二次热风加热净烟气的注入点的选择

洪文鹏，张洪宽，徐云辉

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国能源建设集团 浙江火电建设有限公司，杭州 310016)

二次热风加热净烟气的注入点的选择

洪文鹏1，张洪宽1，徐云辉2

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国能源建设集团 浙江火电建设有限公司，杭州 310016)

摘要：为解决某2×300 MW机组中二次热风加热净烟气项目改造后，出现的尾部烟道出口温度分布不均的现象。利用计算流体力学fluent软件进行模拟，通过模拟结果对改造前后流场及温度场进行分析，对比改造前的尾部烟道和3种新的注入方案，得到二次热风垂直注入竖直烟道的加热方案，可很好的增强二次热风与净烟气的混合效果。在最佳方案中二次热风能够与烟气充分混合，烟气出口平均温度可达72.6 ℃；混合后得到的净烟气出口温度分布均匀，出口面温差小，温差不超过16.7 ℃；给定改造后净烟道壁面需要安装防腐涂层的区域。

关键词：二次热风；脱硫净烟气；数值模拟

在环境问题日益严峻的今天，环境保护日益受到人们的重视。一些机组GGH堵塞问题严重影响了脱硫设施运行可靠性，使得一些电厂采用“湿烟囱”排放的方案，即取消GGH装置，饱和净烟气直接从烟囱排出。由于排烟温度较低，吸收塔出口带有饱和水的净烟气在排出过程中部分冷凝形成液滴，烟气夹带液滴自烟囱口排出后不能有效地抬升、扩散到大气中，导致取消GGH装置后烟气不能迅速消散，形成了所谓的“石膏雨”，严重影响了电厂的经济效益和社会效益。[1]当机组运行负荷高、环境温度降低时，这种现象尤为严重，对人们的生活的和生产造成了巨大的影响，“石膏雨”的治理成为重要的研究方向。[2]“石膏雨”的生成原因有很多种，大致原因可概括为除雾器效率降低、取消GGH后排烟温度的降低、烟囱运行参数的偏离以及设备检修的不及时等。[3-5]根据其产生的原因，众多学者针对问题也提出了很多治理方法，主要是优化除雾器或喷淋层喷嘴，以及采取对烟气直接加热的方法。[6-8]

1二次热风加热净烟气及产生的问题

某2×300 MW机组基于“石膏雨”现象的危害以及工程实际的应用性和可行性的基础，确定了在热二次风管道抽取热二次风加净烟气的技术方案，利用锅炉热二次风的裕量，从空气预热器后二次风风道中抽取部分热二次风，以顺流方式直接注入脱硫系统出口烟道，与脱硫后的净烟气混合，这种方法可以提高净烟气的温度和烟气抬升高度，使其高于酸露点，从而解决烟囱腐蚀加重以及“石膏雨”的危害问题。[9-10]该电厂在净烟道加入二次热风后，净烟道出口处局部烟气温度过高，导致“石膏雨”问题没有得到很好的解决。本文通过对该电厂尾部烟道的模拟，分析出问题的原因，并提出3种新的改造方案来解决问题。[11-12]

2模型的建立与边界条件

2.1　模型基本假设

假定烟道内烟气流动为三维、定常、不可压缩流动，本次模拟不需要考虑烟气颗粒的轨迹；假定烟气是不含颗粒相的气体，模拟流体均以空气的物性参数为标准；热二次风和烟气均为湍流流动，湍流各向同性；假定整个烟道壁面均匀绝热。[11-12]

2.2　物理模型及参数

根据实际净烟道结构参数，烟道直径为5.4 m，二次热风管道直径为1 m，整个尾部烟道总长度为17.7 m。应用Gambit软件来建立改造后的二次热风加热净烟气的烟道三维模型，模型如图1所示。通过模拟不同网格下流场的状况，得出网格在68万以上时，网格对模拟效果的影响已微乎其微，为保证模拟的结果较为准确，本文将模型的网格划分为72万。

图1　二次热风加热净烟气系统示意图

2.3　计算模型及边界条件

模拟时采用标准k-ε模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法。对流项差分格式采用二阶迎风，迭代收敛精度为1×10-4。烟气入口和二次热风入口采用速度入口，出口采用自由出口。壁面绝热，近壁面区模拟采用标准壁面函数法。净烟气入口温度为55 ℃，速度为15 m/s；二次热风的入口温度为300 ℃，速度为36.7 m/s。

3结果分析

3.1　改造前后烟道的流场

本文共计模拟了改造前以及改造后三种新的方案：图2为改造前二次热风管道以水平方向插入到净烟道拐角处；图3为二次热风管道在烟道拐角处以45 °角斜插入到烟道拐角处(方案1)；图4为二次热风管道竖直逆流插入净烟道拐角处(方案2)；图5为二次热风管道垂直注入竖直烟道(方案3)。

图2 改造前轴向速度图3 方案1轴向速度图4 方案2轴向速度图5 方案3轴向速度

改造前以及三种改造方案的净烟道出口流速见表1所示。

表1　改造前及改造后的净烟道出口流速

3.2　管道内轴向温度分布

由于净烟道引入高温热空气，在充分混合之前，加入的高温空气会对原烟道内的树脂防腐涂层有所损伤。改造前的净烟道壁面温度分布图如图6所示，二次热风注入口和水平烟道的上壁面部分超过事故温度(180 ℃)；方案1的净烟道壁面温度分布图如图7所示，整个壁面的温度只有二次热风注入口和出口的上部的温度较高；方案2的壁面温度分布如图8所示，只有二次热风的注入口温度很高，其他部位均不超过事故温度；方案3的壁面温度分布如图9所示，二次热风注入的部位以及二次热风注入后所产生的回流区的温度超过事故温度。为杜绝安全事故，建议在各种方案中壁面温度超过120 ℃的区域需要进行防腐改造，采用耐高温、耐腐蚀的合金材料来解决该问题。

图6 改造前轴向温度图7 方案1轴向温度图8 方案2轴向温度图9 方案3轴向温度

3.3　改造后烟道混合方案以及出口处温度分布

改造前以及三种改造方案的净烟道出口面温度，汇总如表2所示。

表2　各方案出口温度

模拟得到，尾部烟道温度分布图以及出口温度分布图。图10中改造前的净烟道出口最高温度位于净烟道出口上部，最低温度位于净烟道出口下半部，由于二次热风以顺流方式注入到烟道的低速回流区内，虽然会减小二次热风进入烟道的阻力，但由于高速的二次热风很快的通过回流区，与流速最高的一部分烟气混合，导致烟风还未完全混合就被排出，所以出口烟气的温度很不均匀。

图11中方案1的出口最高温度位于出口中心区域的中部以及上部，最低温度位于出口的周围，由于在直角弯外侧的回流区注入，虽然会强化扰流使烟风混合的更好，但是由于烟气流速较大，导致没有达到充分混合就已经被排出；图12中方案2的出口温度最为平均，最高温度在出口的中部，最低温度位于出口的下围，由于二次热风以逆流的方式注入到净烟气内，这种注入方式会增加二次热风与净烟气的接触，使换热的效果加强；图13中方案3的出口温度最为均匀，温差为16.7 ℃在各方案中最低。

图10　改造前

图11　方案1

图12　方案2

图13　方案3

4结论

(1)由于混合不均匀的烟气温度过高，会使近壁面的酸凝结，腐蚀烟道，而高温耐腐蚀防腐材料造价和施工费用较高，所以虽然方案3烟气混合最为均匀，但出于经济性考虑，选择同样混合效果很好的方案2进行改造。

(2)二次热风注入点应尽量提前，延长混合长度能够使烟风充分的混合，达到出口温度分布均匀的目的；

(3)加入二次热风后，烟气管道内的温度会分布不均匀，对烟道壁面的防腐材料有所损坏，所以建议烟道壁面选择耐高温、耐腐蚀的合金材料；

(4)本文采用Fluent软件对加入二次热风的流场进行模拟，能够对同类型机组的电厂中的二次热风加热脱硫净烟气设计与优化进行有效地指导和参考。

参考文献

[1]吴春华，颜俭，柏源，李忠华.无GGH湿法烟气脱硫系统烟囱石膏雨的影响因素及策略研究[J].电力科技与环保，2013，29(3)：15-17.

[2]陈牧.湿法脱硫后烟囱出口烟气液滴夹带问题分析及解决[J].电力建设，2010，31(10)：80-83.

[3]程永新，曹佩.湿法烟气脱硫系统中“石膏雨”问题的分析及对策[J].电力建设，2011，31(11)：94-97.

[4]颜俭，惠润堂，杨爱勇.湿法烟气脱硫系统的吸收塔设备[J].电力环境保护，2006，22(5)：13-17.

[5]魏燕萍，刘俊峰.脱硫烟气对烟囱内壁的腐蚀及其防护材料的研究[J].武汉大学学报：工学版，2007，40(增)：515-518.

[6]曾庭华，杨华，廖永进，等.湿法烟气脱硫系统的调试、实验及运行[M].北京：中国电力出版社，2008.

[7]程永新，曹 佩.湿法烟气脱硫系统中“石膏雨”问题的分析及对策[J].电力建设，2011，31(11)：94-97.

[8]洪文鹏，高天聪，张伟玲.氨法烟气脱硫喷淋塔烟气流场的数值模拟[J].东北电力大学学报，2014,34(1)：10-15.

[9]李占元，孙月，杨建兴，等.国华台电600 MW 机组二次热风加热脱硫后净烟气技术研究[J].热力发电，2008，37(9)：51-52.

[10] 王键，傅钟泉，蒲良毅，等.从电站锅炉和脱硫装置的运行实践探讨烟气酸露点问题[J].热力发电，2010，39(10)：25-28.

[11] 陶文铨.数值传热学[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2001.

[12] 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，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

中图分类号：TM76

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0056-05

作者简介：洪文鹏(1970-)，男，辽宁省绥中市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，主要研究方向：多相流理论及应用技术.

收稿日期：2015-09-12