新型环保节能烟囱的技术特征和运行原理

1、2007年8月电力环境保护第23卷第4期新型环保节能烟囱的技术特征和运行原理Prine pie and technical characteristics of new environmentai protectionand energysaving chm neyr , 11 2 2常熹钰,周勇为，王道藩，盛惕闻（1.国防科学技术大学 航天与材料工程学院，湖南长沙 4100732华湘新型烟囱设计与推广中心，湖南长沙 410073）摘要：提岀了一种新型烟囱技术，即利用旋涡流动的空气动力学特点，妥善地解决了湿法脱硫 后烟囱内壁的腐蚀问 题。同时，新型烟囱还具有更好的节能、环保效果。系统地 论述了

2、新型烟囱技术的 基本内涵、主要技术优势、设计 要点与运行原理，从空气动力学原理和工程实践两方面说明新型烟囱技术的 合理性与实践可行性。关键词：烟囱；旋涡流动；环境保护；节能技 术Abstract A new chrin ney techno logy is p roposed name ly using the wh irpoo l flow ing aerodynam ics charac eris tics wh ich proper y so lved the chm ney interna lwa ll corrosion questi on after wet flue gas de

3、sulphur ization1 A t the sam e time the new chm ney also has a better energy - sav ing and env ironmental protection effectl The basic conno tatior，the m a n techn ical super o rity the ma in design po intand the ope ration princip le of the new ch m ney techno bgy a re system atica lly e laboratsd1

4、 Its techn ical ra tionality and app lication leasib ility are ana lyzed from wo aspec ts of aerodynam ic princip e and the eng ineer ng app lication1Key words: stack; vortsx flow env ironmen ta l p rotsc tiorn ene rgy- saving techno logy中图分类号：X701 3文献标识码：B文章编号：1009- 4032( 2007) 04- 044- 03442007年8月

5、电力环境保护第23卷第4期#2007年8月电力环境保护第23卷第4期年还在烟囱底部集尘数千公斤，节约能耗约7. 5%，烟道烟气切向进入，其技术特点和运行，本文将作进一步讨原理在文献7中有初步分析低温、水滴及烟气中的 SQ，均会引起烟道和烟 囱洞壁酸腐蚀，尽管在技术上采取了一些措施，仍不能从根本上解决问题1-3。目前烟囱防腐主要采取 两种方法：一是设GGH，提高湿烟气温度14；二是 不设GGH，在烟囱内壁敷设防腐内衬5-6。GGH的设备投资大，运行、检修、维护等费用 高，占地面积大，经济性和可维护性均不理想。更主 要的是不能从根本上解决烟囱内壁的腐蚀问题，在电机低负荷运行、机组开启和关停等工况条

6、件下，烟 囱内壁仍会腐蚀。第二种方法虽可节省约几百万元 的投资，但经费总额仍居高不下，铺设1. 6mm的钛5 板内衬，240m高烟囱投资为8000万元 。总之， 这两种方法在设计理念上是被动的。在湿法脱硫技 术将广泛应用的背景下，开发新型烟囱设计是值得 关注的课题，有较大的经济和社会效益。新型烟囱（代号为 GX- 01）早在1985年就已 推出，当年获国家发明专利，1991年获国家科委发 明奖证书。由于我国当时采取的是增加烟囱高度排 放含硫烟气的技术策略，烟温较高，烟囱内壁腐蚀问 题不突出，新型烟囱在大容量电厂及高烟囱中未得到应用，而在上海、武汉、青岛、天津等中小型容量设 备中得到应用，先后建

7、造了几十座高度100 150m的烟囱。运行情况表明，GX- 01结构稳定、环保和 节能效果明显、造价便宜、使用持久和维护方便。特 别是在湿法脱硫中，取得满意的效果。天津开发区 一座150m的烟囱，采用新型烟囱技术设计，来流为 水幕除尘后的湿烟气，烟温50e，筒壁为普通红砖。 运行十余年，烟囱内衬干燥，无破损和腐蚀痕迹，每 环保和节能效果十分显著。GX- 01采用多坡比外形、 烟囱及内衬螺旋来复线等设计 论，总结其技术内涵、运行原理、综合优势和设计要 点，说明此技术在工程实践中经济可行。1湿烟气组分分析3湿法脱硫后，湿烟气密度（1 26 kg /m）增加，温 度降低（50e ），仍含少量的固体粒

8、子、 SQ、NOx以 及水蒸汽和雾状水等。主要特性参数见表1。452007年8月电力环境保护第23卷第4期#2007年常熹钰等：新型环保节能烟囱的技术特征和运行原理第4期(1)数关系。经简化和近似G =(2) 19 SM-2012 China Aca demic J &uma 1 Elec iron k 卩 ubli ihing House All rigjh世 reserve d. blip.恤 w w.ctd45表1湿烟气物理特征项目固体粒子气态水组分SO?、EQ、Fe2O3、02、N2、sq、水滴、雾c ao C asq、M gONOx、水蒸汽粒径/L m15 45-20 1 0【9真密

9、度/kg#m-32100 4 0001 26 1. 31000质量浓度/m #m- 398890708, 10固体粒子王要组分是SO2和A 2O3,约占灰分的87%, MgO的含量很少。净化处理后的烟气基本处于饱和状态，水蒸汽含量与烟温呈指数关系。烟温80 e和50 e时,水33蒸汽质量浓度分别为0 275 kg /m和0 09kg /m ,而50e烟气所携水分仅为80e时的1 /&此外，按一3般经验，烟气中还有约 70mg/m的夹带水。2烟气旋涡中的粒子分离GX- 01的典型结构见图 1。烟气以一定的速度切向进入烟道形成旋涡，其中的粒子、水滴、雾粒等受到离心力和径向流体力阻力的作用。其力的平

10、衡方程为：2Pd put3PdpLun = Q(W)CR)式(1)为旋涡中的粒子是否被/捕集0的临界参,捕集效率的表达式为2FN e Q d pQ29LHW式中dp为粒子半径，m; L为烟气粘度，kg/m# s山、 ut分别为半径 R处的径向和切向速度，m/sNe为粒3子的旋转圈数；Q、Q为粒子和烟气的密度，kg/m ;3Q为湿烟气体积流量，m /s; H为烟气进口高度，m; W为烟气进口宽度，m。由式(2)可知，在工况参数和 结构参数相同的2条件下，捕集效率取决于 K = Q#dP,对于湿烟气，固 体粒子的K值约是水滴、水蒸汽K值的6 25和100 倍。这说明固体粒子容易高效捕集，水蒸汽难以

11、捕 集。图2可以反应这一特征。p图2粒度与捕集效率关系进口烟气速度是离心力大小的控制因素，是捕集效率的重要参数,体现在式(2)的烟气流量 Q及 其结构参数的合理选择之中。选择不当，就有可能对固体粒子和水滴产生一定的捕集效率，最终导致洞壁的结垢和腐蚀。3烟气旋涡中的压力分布以自由涡为特征的外部流场 ，压力随r的变化 见(3)式。因切向速度随半径的减小而增加，故压强随半径 减小而减小。在内外旋涡的界面(r = r。)上,P (Ro)达最小值。式中 Pa可视为大 气压 强,密度Q为常数。1 2P(r) = Pa - QUt( 3)对内部强迫旋涡流动：12 2P (r) = P (R0) + Q(Mf

12、l - MU )( 4)其中P (R0 )和Mnax为内旋涡外边界的压力与速 度,在确定的流动中为定值；M为切向速度。在内旋涡边界，r = R, M = Max, P = P (R0); 在内旋中心，r= 0M= QP =2007年8月电力环境保护第23卷第4期分析表明，旋转气流轴心有强烈的卷吸作用。P(r)分布见图3。由(3)、(4)式可见,旋涡中心压2 2力比边界 Ro处小(Q/max) /2,比周边外围少 QVmax o指向轴心的压力梯度和强烈的卷吸作用是GX-01的又一技术特征。在卷吸作用下，烟气中未被分离的水滴、水蒸汽、少量尘埃等液、固相组分，均被 卷吸在中轴低压区，随热烟气排入大气

13、。在 GX- 01 的现场可看到/白烟0大量排出，即烟气中的水蒸汽 排入大气，液相组分未在烟囱内壁滞留，故烟气是干 燥、无腐蚀性的。4咼效烟囱原理(1) 由于湿法脱 硫后烟 气中的固体粒 子粒度大，密度高，K值大，在旋涡离心力的作用下被首先 分离、沉积。烟气中夹带的液滴，其K值接近固相粒子的1 /6,旋涡作用不足以使其分离 ，与其他的轻 质细微粒子、冷凝雾等随烟流升入上烟道。(2) 烟气旋转在烟囱中轴 形成负压区，其卷吸 作用使上烟道的水雾，轻微尘埃等均集中于中轴地 带，随烟气上升排入大气。(3) 上述排烟机制的主要控制因素是烟气的切 向进气速度，速度过大，烟气中的夹带水甩向下烟道 筒壁，造成

14、腐蚀；速度过小，则固体粒子剔除不尽，旋 涡中心的负压强度不够。(4) 采用了旋涡控制的排烟技术 ，GX- 01可防 止筒壁结露，故GGH可以取消。此外，旋涡流动将 在更高的高度耗散，在排出烟道以后，还会继续发生 作用，烟气的上升高度也有提高。5结语(1) 旋涡控制下的排烟机制是高效烟囱的技术基础，其内涵在于：旋涡形成的离心力场除掉烟气中 的固体粒子；旋涡中心负压的卷吸作用，使烟气中的 液相组分集中在烟道中轴地带。因此，高效烟囱具有烟气干净、烟道干燥、不腐蚀、节能的综合效果，有 很高的经济效益和社会效益。(2) 新型烟囱技术已圆满解决烟道腐蚀和烟气 提升高度问题，湿法脱硫系统 中GGH的作用不明

15、 显,可以取消。(3) GX- 01在中小烟囱中的成功运用，为大容量、高烟囱的建设奠定了基础，积累了经验。(4) GX- 01是一项新的烟囱技术，设计思想先 进,理论依据充分，在工程实践中也得到充分验证。 在当前能源建设、环境保护都十分迫切的形势下，应 予以充分重视，创造条件，在相关行业中推广，使其 更快、更好地发挥效益。参考文献：1 曾庭华1湿法脱硫系统对锅炉尾部烟道和烟囱影响的研究J.电力建设,2000, 23( 4): 19- 232 杨佳珊，黄涛1湿法脱硫装置对钢烟囱腐蚀的影响J.东北电 力技术，2004 (2): 28- 3013 赵旭东，吴少华，马春元，等1湿法除硫除尘一体化装 置应用中 的问题及解决措施 J1热能电力工程，2002 17(2): 186- 188.4 龙辉，吕安龙.B&W公司烟气脱硫工艺的选择及湿法脱硫设计J.吉林电力,2000 (4): 22- 255 解宝安.不设GGH的湿法脱硫烟 囱内筒防腐设计观 点J.电 力土建信息,2004 (12): 19- 22.6 周至祥.湿法FGD湿烟囱工艺问题及对策J.电力环境保护，2003 19( 1): 19- 2117 常熹钰,周勇为.高效烟囱技术特征及运行分析报告R.国防科学技术大学航天与材料工程学院，2005.8 曾庭华.连州电厂湿法脱硫烟气系统的设