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一種新型煙囪脫硫高空防腐特征分析

發布時間:2009.07.17    新聞來源:江蘇新大高空公司    瀏覽次數:

  近年來,隨著國家環保標準的逐步提高和大眾環境保護意識的增強,國內新建火力發電廠工程都要求進行煙氣脫硫處理并要求進行對煙囪脫硫高空防腐、電廠煙囪高空防腐、母子煙囪高空防腐施工、煙囪脫硫防腐.在我國,濕式石灰石 /石膏濕法脫硫 (FGD)技術因其脫硫效率高、脫硫效果好、工藝成熟、成本較低而得到廣泛應用 .通常進行濕法脫硫處理后且不設煙氣加熱系統 GGH的煙氣,水份含量高,濕度大,溫度低,煙氣處于全結露現象.對一臺 600MW機組來說,煙氣中水氣結露后形成的具腐蝕性水液理論計算量約數十 T/H (亦有說幾 T/H) ,它主要依附于煙囪內側壁并造成嚴重腐蝕,極大地增加煙囪造價和運行維護費用并影響電廠的正常運行 . 
                             
    為防止煙氣中水蒸氣結露和提高煙氣的提升高度 ,濕法除硫系統中設置了后加熱器 GGH,將煙溫提高到 80 ℃以上.但煙囪內筒的腐蝕的問題仍不能有效解決.臺塑集團在福建省漳州后石電廠投資建設 6臺 600MW級燃煤發電機組 ,由于建有脫硫裝置 ,煙囪設計咨詢單位要求在 2座鋼內筒多管式煙囪的鋼內筒內表面 ,都須掛貼 1. 6 mm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8 000余萬元.新型防腐煙囪是一項專利產品 ,已在天津、青島等地建設多座 ,從運行的結果看新型防腐煙囪具有以下特點:
①除濕、除塵效果好 ,內筒干燥、不腐蝕;
②結構穩定 ,環保效果和節能效果明顯;
③造價便宜 ,使用持久、維護方便.
根據新型防腐煙囪的運行實踐和流體力學的工程應用 ,本文對該煙囪的典型構造 ,作出技術探討 ,分析其流場流動結構 ,討論其中的技術基礎 ,總結相關的技術特點和機制.為討論和引述方便 ,擬新型防腐煙囪代號為FFYC.
1 FFYC的基本形式
     FFYC的基本構造如圖 1所示 (由于涉及知識產權 ,煙囪內部細節圖略 ) ,除硫后的煙氣切向進入煙囪 ,可單側進氣 ,也可兩側進氣 (圖 1為單側進氣 ,雙側進氣的效果更好 ) ,煙囪內筒壁設置類似于來復線形式的導流線.
2 FFYC的氣流流動特點分析
    根據氣流流動的理論分析 ,煙氣進入煙囪內將產生旋轉 ,雖然結構較簡單 ,但其流動形式比較復雜 ,對其流動作以下分析.
    
 2. 1 內外旋渦型
    煙氣切向進入煙囪后 ,會形成類似與擴散型旋風分離器的流場結構特點 ,其氣流流動狀態是周向、徑向與軸向劇烈變化的三維旋流場.總的來說 ,存在2種不同性質的旋渦: ①外旋氣流 -自由旋. 煙氣切向進入煙囪后 ,產生旋轉形成外旋氣流并向下旋轉 ,含塵煙氣在旋轉過程中產生離心力 ,將較重的塵粒甩向煙囪內筒壁 ,塵粒一旦與煙囪內筒壁接觸 ,便會失去慣性力在重力作用下沿壁面下沉 ,完成其除塵功能 ,從目前的運行實踐來看 ,這點已得到驗證;②內旋氣流 -強迫旋.旋轉下降的外旋氣流在向下旋轉的過程中,根據旋渦特性 -旋渦不會自動消失性質和“旋轉矩”不變原理,當旋渦到達中下部位置時,將會由下反轉而上,繼續螺旋流動,即內旋氣流,最后內旋氣流經煙囪口排出.流動情況如圖 2所示.
                            
2. 2 流場速度、壓力分布
    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 ,內旋氣流的切向速度隨著半徑的減小而減小 ,內外旋渦的交界面上 ,切向速度達到最大. 外旋速度場按準自由渦區規律變化[3] ,即ur n=常數   u為切向速度, r為半徑, n為速度分布指數, n = 0. 5 ~0. 9;
內旋區為核中心區,其速度按強制渦區規律變化,即  ur =常數   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 ,且在徑向具有復雜的分布 ,尚無有效計算辦法 ,一般由實驗測定.外側下行流與內側上行流的分界面應是零軸向速度分界面.
    ③徑向速度. 徑向速度遠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.實際流動中 ,徑向速度分布十分復雜 ,要通過測量才能確定.
    2) 流場壓力分布.
    其基本壓力分布如圖 3所示 ,根據理論和實測結果分析 ,有以下特點.
    ①軸向壓力.外旋區 ,沿軸上下壓差很小 ,在內旋區 ,軸向壓力變化較大.
    ②切向壓力. 沿切向壓力變化很小 ,僅由于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 ,尤其中心部分 ,其壓力梯度大. 但動壓變化不大 ,主要受靜壓支配內外旋流的整個流場 ,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.指向軸心的壓力梯度和強烈的吸卷作用 ,煙氣中未被分離的水滴、水蒸氣和少量塵埃等液、固相稍重組分 ,均被吸卷在中軸低壓區 ,隨上升熱煙氣排入大氣 ,完成其除濕功能. 現場觀察 ,可以看到“白煙”大量排出 ,即是煙氣中的水蒸氣排入大氣的表觀現象.
   2. 3 實際流動特點
   以上分析 ,是基于煙氣進入煙囪后按照理想的內外旋渦流動 ,而實際的流動可能會有些不同.煙氣切向進入煙囪 ,一是會向下流動 ,由于煙氣是粘性的 ,在外旋氣流的帶動下 ,煙囪底部的氣流會跟著旋轉;二是因為煙氣有一定的溫度 ,因此會邊上升邊旋轉.整個流場流動會比較復雜. 所以,有可能不會形成明顯的內外旋渦流動.但基本的壓力分布曲線 ,應該和圖 3的壓力分布類似. 作者目前正進行此方面的理論和實驗研究 ,摸清流場的流動特點將對FFYC的設計提供理論依據.
   3 煙氣旋渦中的粒子分離
   外旋渦內的塵粒在徑向受到離心力 Fli 和向心氣流對塵粒作用力 F,分別為dp 為粒子半徑; μ為煙氣的粘度;ρp 為粒子密度;un , ut 為半徑 R處的徑向和切向速度.
               
   當離心力 Fli大于氣流對塵粒作用力 F時,塵粒會被甩掉.實際煙囪運行時,我們希望液滴、霧等酸性組分不要被甩向內筒壁面,否則就會形成腐蝕.固體粒子因為密度、粒徑比水滴、水蒸氣大很多,因此會首先被捕集,所以進口煙氣速度、旋轉半徑是離心力大小的控制因素,因而是影響捕集的重要參數,具體設計時還與煙氣流量 Q及其它結構參數有關.只有所有參數合理匹配 ,才會收到預期效果 ,完成除濕、除塵功能.如果選擇不當 ,就有可能固體粒子和水滴同時都具備相當的捕集可能 ,水滴聚集于洞壁 ,造成腐蝕.
   4 壓力損失和減阻措施
   根據目前的分析和研究來看 ,作者認為 , FFYC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外旋渦氣流速度梯度變化造成的內摩擦損失 )、本體內動能損失、局部阻力損失、出口損失 5部分.根據實際運行來看 , FFYC總的能量損失比傳統的煙囪要少 10%左右 ,顯然有更好的減阻效果.從旋渦流動的特點分析 ,氣流進入煙囪后流動路徑變長 ,摩擦損失比原來的要大.但是摩擦損失占總壓力損失的比例較低,影響不大. 而入口損失、局部阻力損失和動能損失因為旋渦流動的特點均減少 ,所以總的能量損失比原來少.為了進一步減小阻力 ,減少能量損失 ,節約能源和減少運行成本 ,可以采取相應的減阻措施.如入口損失中 ,一部分流體在切向進氣后旋轉一周會斜向吹到剛從入口進來的氣體上 ,導致入口進氣偏向筒壁而產生壓縮現象 ,壓縮現象使壁面處流速增大 ,壁面摩擦力增大 ,導致壓力損失增大.為了抑制壓縮現象 ,可以加導向板,導向板的現狀、大小 ,尤其是高度對效率和阻力有較大影響.另外對于壁面摩擦損失 ,選擇適當的來復導流線也很重要 ,來復線的截面形狀、尺寸、螺距等對壁面摩擦損失都有很大影響.
    5 結論
   1) 在旋渦流動作用下 ,較大塵粒由于直徑大 ,密度高,  受到離心力大,  被甩向煙囪內筒壁 ,塵粒一旦與煙囪內筒壁接觸 ,便會失去慣性力在重力作用下沿壁面下沉, 完成其除塵功能 .
   2) 由于旋渦中心的負壓吸引 ,中心區的流體不能向外擴散 ,形成類似于旋風分離器的旋風抽吸流場 .未被除盡的輕質塵粒、煙氣中的水滴、霧等吸卷至中軸區域 ,將隨煙氣排到高空中 ,不會腐蝕洞壁 ,完成除濕功能.
   3) 濕法脫硫后的煙氣溫度較低 ,為防止煙氣中水蒸氣結露和提高煙氣的提升高度 , FGD中設置后加熱器 GGH,將煙溫提高到 80℃.實測和設備運行發現 ,80℃尚不足以防止結露 ,大多數情況露點會更高 ,特別在冬季環境溫度低時 ,結露屢有發生 ,GGH的初衷并不能保證. 采用旋渦控制的排煙技術 ,已從根本上防止結露在洞壁內發生,故GGH可以取消 ,從而節省大筆投資.此外 ,旋渦流動將在更高的高度耗散 ,排出煙囪以后 ,還會繼續發生作用 ,
   G煙氣的上升高度也有提高.
   采用切向進氣 ,利用煙氣自身形成的旋渦完成除濕、除塵、隔離有害氣體、保護煙囪內筒壁面等功能 ,是新型高效煙囪脫硫高空防腐、電廠煙囪高空防腐、母子煙囪高空防腐施工、煙囪脫硫防腐具有很高的經濟和社會效益的技術基礎.這種旋渦控制的排煙技術 ,也是流體力學應用研究 ,特別是流體旋渦控制技術在工程界應用十分成功的典型.

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