烟囱烟气脱硫装置对烟囱内烟气流动性能影响

目前,烟气脱硫技术是控制SO2排放量及防治大气硫污染的有效手段[12],但这会对烟囱的运行产生腐蚀等问题[35]。因此,本文应用流体力学计算方法对某电厂烟气脱硫装置安装前、后烟气进入烟囱中的流场进行计算,分析烟囱、烟道内烟气流动的变化。
1控制方程和计算工况
某电厂安装脱硫装置前烟囱和水平烟道的结构如图1所示。该结构为水平烟道两侧进风,每侧2个入口,入口尺寸为3420mm3055mm,满负荷时烟气流量为1230000m3/h,入口烟气平均速度为12.7m/s。烟气进入水平烟道后转向90进入烟囱。安装烟气脱硫装置后,4个烟气入口改为1个,入口尺寸为7000mm3500mm,锅炉100%负荷时烟气流量为1306209m3/h,烟气流速达19.1m/s(图2)。
烟囱内烟气物料浓度很低,可认为是稀相多相流,因此可用单相气体流动来描述。烟囱内烟气流动为通道流,其雷诺数大于104,处于湍流流动状态,故采用k双方程湍流模型来描述烟道内的烟气流动.
2安装烟气脱硫装置的影响
2.1对烟气流场的影响
通过数值试验对该电厂锅炉100%、80%、65%、50%负荷时安装烟气脱硫装置前两侧对称进风烟囱内流体的流动状况研究发现,4种工况的烟囱内流场基本接近,因此本文只研究脱硫前额定工况的计算结果(图5、图6)。
由图5和图6(c)可见,两侧对称进气时烟囱内气流的流场分布具有较强的对称性,两侧烟气进入烟囱后具有一定的水平速度分量和向上速度分量,当这两股气流以3.8~2.4m/s的流速在烟囱中部混和后大部分流转向上,并且在主气流和壁面间形成回流,少量气流向下形成底部旋涡。由图6(a)、图6(b)可见,烟气进入烟囱后对冲向上流动,在烟囱水平横截面形成对称分布的旋涡,在纵截面中心向上的气流与两壁面之间形成回流涡和回流区。
图7(a)为锅炉100%负荷运行时烟囱不同高度水平截面上烟气轴向速度分布数值计算结果,不同横截面的具体高度如表1所示。图7中纵坐标代表对应高度处轴流速度的最大值。
由图7(a)可见,第1~第5测试截面(对应烟囱高度11.46~54.44m)显示剖面的轴向速度分布呈波峰形,这验证了图6中在两侧对称进气时会在第1~第5测试截面形成向上冲的烟气流动,横截面上形成对称流动的旋涡,随烟气高度的增加其旋转运动相对减弱,这主要是由于烟囱内壁摩擦耗能和流体湍流耗能使流体的旋转动能逐渐被减弱。由第6~第16测试截面(对应烟囱高度64.27~180m)的测试结果可见,此区域的轴向速度分布形状基本一致,只是随测试截面位置的升高,烟囱流通截面积减小,烟气流速增大。
由图7(b)可见,在第2~第5测试截面(对应烟囱高度21.55~54.44m),与工况1相似速度分布均呈波峰形,说明烟囱内气流始终在做旋转运动,只是随着负荷的减小轴向风速有所降低;在第7~第16测试截面(对应烟囱高度75.84~180m),速度分布呈平缓趋势,说明烟囱上部气流运动的混乱度减弱。
图7(c)是烟气脱硫装置安装前单台锅炉100%负荷运行另一台锅炉停运时烟气单侧进入工况。第2~第5测试截面(对应烟囱高度21.55~54.44m)存在烟气以最高速度贴壁的现象,此时气流正在冲刷烟囱壁面;从第6测试截面向上流体最高速度贴壁现象缓并且垂直方向速度分布趋于平缓。由不同工况的数值计算结果可见,脱硫装置安装前各工况的速度分布相似,随着进气量减小流场的混乱度相对减弱。
由图8可见,由于气流进入烟囱后转向上流动以及主气流的卷吸作用,造成气流与烟囱下部间的区域的气流形成回流,烟气主流位置偏向远离进气的一侧,在第1~第5测试截面(相对于烟囱高度11.46~54.44m)存在气流对壁面的冲刷现象,第5测试截面以上(对应烟囱高度54.44m以上)速度分布已趋于平稳。
2.2对烟囱和水平烟道冲刷状况的影响
烟气脱硫装置安装前、后烟囱内烟气流场分布的变化主要是因为烟囱进气方式改变所引起的。烟气脱硫装置安装后烟囱由双侧进气改为单侧进气,使得烟囱下部烟气对烟囱无进气侧壁面形成冲刷,可能影响烟囱使用寿命。
从图7可见,在烟气脱硫装置安装前烟速气流较低时,烟气对壁面冲刷较弱,因而烟囱没有冲蚀问题。
在烟气脱硫装置安装前单台锅炉100%负荷运行工况下(工况3),烟气对烟囱壁面15~55m区域存在冲刷现象。烟气脱硫装置安装后的所有工况下烟气冲刷亦主要在烟囱15~55m区域,脱硫前后单侧进气冲刷严重区域均在20~30m之间,并且锅炉100%负荷运行时烟气对烟囱内壁的冲蚀量是烟气脱硫前的1.08~1.48倍。
由于锅炉100%负荷运行时烟气量最大,对壁面的冲刷最强烈,因此仅对脱硫前后锅炉100%负荷工况进行分析。由数值计算可以得出脱硫前后锅炉100%负荷运行时在水平烟道烟气距侧壁面(入口对面)20mm处向壁面方向冲刷的平均法向速度和最高法向速度,计算表明烟气脱硫后烟气对水平烟道侧壁(入口对面)及该壁面与烟囱的交接处冲刷比脱硫前更强烈,其冲蚀程度是烟气脱硫装置安装前的1.35~1.84倍。
3结论
(1)烟囱内的流场主要受烟囱进气方式的影响。在烟气脱硫装置安装前两侧对称进气的工况下烟囱内流场具有明显的对称性,对壁面影响不大;烟气脱硫装置安装后的各工况烟气对无进气侧烟囱壁面的15~55m区域存在冲刷现象,脱硫前后冲刷烟囱壁面相对严重区域均在烟囱的20~30m高度之间。
(2)烟气脱硫装置安装后烟气对水平烟道壁面的冲蚀程度加剧,其冲蚀程度是烟气脱硫装置安装前的1.35~1.84倍。