火电厂烟囱内烟气温降及饱和烟气的凝结水量计算
准确计算火力发电厂烟气在烟囱内的温降很有必要,其不仅对锅炉引风机和脱硫增压风机的压头确定有影响,而且关系到脱硫后饱和烟气凝结水量的计算。
1 烟囱内烟气温降的近似计算方法
对烟囱内烟气温降进行详细理论计算需要烟囱的结构型式、烟囱各层材料的热传导系数、烟气温度和环境气温以及风速等计算所需要的数据,比较复杂,往往由于缺乏数据难于进行。同时,由于计算式中系数取值的精确性及经验公式本身的误差使计算结果与实际情况相差较大。因此,往往采用近似的计算方法。
前苏联出版的《锅炉设备空气动力计算》(标准方法)一书中对于大型砖烟囱(平均砌体厚度大于0. 5m)烟气温降约的计算为:
Δt=0.2/ D ℃/m (1)
式中D为接入该烟囱锅炉额定负荷的总蒸发量,t/h。清华大学主编的《锅炉原理及计算》一书中将上式变化为:
Δt=0.105/ D ℃/m (2)
原电力设计中曾规定烟囱每增加10 m烟气温度降低1℃。为了简化计算,现《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法》中,假设烟气在烟道和烟囱中的温降等于引风机出口温升的2倍。
由于火电厂的烟囱较高,烟囱内烟气温降实测数据较少。20世纪70年代末,原电力部曾组织进行了徐州电厂烟气抬升与扩散试验,对徐州电厂烟囱内的温降进行了测定。徐州电厂当时安装2台125MW机组,配2台400 t/h锅炉。烟囱高度180 m,出口内径约6 m。烟囱入口烟道距烟囱上部测点距离约150 m。引风机出口烟气温度约130℃,环境空气温度为25℃~30℃。实测结果:1台机组运行时烟囱温降为25℃左右,烟气每升高6 m约降低1℃;2台机组运行时烟囱温降约12℃~13℃,烟气每升高12 m约降低1℃。因此,在同样条件下,烟气的温降与烟气量成反比。
以此实测数据为基础,按烟囱中烟气升高12 m降低1℃计算,假设烟囱中烟气的温降与烟囱高度、烟囱直径以及烟囱内外的温差成正比,与机组容量(或锅炉蒸发量)成反比,得到烟气温降(Δt)的近似计算式:
Δt=13Δh150·250R·D6·Δt105≈0.035ΔhDΔt/R ℃(3)
式中Δh为烟气出入口高差,m;R为烟囱对应的机组总容量,MW;D为烟囱出口内径,m;Δt为烟气与环境空气的温差,℃。
若环境空气温度按25℃计算,以180 m高的烟囱(烟气出入口高差168 m)为例,上述各近似计算方法的计算结果比较见表1。
表1 烟囱内烟气温降 ℃
项目 烟囱入口烟温
130 80
机组容量/MW 250 600 1 200 250 600 1 200
锅炉蒸发量/t·h-1 2×400 2×1 000 2×2 000 2×400 2×1 000 2×2 000
烟囱出口内径/m 6 7.5 10 6 7.5 10
烟囱内 式(1) 1.19 0.75 0.53 1.19 0.75 0.53
式(2) 0.62 0.39 0.28 0.62 0.39 0.28
烟气温 式(3) 14.82 7.72 5.15 7.76 4.04 2.7
降/℃ 按原规定 16.8
按2倍引风机温升 7~10
由表1可见,按照式(1)和式(2)计算得出的烟气温降显然偏小,而其它方法给出的结果又过于简单。因此,在没有更准确的烟气温降计算方法时,本文提出的烟囱内烟气温降计算的近似式(式(3))相对来说更合理些。式(3)适用于烟气温度大于水蒸气露点温度的情况。
2 烟囱内饱和烟气的凝结水量及温降计算方法
式(3)关于烟囱内烟气温降计算仅适用于未饱和烟气,对于饱和烟气应通过烟气中水蒸气的含量计算才能确定最终的烟气温降。火电厂烟气脱硫系统在没有烟气换热器(GGH的情况下,吸收塔出口及烟囱入口的烟气为饱和烟气。由于烟囱散热,饱和烟气中的水蒸气会产生凝结,其凝结水量取决于烟囱的散热量,烟囱散热量q=c·V·Δt。其中,c为烟气的比热容,kJ/kg;V为烟气量m3/h(标准状态,下同);Δt是利用未饱和烟气计算式
式(3)计算的未饱和烟气温降,℃。同样烟气温度条件下,饱和烟气的散热量与未饱和烟气相同,所以采用式(3)的Δt计算烟囱的散热量,而饱和烟气的实际温降与未饱和烟气不同,饱和烟气的温降计算可通过凝结水量的计算进行。
饱和烟气的凝结水量根据热平衡方法进行计算。烟囱的散热量等于烟囱内饱和烟气中水蒸气凝结的放热量。由于烟气中水蒸气的凝结,水蒸气量减少,烟气的水蒸气饱和温度降低。烟囱内饱和烟气的凝结水量Q的计算如下:
Q=cVΔt/R kg/h (4
式中R为水蒸气的汽化潜热。
假设环境气温为20℃,脱硫后烟气的温度为5℃,其它条件与表1相同。取烟气比热容c=1.34 kJ/(m3·℃),水蒸气的汽化潜热R=2 261kJ/kg,则计算烟气散热量的参数和烟气的凝结水量见表2。
表2 烟囱内烟气的凝结水量①
项目 机组总容量/MW
250 600 1 200
炉蒸发量/t·h-1 2×400 2×1 000 2×2 000
气量/m3·h-1 1.0×106 2.4×106 4.2×106
囱出口内径/m 6 7.5 10
囱内未饱和烟气温降/℃ 4.23 2.21 1.47
囱的散热量/GJ·h-1 5.67 7.09 8.27
气的凝结水量/t·h-1 2.51 3.14 3.66
由表2可见,饱和烟气的凝结水量随着烟囱散热量的增加而增加,其数值一般为每小时几吨。脱硫后烟囱内饱和烟气的温降取决于烟气凝结水
量的多少。凝结水量多,饱和烟气中水蒸气的含量少水蒸气的分压小,露点温度就低,烟气温降就大。对于脱硫后的饱和烟气,使用式(3)的目的仅仅是为了确定饱和烟气的散热量,通过饱和烟气的散热量来确定其凝结水量,由凝结水量确定烟气中水蒸气的含量和水蒸气的分压力,再由水蒸气的分压可查取烟气水蒸气的露点温度,从而确定饱和烟气的烟囱出口温度。饱和烟气的温降是烟气入口温度经烟囱散热前后的温度差,该温度差比未饱和烟气温度差要小得多。
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