the occurrence of stack plume downwash and the stack top icing, which has important environmental and social benefits.
Keywords: Wet Stack; Stack plume downwash; Stack top icing; Computational fluid dynamics (CFD) simulation
我国300 MW以上燃煤机组超过90%采用石灰石－石膏湿法脱硫技术，早期普遍同时安装GGH。由于GGH存在烟气泄露影响SO2达标排放、堵塞、腐蚀以及阻力大等问题，近年来建设的湿法脱硫装置大多不再安装GGH。随着燃煤电厂超低改造的推进，已建的GGH大部分也被拆除。随之而来产生的问题是脱硫后的饱和湿烟气温度低、湿度大，在烟囱排出过程中容易冷凝形成液滴，除了产生“烟囱雨/石膏雨”现象外[1-2]，还会导致“烟羽下洗”现象发生[3]。
烟羽下洗现象存在以下危害[4-5]：
（1）烟羽下洗发生时，酸性冷凝液会腐蚀下风向的外筒壁；（2）冬季环境温度较低，尤其是在北方，烟羽下洗发生时，酸性冷凝液会在下风向外筒外壁结冰，当风向转变或环境温度回升时，冰块融化，会对烟囱周围人员和设备安全构成严重威胁；（3）烟羽顶口结冰导致烟囱侧面重量失衡，引起烟囱在高空的正常摇摆幅度失衡，影响烟囱的寿命。
1项目简介
国电电力大连开发区热电厂现2×350MW机组合用一座高为210m、出口内直径为7.5m的套筒式烟囱。钢筋混凝土外筒，7.5×210m内筒，30m以下采用钢筋混凝土筒体结构，30m以上采用耐酸砖耐酸胶泥砌筑的砖筒。
电厂地处北方，冬季气温较冷，经常发生烟羽下洗及烟囱顶口结冰现象，亟需进行治理。
2 原因分析
烟羽下洗形成的主要因素包括[6]：
（1）烟囱结构：内筒出口直径、外筒出口直径、内筒高出外筒长度、烟囱筒首结构、内筒数量；
（2）大气环境及烟气参数：烟囱顶部风向、风速、空气密度、常年主导风向、烟气出口速度以及烟气密度、烟气温度、大气环境温度、烟羽浮力。
通过对大开电厂#1、#2机组烟囱结构、当地气候条件等进行综合分析，烟羽下洗产生主要有以下几个原因：
（1）采用无GGH湿法脱硫技术，形成湿烟囱排放。
（2）地处北方，尤其是在冬季，严寒多风。多风，则增加烟羽下洗的发生频率；气温较低，净烟气从烟囱排入大气后，烟气自身携带的水滴以及与冷空气混合生成的冷凝液会有部分冻结在烟囱筒首，导致烟囱顶口结冰。
（3）内筒与外筒顶口齐平。对于套筒型烟囱，内筒与外筒顶口齐平，烟气更容易与外筒壁面接触，烟羽下洗现象更容易发生。
3 烟囱顶口结冰常见区域
烟囱顶口结冰是烟囱壁面温度、饱和湿烟气温度、风速以及水蒸气的冷凝位置综合作用的结果。烟囱结冰常见区域如下：
（1）烟囱筒首（套筒型烟囱）：烟囱筒首是首先暴露在烟羽中的区域。筒首直接与烟囱、内衬、烟囱延伸段相连。当筒首结冰时，冰块一般位于逆风区边缘和下风向中间区域，与风向呈45°夹角。这些冰块量较多，较易坠落至地面。
（2）外筒：外筒壁结冰区域一般位于烟羽下风向区域，也容易与饱和湿烟气和空气接触。
（3）围栏：筒壁周围的金属围栏，遇到饱和湿烟气和空气后极容易在表面产生冰块，是最容易结冰的地方。
（4）烟囱顶口附近平台：烟囱顶口附近的金属平台在烟羽下洗发生时，也会暴露在饱和湿烟气和空气中。相对于金属围栏，是次容易发生结冰的地方。
4 三维模型设计
按照1:1比例建立大开烟囱三维模型，如下图所示。烟囱高210m，出口直径7.5m。同时建立周围空气模型，长×宽×高尺寸750 m×150 m×500m。
图1 烟囱三维模型
5CFD仿真模拟
通过流体动力学（CFD气流组织仿真模拟）对烟羽下洗进行预测，是有效控制烟羽下洗现象的关键技术。
在进行CFD气流组织仿真模拟时，选择在最恶劣的环境状况下进行模拟分析，综合考虑烟气速度、风速、环境温度、烟囱出口结构，得出烟羽的具体形状及特性，为后续工艺设计和装置研发提供理论依据。由于大开电厂烟囱两侧进口，选择多个工况进行计算，以便得到一个最优的分析结果。根据业主提资，大开冬季最低运行负荷为两台机组45%负荷，因此我们将进行两台机组100%负荷和45%负荷下的模拟，即最优和最恶劣的工况，以确定烟羽下洗的发生情况。
模拟时的相关边界条件如表1所示：
结果表明在两台机组45%负荷下，烟囱明显发生烟羽下洗现象，烟羽与外筒壁面发生大范围的接触，极易发生烟囱顶口结冰现象。
6 DFG-SPD防烟羽下洗装置设计
通过CFD仿真模拟，我们获得了烟羽下洗发生的条件以及具体的形式，在此基础上进行工艺设计。
在设计时，首要的设计参数为烟囱烟气出口流速与风速之比，它决定了气流间的相互作用。如果比值过小，则容易产生烟羽下洗现象。
其次需要考虑的设计参数为烟囱顶口处外筒直径与内筒内径的比率。比率越大，更容易发生烟羽下洗现象。
表1 边界条件
7 实施效果
本项目于2016年12月竣工投入使用，经过两个冬季的运行观察，有效消除了烟羽下洗现象，彻底解决了烟囱顶口结冰问题。本技术装置采用模块化设计和安装，安全稳定可靠，且投资低、基本无维护费用，与普通电加热的方法具有明显的技术优势。
本研究及应用为北方燃煤电厂烟羽下洗及烟囱顶口结冰问题治理提供了一个良好的解决方案，其推广和应用具有重要的环境和社会效益。
参考文献
[1]欧阳丽华，庄烨，刘科伟，等.燃煤电厂湿烟囱降雨成因分析[J].环境科学，2015，36(6) : 1975~1982.
[2]周洪光.如何正确认识火电厂湿烟气排放及白雾现象[J].环境工程，2015，(33) : 433~437.
[3]姚増权.湿烟气的抬升与凝结[J].国际电力，2003，7(1) : 42~46.
作者简介：吴永杰（1990- ），男，硕士研究生，主要研究方向为大气污染控制技术。
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论文作者:吴永杰1,戴永阳1,姚晔2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：烟囱论文; 烟气论文; 现象论文; 电厂论文; 发生论文; 风向论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第31期论文;