固定污染源煙氣在煙道中流速分布的研究

陳 斌，全繼紅，羅四國，劉真貞，王國貴，陶 駿，王 強，楊 凱，田一平

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

2.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430072

煙氣在煙道中流速分布十分復(fù)雜，由于受生產(chǎn)工況、煙道粗糙度、進口結(jié)構(gòu)形式、煙道的變徑、煙道內(nèi)支撐柱和煙道的走向等因素的影響，煙道斷面的氣體流速通常是不均勻的。氣流分布不均導(dǎo)致煙氣凈化效率下降，煙道內(nèi)氣流紊亂容易將沉降的粉塵帶走。同時過高的風速將在煙道產(chǎn)生渦流和負壓區(qū)。這些都增大了排放總量計算的誤差。研究表明，煙氣氣流分布不均勻時計算排放量的結(jié)果與氣流分布均勻時計算排放量結(jié)果相比，其結(jié)果相對誤差約71%［1］。

國內(nèi)外主要在除塵、脫硫、脫硝凈化方法上進行流速分布的研究［2-8］，研究方法為數(shù)字模型和模擬試驗，通過數(shù)字模擬和模擬試驗繪制出等線圖和三維圖，進而分析篩選出凈化裝置最佳流速，但煙道中的煙氣分布實際與煙道走向、煙道變徑、煙道內(nèi)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，僅采用數(shù)字模型還不能真實反映煙道內(nèi)的流速分布。

常規(guī)等環(huán)面積法采用單點和多點移動測量僅能取平均值，不能反映煙道內(nèi)各點流速分布特征。因為煙道內(nèi)的流場是動態(tài)的，其區(qū)域分布和走向受煙道內(nèi)部結(jié)構(gòu)、凈化方法等方面的影響，所以在時間上和不同斷面上煙氣流速是不一樣的。從煙氣流速分布的測試方法著手，采用2種自主研發(fā)的組合式流場的流速采樣槍和國標方法［5］采樣槍，對某燃煤電廠矩形煙道內(nèi)流速進行了同時同步不同斷面多點現(xiàn)場實驗。用Surfer8.0軟件繪制出煙氣在煙道中的等值曲線分布圖。研究結(jié)果表明，組合式采樣槍同時同步多點流速采樣比單點移動采樣更有代表性。

1 實驗部分

1.1 設(shè)備

實驗儀器設(shè)備及材料見表1。

表1 實驗儀器設(shè)備及材料

1.88 m組合式流場的流速采樣槍屬于S型多管皮托管，由5根相同的皮托管疊加排列而成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。全長1.88 m，每根皮托管內(nèi)徑為4 mm，外徑為6 mm;相鄰2根皮托管的測點相距200 mm。

圖1 1.88 m組合式流場的流速采樣槍結(jié)構(gòu)示意圖

4 m組合式流場的流速采樣槍也屬于S型多管皮托管，由5根相同的皮托管疊加排列而成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。全長4 m，每根皮托管內(nèi)徑為6 mm，外徑為8 mm;相鄰2根皮托管的測點相距800 mm。

圖2 4 m組合式流場的流速采樣槍結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 監(jiān)測方法

采用《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物》(GB/T 16157—1996)中S型皮托管法、溫度熱電偶法對煙道中煙氣的流速、煙溫進行測量。

1.3 采樣頻率

每個采樣點采集6組數(shù)據(jù)，采樣時間為5 min，取6組數(shù)據(jù)的平均值。

1.4 采樣位置

在某燃煤電廠1#機組煙氣脫硫一爐一塔凈煙氣煙道上進行。煙道寬3.84 m、高5.5 m，煙道截面積為21.12 m2。在煙道縱斷面方向上開有6個孔，各孔中心距離為0.80 m，采樣斷面示意圖見圖3。采樣位置及采樣點布置詳見表2。

圖3 采樣斷面示意圖

表2 采樣位置及采樣點布置

2 工況

實驗期間企業(yè)生產(chǎn)工況見表3。

表3 實驗期間生產(chǎn)工況

3 結(jié)果與分析

3.1 組合式采樣槍測量

3.1.1 同一斷面各測點的流速

圖4為1.88、4 m組合式采樣槍各測點的流速。

圖4 1.88、4 m組合式采樣槍各測點的流速

由圖4可見，在同一斷面上，煙道由內(nèi)向外，流速逐漸增大。1.88 m組合式流場的流速采樣槍的5個測點平均流速呈緩慢上升趨勢，1#流速低，為 3.5 m/s;5#流速為 11.67 m/s。4 m 組合式流場的流速采樣槍測量的流速范圍為2～16 m/s，測點1#到測點3#的流速呈快速上升，測點3#到測點5#的流速呈緩慢上升。

4 m組合式采樣槍和1.88 m組合式采樣槍的流速變化的差別大，其原因是2種組合式流場的流速采樣槍相鄰2個測點之間的水平距離不同，1.88 m組合式采樣槍相鄰2測點之間的水平距離為200 mm，4 m組合式采樣槍相鄰2個測點之間的水平距離為800 mm。說明組合式采樣槍的測點距離不宜過大，各測點的水平距離在200～400 mm范圍內(nèi)為宜。另外由內(nèi)向外各點的水平距離不一樣。

3.1.2 同一斷面各測點的流速相關(guān)性

圖5為同一斷面采樣點的采樣深度與煙氣流速的關(guān)系。

圖5 同一斷面采樣點的采樣深度與煙氣流速的關(guān)系

由圖5可見，1.88、4 m組合式流場的流速采樣槍相比較，前者在同一斷面不同點位的流速之間呈現(xiàn)出一定的對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.960 6。后者的相關(guān)系數(shù)為0.769 5，比前者要差，其原因是4 m組合式流場的流速采樣槍皮托管靠近疊加的方柱狀，其皮托管彎曲的高度低于1.88 m組合式流場的流速采樣槍皮托管的彎曲高度，煙氣經(jīng)過柱狀部位時容易形成湍流和渦流。

3.1.3 同一斷面在各測點的煙溫分布

圖6為4 m組合采樣槍同時測量煙溫、流速的結(jié)果。

圖6 4 m組合采樣槍同時測量煙溫、流速

由圖6可見，采用組合式采樣槍測量方法對煙氣流速、溫度進行測量，隨著采樣深度的增加，各采樣點的流速和煙溫均呈逐步增加趨勢。

3.2 不同采樣位置單點移動測量

圖7顯示了單點移動測量煙氣流速的比較。

圖7 單點移動測量煙氣流速比較

由圖7可見，在孔3處，各采樣點流速分別為14.11、13.91、13.55 m/s;在孔 4 處，各采樣點流速分別為 14.53、14.33、13.43 m/s;在孔 5 處，各采樣點流速分別為 4.82、3.86、4.57 m/s;在孔 6處，各 采 樣 點 流 速 分 別 為 15.69、17.34、17.85 m/s?？?的流速最小，孔6的流速最大。在同一采樣位置上各點的流速不同，在不同采樣位置上流速也不同，說明煙道內(nèi)煙氣的流速分布不均勻，其原因可能與煙道內(nèi)支撐柱和煙氣的走向有關(guān)。

3.3 單點固定采樣槍階梯測量

3.3.1 各采樣位置的流速

標準方法采樣槍呈階梯狀采樣時，隨著采樣深度的等距增加，煙道中煙氣流速呈遞增趨勢，孔1 流速為 4.47 m/s，孔 6 流速為 17.4 m/s。

3.3.2 各采樣位置的流速相關(guān)性

圖8顯示了單點固定采樣各采樣位置采樣深度與流速的關(guān)系。

圖8 采樣深度與流速之間的關(guān)系

由圖8可見，采用標準方法，采樣槍呈階梯狀測量時，采樣深度越深，煙氣流速越高，且采樣點的采樣深度同煙氣流速呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.983 5。說明不同位置、不同點位的采樣同時同步測量相關(guān)性好，測量結(jié)果代表性強。

3.3.3 各采樣位置的煙溫

當采樣槍置入采樣深度0.9 m，不同采樣位置的煙溫:孔1、孔6煙溫都很高，分別為121.8、123 ℃;孔 3、孔 4、孔 5 的煙溫分別為 83.7、91.5、81.7℃。不同采樣位置測量的煙溫呈現(xiàn)兩端高中間低的趨勢。

3.4 3種測量方式的比較

與CEMS相比，同一采樣位置孔4中組合式、單點移動、單點固定3種測量方式測量的流速相對誤差見圖9。

圖9 組合式、單點移動、單點固定3種測量方式的流速相對誤差

從圖9可以看出，3種測量方式的流速均小于CEMS值;4 m組合式采樣槍的CEMS相對誤差最小，為－22.72%;單點移動測量流速均值的CEMS相對誤差為 －33.45%;單點固定測量的CEMS相對誤差最大，為－35.27%。這表明組合式采樣槍因能在煙道同一斷面上進行同時、同步、多點測量，其測量的各測點流速均值更能反映同一斷面上的流速特征。

3.5 煙溫分布

采用surfer8.0軟件繪制煙道采樣斷面的煙溫等值曲線圖，見圖10。圖10結(jié)果表明，縱斷面0～3.5 m、橫斷面 0～1 m處煙氣溫度范圍為70 ～90℃，屬于低溫度區(qū);縱斷面 4.5 ～5.5 m、橫斷面0～3.5 m處屬于高溫度區(qū)。煙氣溫度在煙道中的分布由煙道內(nèi)側(cè)中部分別向上部、下部逐步增高，煙氣溫度在煙道的上部最高為125℃。

圖10 煙道內(nèi)煙溫等值曲線圖

3.6 煙氣流速分布

根據(jù)流速實驗結(jié)果，采用surfer8.0軟件繪制煙道采樣斷面的煙氣流速等值曲線圖，見圖11。

圖11 煙道內(nèi)煙氣流速等值曲線圖

由圖11中橫斷面可見，煙氣流速從采樣孔內(nèi)側(cè)向外側(cè)流速逐步增大。采樣深度在0～1 m的區(qū)域，靠近煙道壁，流速較低，流速范圍 3～5 m/s，屬于低流速區(qū);采樣深度在 1.5 ～2.5 m 的區(qū)域，流速分布不均勻，流速變化范圍為11～17 m/s，屬于中流速區(qū);采樣深度在 2.5 ～3.84 m 的區(qū)域，流速很高，范圍為 15～17 m/s，屬于高流速區(qū)。

由圖14中縱斷面可見，采樣高度在0～3 m的區(qū)域，流速范圍3～18 m/s;采樣高度在3～4.5 m的區(qū)域，流速分布不均勻，存在渦流點，渦流處流速約為7 m/s;采樣高度在 4.5～5.5 m的區(qū)域，流速范圍15～17 m/s，屬于高流速區(qū)。

4 結(jié)語

通過采用組合式流場的流速采樣槍同時同步多點測量，同一斷面移動測量和不同采樣位置固定測量實驗結(jié)果顯示，煙氣流速在煙道中的分布不均勻，煙氣流速呈現(xiàn)4種狀態(tài):回流區(qū)域、低流速區(qū)域、中流速區(qū)域、高流速區(qū)域，流場的流速由低流速向高流速變化趨勢。煙道中的煙氣溫度由中部向上下及外側(cè)逐步增高，煙道頂部溫度要高于煙道底部，煙道外側(cè)溫度要高于內(nèi)側(cè)溫度。

組合式流場的流速采樣槍在同一斷面采樣位置上能同時測量出各點的流速特征，而且具有一定相關(guān)性，1.88 m長的槍相關(guān)性系數(shù)為0.960 6，4 m長的槍為0.769 5，其測量數(shù)據(jù)具有準確性和可靠性。

［1］王萬林，齊曉娟.火電廠煙氣排放流量測量方法研究［J］.浙江電力，2009(6):17-19.

［2］王偉.SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道流場模擬研究［D］.濟南:山東大學，2010:1-53.

［3］徐文勝，馬志剛.濕法脫硫塔入口煙道流場的優(yōu)化分析［J］.能源與環(huán)境，2011(6):48-51.

［4］齊曉娟，王萬林.火電廠脫硫后煙道內(nèi)氣流分布改進的 CFD模擬［J］.華東電力，2013，41(1):221-223.

［5］GB/T 16157—1996 固定污染源排氣中顆粒物測量與氣態(tài)污染物采樣方法.

［6］伍震威，單平.火電廠石灰石-石膏脫硫設(shè)施環(huán)保驗收監(jiān)測若干問題的探討［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(5):146-149.

［7］王錚.擴散電化學法現(xiàn)場測定高濕度煙氣中低濃度二氧化硫能力的研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(5):135-137.

［8］劉啟貞.固定污染源煙氣流速手工監(jiān)測方法改進研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2010，26(1):23-25.