新型烟囱节能、环保、防腐技术特征分析
摘要：对新型烟囱技术特征和流场结构的分析认为：由于切向进气，烟气形成旋涡，流动阻力低于普通烟囱，压力损失减少，所以更节能；流场中心形成负压，水、雾等比尘粒小，但比空气大(重)的轻质组分集中在中轴地带随烟气排出，不会腐蚀内壁；因为旋涡流动的存在，提升了烟气排放高度，有更好的环保效果。
关键词：烟囱；节能；环保；防腐；气流；旋涡
引言
近年来，随着国家环保标准的逐步提高和大众环境意识的增强，国内新建火力发电厂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)技术得到了广泛应用。经湿法脱硫处理后的烟气水分含量高，湿度大，温度低，烟气处于全结露状态。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每小时数十吨(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。为防止烟气中水蒸汽结露和提高烟气的提升高度，湿法脱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，烟囱设计咨询单位日本三菱公司要求，在2座多管式烟囱的钢内筒内表面均须挂贴1.6mm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8000余万元。新型烟囱是一项拥有自主知识产权的专利产品，自发明专利并推广使用以来，已在天津、青岛等地建设多座，从运行结果看，新型烟囱有以下特点：
(1)降低引风机动力消耗10%，可节省能耗；
(2)保持烟囱内筒干燥，不腐蚀，对烟囱内筒材料无特殊要求，从而使烟囱造价大为降低，并且使用持久，维护方便；
(3)环保效果好，烟羽刚度大，当天气出现逆温时，不会将烟羽压至地面，不会造成污染。新型烟囱为什么具有节能、环保和不腐蚀内衬的优点?本文将根据新型烟囱的运行实践和流体力学，针对新型烟囱的典型构造，作出技术探讨，给出分析结果。
1 新型烟囱的基本形式
脱硫后的烟气切向进入烟囱，可以单侧进气，也可以双侧进气，烟囱内筒壁设置类似于来复线形式的导流线。
2 新型烟囱的气流流动特点分析
2.1 流动特征
烟气切向进入烟囱后，会形成类似于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，存在两种不同性质的旋涡：
(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，根据旋涡的特性(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 流场速度和压力分布
2.2.1 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，在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：
urn=常数其中u为切向速度；r为半径；n为速度分布指数，介于0.5~0.9之间。内旋速度按强制涡区规律变化：u/r=常数其中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，尚无有效的计算方法，一般由试验测定。外测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。
2.2.2 流场压力分布
根据理论和实测结果分析，流场压力分布有以下特点：
(1)轴向压力。在外旋区，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，仅因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，尤其是中心部分，其压力梯度较大。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[5]。指向轴心的压力梯度和强烈的吸卷作用，使得烟气中未被分离的水滴、水蒸汽和少量尘埃等液、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。
3 压力损失和减阻措施
从目前研究来看，新型烟囱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、出口损失等。从实际运行来看，新型烟囱总的能量损失比传统的要少10%左右，减阻效果好。从旋涡流动的特点分析，气流进入烟囱后流动路径变长，摩擦损失比原来的大。但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旋涡流动的特点均减少，所以总的能量损失比原来少。为进一步减小阻力和能量损失，节约能源及运行成本，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，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，可加导向板[6]。导向板的形状、大小，尤其是高度对效率和阻力有较大的影响。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。
4 结语
(1)由于改变了烟气进入方式和不设后加热器，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有所减少，所以总的压力损失减小，总的能量损失也大为减小，显著降低了引风机的电机负荷，预计可节能30%。同时由于不设后加热器，每年可节省运行用电约300万kW•h。
(2)在旋涡流动作用下，大尘粒由于直径大，密度高，受到的离心力大，被甩向烟囱内筒壁后失去惯性力，在重力作用下沿壁面下沉，完成其除尘功能。
(3)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、雾等被吸卷至中轴区域，将随烟气排出，不会腐蚀筒壁，具有除湿功能。
(4)湿法脱硫后的烟气温度较低，为防止烟气中水蒸汽结露和提高烟气的抬升高度，FGD中设置GGH，将烟温提高到80℃。实测和设备运行实践发现，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，此时GGH的初衷并不能保证。采用旋涡控制的排烟技术，可从根本上防止结露在筒壁发生，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，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，特别是旋涡控制技术在工程界应用十分成功的典型[7]。新型烟囱节省了GGH和钛钣内衬的大额投资，按目前的市场价格，一套GG为2500万元，钛钣和复合钣也很昂贵，一座240m高的烟囱，复合钣内套造价为700万元，而且在运行一定时期后需要更换。此外，烟囱本体的造价也因为选用普通材料和结构简化而显著降低。据估算，一座600MW机组，高240m的烟囱造价可以节省大约1000万元。目前我国待改造和拟建的大型烟囱数量很大，煤炭是我国主要的能源资源，湿法除硫技术今后还将是主流技术，新型烟囱技术有着巨大的市场前景和经济效益。
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