摘要：對(duì)新型煙囪技術(shù)特征和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析認(rèn)為：由于切向進(jìn)氣，煙氣形成旋渦，流動(dòng)阻力低于普通煙囪，壓力損失減少，所以更節(jié)能；流場(chǎng)中心形成負(fù)壓，水、霧等比塵粒小，但比空氣大(重)的輕質(zhì)組分集中在中軸地帶隨煙氣排出，不會(huì)腐蝕內(nèi)壁；因?yàn)樾郎u流動(dòng)的存在，提升了煙氣排放高度，有更好的環(huán)保效果。

關(guān)鍵詞：煙囪；節(jié)能；環(huán)保；防腐；氣流；旋渦

引言

近年來，隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高和大眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)新建火力發(fā)電廠都要求進(jìn)行煙氣脫硫處理。在我國(guó)，濕式石灰石/石膏濕法脫硫(FGD)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)濕法脫硫處理后的煙氣水分含量高，濕度大，溫度低，煙氣處于全結(jié)露狀態(tài)。對(duì)一臺(tái)600MW機(jī)組來說，煙氣中水氣結(jié)露后形成的具腐蝕性水液理論計(jì)算量約每小時(shí)數(shù)十噸(亦有說幾t/h)，它主要依附于煙囪內(nèi)側(cè)壁并造成嚴(yán)重腐蝕，極大地增加煙囪造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用并影響電廠的正常運(yùn)行。為防止煙氣中水蒸汽結(jié)露和提高煙氣的提升高度，濕法脫硫系統(tǒng)中設(shè)置了后加熱器(GGH)，將煙溫提高到80℃以上。但煙囪內(nèi)筒的腐蝕問題仍不能有效解決。臺(tái)塑集團(tuán)在福建省漳州后石電廠投資建設(shè)6臺(tái)600MW級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組，由于建有脫硫裝置，煙囪設(shè)計(jì)咨詢單位日本三菱公司要求，在2座多管式煙囪的鋼內(nèi)筒內(nèi)表面均須掛貼1.6mm的鈦鈑或鎳鈑用于抗稀酸液腐蝕，由此使單座煙囪投資高達(dá)8000余萬元。新型煙囪是一項(xiàng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利產(chǎn)品，自發(fā)明專利并推廣使用以來，已在天津、青島等地建設(shè)多座，從運(yùn)行結(jié)果看，新型煙囪有以下特點(diǎn)：

(1)降低引風(fēng)機(jī)動(dòng)力消耗10%，可節(jié)省能耗；

(2)保持煙囪內(nèi)筒干燥，不腐蝕，對(duì)煙囪內(nèi)筒材料無特殊要求，從而使煙囪造價(jià)大為降低，并且使用持久，維護(hù)方便；

(3)環(huán)保效果好，煙羽剛度大，當(dāng)天氣出現(xiàn)逆溫時(shí)，不會(huì)將煙羽壓至地面，不會(huì)造成污染。新型煙囪為什么具有節(jié)能、環(huán)保和不腐蝕內(nèi)襯的優(yōu)點(diǎn)?本文將根據(jù)新型煙囪的運(yùn)行實(shí)踐和流體力學(xué)，針對(duì)新型煙囪的典型構(gòu)造，作出技術(shù)探討，給出分析結(jié)果。

1　新型煙囪的基本形式

脫硫后的煙氣切向進(jìn)入煙囪，可以單側(cè)進(jìn)氣，也可以雙側(cè)進(jìn)氣，煙囪內(nèi)筒壁設(shè)置類似于來復(fù)線形式的導(dǎo)流線。

2　新型煙囪的氣流流動(dòng)特點(diǎn)分析

2.1　流動(dòng)特征

煙氣切向進(jìn)入煙囪后，會(huì)形成類似于擴(kuò)散型旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其氣流流動(dòng)狀態(tài)是周向、徑向與軸向劇烈變化的三維旋流場(chǎng)�？偟膩碚f，存在兩種不同性質(zhì)的旋渦：

(1)外旋氣流———自由旋。煙氣切向進(jìn)入煙囪后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)形成外旋氣流并向下旋轉(zhuǎn)，含塵煙氣在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，將較重的塵粒甩向煙囪內(nèi)筒壁，塵粒一旦與煙囪內(nèi)筒壁接觸，便會(huì)失去慣性力，在重力作用下沿壁面下沉，完成其除塵功能。從目前的運(yùn)行實(shí)踐來看，這點(diǎn)已得到驗(yàn)證。

(2)內(nèi)旋氣流———強(qiáng)迫旋。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在向下旋轉(zhuǎn)的過程中，根據(jù)旋渦的特性(旋渦不會(huì)自動(dòng)消失性質(zhì))和“旋轉(zhuǎn)矩”不變?cè)�，�?dāng)旋渦到達(dá)中下部位置時(shí)，將會(huì)由下反轉(zhuǎn)而上，繼續(xù)螺旋流動(dòng)，即內(nèi)旋氣流，最后內(nèi)旋氣流經(jīng)煙囪口排出。

2.2　流場(chǎng)速度和壓力分布

2.2.1　速度分布

(1)切向速度。外旋氣流切向速度隨煙囪半徑減小而增大，內(nèi)旋氣流的切向速度隨著半徑的減小而減小，在內(nèi)外旋渦的交界面上，切向速度達(dá)到最大。外旋速度場(chǎng)按準(zhǔn)自由渦區(qū)規(guī)律變化：

urn=常數(shù)其中u為切向速度；r為半徑；n為速度分布指數(shù)，介于0.5~0.9之間。內(nèi)旋速度按強(qiáng)制渦區(qū)規(guī)律變化：u/r=常數(shù)其中u為切向速度；r為半徑。

(2)軸向速度。軸向速度分布沿軸向的變化很大，且在徑向具有復(fù)雜的分布，尚無有效的計(jì)算方法，一般由試驗(yàn)測(cè)定。外測(cè)下行流與內(nèi)側(cè)上行流的分界面應(yīng)是零軸向速度分界面。

(3)徑向速度。徑向速度遠(yuǎn)小于切向和軸向速度，大部分是向心的，只在中心渦核處有小部分向外的徑向流。實(shí)際流動(dòng)中，徑向速度分布十分復(fù)雜，要通過測(cè)量才能確定。

2.2.2　流場(chǎng)壓力分布

根據(jù)理論和實(shí)測(cè)結(jié)果分析，流場(chǎng)壓力分布有以下特點(diǎn)：

(1)軸向壓力。在外旋區(qū)，沿軸上下壓差很小，在內(nèi)旋區(qū)，軸向壓力變化較大；

(2)切向壓力。沿切向壓力變化很小，僅因氣流不均勻稍有變化；

(3)徑向壓力。由于離心力作用，壓力沿徑向變化非常顯著，尤其是中心部分，其壓力梯度較大。但動(dòng)壓變化不大，主要受靜壓支配。內(nèi)外旋流的整個(gè)流場(chǎng)，從旋渦邊緣至軸心，壓力是遞減的，旋渦中心壓力比邊界處低，比旋渦周邊外圍更低[5]。指向軸心的壓力梯度和強(qiáng)烈的吸卷作用，使得煙氣中未被分離的水滴、水蒸汽和少量塵埃等液、固相稍重組分，均被吸卷在中軸低壓區(qū)，隨上升熱煙氣排入大氣，完成其除濕功能。

3　壓力損失和減阻措施

從目前研究來看，新型煙囪的壓力損失有入口損失、摩擦損失(包括與壁面摩擦損失和內(nèi)外旋渦氣流速度梯度變化造成的內(nèi)摩擦損失)、本體內(nèi)動(dòng)能損失、局部阻力損失、出口損失等。從實(shí)際運(yùn)行來看，新型煙囪總的能量損失比傳統(tǒng)的要少10%左右，減阻效果好。從旋渦流動(dòng)的特點(diǎn)分析，氣流進(jìn)入煙囪后流動(dòng)路徑變長(zhǎng)，摩擦損失比原來的大。但摩擦損失占總壓力損失的比例較低，影響不大。而入口損失、局部阻力損失和動(dòng)能損失因旋渦流動(dòng)的特點(diǎn)均減少，所以總的能量損失比原來少。為進(jìn)一步減小阻力和能量損失，節(jié)約能源及運(yùn)行成本，可以采取相應(yīng)的減阻措施。如入口損失中，一部分流體在切向進(jìn)氣后旋轉(zhuǎn)一周會(huì)斜向吹到剛從入口進(jìn)來的氣體上，導(dǎo)致入口進(jìn)氣偏向筒壁而產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象，使壁面處流速增大，壁面摩擦力增大，導(dǎo)致壓力損失增大。為了抑制壓縮現(xiàn)象，可加導(dǎo)向板[6]。導(dǎo)向板的形狀、大小，尤其是高度對(duì)效率和阻力有較大的影響。另外，對(duì)于壁面摩擦損失，選擇適當(dāng)?shù)膩韽?fù)導(dǎo)流線也很重要，來復(fù)線的截面形狀、尺寸、螺距等對(duì)壁面摩擦損失都有很大影響。

4　結(jié)語

(1)由于改變了煙氣進(jìn)入方式和不設(shè)后加熱器，入口損失、局部阻力損失和動(dòng)能損失因?yàn)樾郎u流動(dòng)的特點(diǎn)均有所減少，所以總的壓力損失減小，總的能量損失也大為減小，顯著降低了引風(fēng)機(jī)的電機(jī)負(fù)荷，預(yù)計(jì)可節(jié)能30%。同時(shí)由于不設(shè)后加熱器，每年可節(jié)省運(yùn)行用電約300萬kW•h。

(2)在旋渦流動(dòng)作用下，大塵粒由于直徑大，密度高，受到的離心力大，被甩向煙囪內(nèi)筒壁后失去慣性力，在重力作用下沿壁面下沉，完成其除塵功能。

(3)由于旋渦中心的負(fù)壓吸引，中心區(qū)的流體不能向外擴(kuò)散，形成類似于旋風(fēng)分離器的旋風(fēng)抽吸流場(chǎng)。未被除盡的輕質(zhì)塵粒、煙氣中的水滴、霧等被吸卷至中軸區(qū)域，將隨煙氣排出，不會(huì)腐蝕筒壁，具有除濕功能。

(4)濕法脫硫后的煙氣溫度較低，為防止煙氣中水蒸汽結(jié)露和提高煙氣的抬升高度，F(xiàn)GD中設(shè)置GGH，將煙溫提高到80℃。實(shí)測(cè)和設(shè)備運(yùn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，80℃尚不足以防止結(jié)露，大多數(shù)情況露點(diǎn)會(huì)更高，特別在冬季環(huán)境溫度低時(shí)，結(jié)露屢有發(fā)生，此時(shí)GGH的初衷并不能保證。采用旋渦控制的排煙技術(shù)，可從根本上防止結(jié)露在筒壁發(fā)生，故GGH可以取消，從而節(jié)省大筆投資。此外，旋渦流動(dòng)將在更高的高度耗散，排出煙囪以后，還會(huì)繼續(xù)發(fā)生作用，煙氣的上升高度也有提高。采用切向進(jìn)氣，利用煙氣自身形成的旋渦完成除濕、除塵、隔離有害氣體、保護(hù)煙囪內(nèi)筒壁面等功能，是新型高效防腐煙囪具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的技術(shù)基礎(chǔ)。這種旋渦控制的排煙技術(shù)，也是流體力學(xué)應(yīng)用研究，特別是旋渦控制技術(shù)在工程界應(yīng)用十分成功的典型[7]。新型煙囪節(jié)省了GGH和鈦鈑內(nèi)襯的大額投資，按目前的市場(chǎng)價(jià)格，一套GG為2500萬元，鈦鈑和復(fù)合鈑也很昂貴，一座240m高的煙囪，復(fù)合鈑內(nèi)套造價(jià)為700萬元，而且在運(yùn)行一定時(shí)期后需要更換。此外，煙囪本體的造價(jià)也因?yàn)檫x用普通材料和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而顯著降低。據(jù)估算，一座600MW機(jī)組，高240m的煙囪造價(jià)可以節(jié)省大約1000萬元。目前我國(guó)待改造和擬建的大型煙囪數(shù)量很大，煤炭是我國(guó)主要的能源資源，濕法除硫技術(shù)今后還將是主流技術(shù)，新型煙囪技術(shù)有著巨大的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。

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