烟囱防腐性能及特征

     近年来,随着国家环保标准的逐步提高和大众环境保护意识的增强,国内新建火力发电厂工程都要求进行烟气脱硫处理.在我国,湿式石灰石 /石膏湿法脱硫 (FGD)技术因其脱硫效率高、脱硫效果好、工艺成熟、成本较低而得到广泛应用【1】 .通常进行湿法脱硫处理后且不设烟气加热系统 GGH的烟气,水份含量高,湿度大,温度低,烟气处于全结露现象.对一台 600MW机组来说,烟气中水气结露后形成的具腐蚀性水液理论计算量约数十 T/H (亦有说几 T/H) ,它主要依附于烟囱内侧壁并造成严重腐蚀,极大地增加烟囱造价和运行维护费用并影响电厂的正常运行[2] ; 为防止烟气中水蒸气结露和提高烟气的提升高度 ,湿法除硫系统中设置了后加热器 GGH,将烟温提高到 80 ℃以上.但烟囱内筒的腐蚀的问题仍不能有效解决.台塑集团在福建省漳州后石电厂投资建设 6台 600MW级燃煤发电机组 ,由于建有脱硫装置 ,烟囱设计咨询单位要求在 2座钢内筒多管式烟囱的钢内筒内表面 ,都须挂贴 1. 6 mm的钛钣或镍钣用于抗稀酸液腐蚀 ,由此使单座烟囱投资高达8 000余万元.新型防腐烟囱是一项专利产品 ,已在天津、青岛等地建设多座 ,从运行的结果看新型防腐烟囱具有以下特点: ①除湿、除尘效果好 ,内筒干燥、不腐蚀;②结构稳定 ,环保效果和节能效果明显; ③造价便宜 ,使用持久、维护方便.
     根据新型防腐烟囱的运行实践和流体力学的工程应用 ,本文对该烟囱的典型构造 ,作出技术探讨 ,分析其流场流动结构 ,讨论其中的技术基础 ,总结相关的技术特点和机制.为讨论和引述方便 ,拟新型防腐烟囱代号为FFYCFFYC的基本形式; FFYC的基本构造如图 1所示 (由于涉及知识产权 ,烟囱内部细节图略 ) ,除硫后的烟气切向进入烟囱 ,可单侧进气 ,也可两侧进气 (图 1为单侧进气 ,双侧进气的效果更好 ) ,烟囱内筒壁设置类似于来复线形式的导线 2　FFYC的气流流动特点分析; 根据气流流动的理论分析 ,烟气进入烟囱内将产生旋转 ,虽然结构较简单 ,但其流动形式比较复
杂 ,对其流动作以下分析 2. 1　内外旋涡型; 烟气切向进入烟囱后 ,会形成类似与扩散型旋风分离器的流场结构特点 ,其气流流动状态是周向、
径向与轴向剧烈变化的三维旋流场.总的来说 ,存在2种不同性质的旋涡: ①外旋气流 -自由旋. 烟气切向进入烟囱后 ,产生旋转形成外旋气流并向下旋转 ,含尘烟气在旋转过程中产生离心力 ,将较重的尘粒甩向烟囱内筒壁 ,尘粒一旦与烟囱内筒壁接触 ,便会失去惯性力在重力作用下沿壁面下沉 ,完成其除尘功能 ,从目前的运行实践来看 ,这点已得到验证;②内旋气流 -强迫旋.旋转下降的外旋气流在向下旋转的过程中,根据旋涡特性 -旋涡不会自动消失性质和“旋转矩”不变原理,当旋涡到达中下部位置时,将会由下反转而上,继续螺旋流动,即内旋气流,最后内旋气流经烟囱口排出. 2. 2　流场速度、压力分布 速度分布.; ①切向速度.外旋气流切向速度随烟囱半径减小而增大 ,内旋气流的切向速度随着半径的减小而减小 ,内外旋涡的交界面上 ,切向速度达到最大. 外旋速度场按准自由涡区规律变化[3;,即常数 　　u为切向速度, r为半径, n为速度分布指数, n = 0. 5 ～0. 9;
内旋区为核中心区,其速度按强制涡区规律变化,即 ur =常数 　　u为切向速度, r为半径; ②轴向速度. 轴向速度分布沿轴向的变化很大 ,且在径向具有复杂的分布 ,尚无有效计算办法 ,一般由实验测定.外侧下行流与内侧上行流的分界面应是零轴向速度分界面.; ③径向速度. 径向速度远小于切向和轴向速度 ,大部分是向心的 ,只在中心涡核处有小部分向外的径向流.实际流动中 ,径向速度分布十分复杂 ,要通过测量才能确定. 2) 流场压力分布.; ,根据理论和实测结果分析 ,有以下特点; ①轴向压力.外旋区 ,沿轴上下压差很小 ,在内旋区 ,轴向压力变化较大.; ②切向压力. 沿切向压力变化很小 ,仅由于气流不均匀稍有变化.; ③径向压力. 由于离心力作用 ,压力沿径向变化非常显著 ,尤其中心部分 ,其压力梯度大. 但动压变化不大 ,主要受静压支配内外旋流的整个流场 ,从旋涡边缘至轴心 ,压力是递减的 ,旋涡中心压力比边界处低 ,比旋涡周边外围更低.指向轴心的压力梯度和强烈的吸卷作用 ,烟气中未被分离的水滴、水蒸气和少量尘埃等液、固相稍重组分 ,均被吸卷在中轴低压区 ,随上升热烟气排入大气 ,完成其除湿功能. 现场观察 ,可以看到“白烟”大量排出 ,即是烟气中的水蒸气排入大气的表观现象.; 2. 3　实际流动特点; 以上分析 ,是基于烟气进入烟囱后按照理想的内外旋涡流动 ,而实际的流动可能会有些不同.烟气切向进入烟囱 ,一是会向下流动 ,由于烟气是粘性的 ,在外旋气流的带动下 ,烟囱底部的气流会跟着旋转;二是因为烟气有一定的温度 ,因此会边上升边旋转.整个流场流动会比较复杂. 所以,有可能不会形成明显的内外旋涡流动.但基本的压力分布曲线 ,应该和图 3的压力分布类似. 作者目前正进行此方面的理论和实验研究 ,摸清流场的流动特点将对FFYC的设计提供理论依据. 3　烟气旋涡中的粒子分离; 外旋涡内的尘粒在径向受到离心力 Fli 和向心气流对尘粒作用力 F,分别为 width=300 border=0> 
dp 为粒子半径; μ为烟气的粘度;ρp 为粒子密度;un , ut 为半径 R处的径向和切向速度.; 当离心力 Fli大于气流对尘粒作用力 F时,尘粒会被甩掉.实际烟囱运行时,我们希望液滴、雾等酸性组分不要被甩向内筒壁面,否则就会形成腐蚀.固体粒子因为密度、粒径比水滴、水蒸气大很多,因此会首先被捕集,所以进口烟气速度、旋转半径是离心力大小的控制因素,因而是影响捕集的重要参数,具体设计时还与烟气流量 Q及其它结构参数有关.只有所有参数合理匹配 ,才会收到预期效果 ,完成除湿、除尘功能.如果选择不当 ,就有可能固体粒子和水滴同时都具备相当的捕集可能 ,水滴聚集于洞壁 ,造成腐蚀.; 4　压力损失和减阻措施; 根据目前的分析和研究来看 ,作者认为 , FFYC的压力损失有入口损失、摩擦损失 (包括与壁面摩擦损失和内外旋涡气流速度梯度变化造成的内摩擦损失 )、本体内动能损失、局部阻力损失、出口损失 5部分.根据实际运行来看 , FFYC总的能量损失比传统的烟囱要少 10%左右 ,显然有更好的减阻效果.从旋涡流动的特点分析 ,气流进入烟囱后流动路径变长 ,摩擦损失比原来的要大.但是摩擦损失占总压力损失的比例较低,影响不大. 而入口损失、局部阻力损失和动能损失因为旋涡流动的特点均减少 ,所以总的能量损失比原来少.为了进一步减小阻力 ,减少能量损失 ,节约能源和减少运行成本 ,可以采取相应的减阻措施.如入口
损失中 ,一部分流体在切向进气后旋转一周会斜向吹到刚从入口进来的气体上 ,导致入口进气偏向筒壁而产生压缩现象 ,压缩现象使壁面处流速增大 ,壁面摩擦力增大 ,导致压力损失增大.为了抑制压缩现象 ,可以加导向板[4] ,导向板的现状、大小 ,尤其是高度对效率和阻力有较大影响.另外对于壁面摩擦损失 ,选择适当的来复导流线也很重要 ,来复线的截面形状、尺寸、螺距等对壁面摩擦损失都有很大影响. 5　结论; 1) 在旋涡流动作用下 ,较大尘粒由于直径大 ,密度高, 受到离心力大, 被甩向烟囱内筒壁 ,尘粒一旦与烟囱内筒壁接触 ,便会失去惯性力在重力作用下沿壁面下沉, 完成其除尘功能; 2) 由于旋涡中心的负压吸引 ,中心区的流体不能向外扩散 ,形成类似于旋风分离器的旋风抽吸流场 .未被除尽的轻质尘粒、烟气中的水滴、雾等吸卷至中轴区域 ,将随烟气排到高空中 ,不会腐蚀洞壁 ,完成除湿功能. 3) 湿法脱硫后的烟气温度较低 ,为防止烟气中水蒸气结露和提高烟气的提升高度 , FGD中设置后加热器 GGH,将烟温提高到 80℃.实测和设备运行发现 ,80℃尚不足以防止结露 ,大多数情况露点会更高 ,特别在冬季环境温度低时 ,结露屡有发生 ,GGH的初衷并不能保证. 采用旋涡控制的排烟技术 ,已从根本上防止结露在洞壁内发生,故GGH可以取消 ,从而节省大笔投资.此外 ,旋涡流动将在更高的高度耗散 ,排出烟囱以后 ,还会继续发生作用 ,G烟气的上升高度也有提高.; 采用切向进气 ,利用烟气自身形成的旋涡完成除湿、除尘、隔离有害气体、保护烟囱内筒壁面等功能 ,是新型高效防腐烟囱具有很高的经济和社会效益的技术基础.这种旋涡控制的排烟技术 ,也是流体力学应用研究 ,特别是流体旋涡控制技术在工程界应用十分成功的典型.