湿烟羽形成机理与消散技术数值分析-北极星大气网

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摘要：湿烟气由烟囱出口进入温度较低的环境空气会形成湿烟羽现象,产生视觉污染。分析了湿烟羽的形成机理和消散技术,采用数值计算研究了不同湿烟羽消散技术的特点。结果表明,烟气直接加热、烟气直接降温和烟气降温再热可以消散湿烟羽;烟气降温再热消散湿烟羽使用范围最大,烟气直接加热次之,烟气直接降温最小;环境温度低于10℃,环境相对湿度大于40%时,烟气直接加热和烟气直接降温消散湿烟羽的升温幅度和降温幅度较大,湿烟羽消散难度大;环境温度低于5℃时,只能采用烟气降温再热消散湿烟羽。

目前，国内绝大多数燃煤电厂采用湿法脱硫工艺。湿法脱硫装置处理过的烟气温度在45〜55°C之间，烟气中含有大量的水蒸气般处于饱和状态。如果脱硫装置出口的饱和湿烟气不进行处理直接由烟囱排放，进入温度较低的环境空气，饱和湿烟气在环境中扩散与空气混合过程中，烟气中的水蒸气会凝结形成小液滴，小液滴对光线产生折射、散射作用，从而使烟囱出口的烟羽呈现白色或者灰色，称为“湿烟羽”（俗称“大白烟湿烟羽会产生明显的视觉污染，为了消除湿烟羽，有必要对湿烟羽的成因进行研究，同时根据湿烟羽的成因分析湿烟羽的治理技术。

本文对湿烟羽的形成和消散机理进行了详细分析，采用数值计算研究了烟气直接加热、烟气降温再热和烟气降温技术消散湿烟羽烟气温度的变化规律，重点分析了环境温度和环境相对湿度对湿烟羽消散技术的影响，最后提出了不同湿烟羽治理技术的适用范围。

1湿烟羽形成和消散机理

湿烟气成分复杂，物性多变。为了分析湿烟羽的形成和消散机理，将湿烟气视为湿空气，用湿空气与环境空气的混合过程来诠释湿烟羽的形成与消散。湿烟羽的形成和消散机理示意图如图1所示。

假定湿烟气在烟囱出口的状态点为A，环境空气的状态点为E,湿烟气和环境空气的含湿量均小于相应温度下的饱和含湿量，即湿烟气与环境空气的相对含湿量均小于100%，处于未饱和状态。湿烟气由烟囱排出与环境空气混合过程中，湿烟气的状态点开始沿线变化，达到B点后湿烟气变为饱和状态。饱和湿烟气与环境空气混合过程中湿烟气的状态点沿着饱和曲线BCD变化，随着湿烟气温度的降低，饱和湿烟气的绝对含懸量降低，湿烟气中过饱和的水蒸气凝结成液态小水滴，小水滴对光线产生折射、散射作用，从而使烟囱出口的烟羽呈现白色或者灰色，形成湿烟羽。当饱和湿烟气的状态点达到D点后，湿烟气与环境空气的混合过程沿着撕线变化，湿烟气变为非饱和状态，湿烟气中不再有小液滴凝结、析出，同时湿烟羽中的小液滴开始蒸发，湿烟羽逐渐消失。

如果湿烟气的初始状态点A与环境空气状态点E的连线ABDE与饱和曲线不相交，即湿烟气与环境空气混合过程中湿烟气始终不会变为饱和状态，湿烟气中的水蒸气也不会凝结、析出，湿烟气由烟囱排出后便不会形成湿烟羽。

2湿烟羽消散技术

根据湿烟羽的形成和消散机理分析可知，如果要消除湿烟羽，就要改变湿烟气由烟囱排出时的初始状态点，使湿烟气在环境空气中扩散过程中始终不会变为饱和状态，湿烟气中的水蒸气不会凝结、析出。图2给出了湿烟羽消散技术的示意图。

由图2可知，有3种技术可以使湿烟气在环境空气中扩散过程中始终不会变为饱和状态。①烟气直接加热:烟气直接加热可以使湿烟气的状态点由A变为B，湿烟气的相对含湿量降低，湿烟气由状态点B变为环境空气状态点C的过程中不会变为饱和状态，不会形成湿烟羽;②烟气降温再热:降温可以减少湿烟气的绝对含湿量，烟气再热可以降低湿烟气的相对含湿量，降温再热可以将湿烟气的状态点由A变为E湿烟气由状态点E变为环境空气状态点C的过程中不会变为饱和状态，不会形成湿烟羽;③烟气直接降温:烟气直接降温将湿烟气的状态点由A变为F，湿烟气由状态点F变为环境空气状态点C的过程中不会变为饱和状态，不会形成湿烟羽。

3数学模型

湿烟气在环境空气中的扩散过程同时存在传热和传质两个过程，湿烟气在环境空气中扩散过程中是否会产生饱和状态要通过数值计算求解每个状态点的参数，以此来判断湿烟气由烟囱排出是否会形成湿烟羽。式（1)〜式（7)为湿烟气扩散过程中的守恒方程组。

采用5阶Runge-Kutta法求解式（8)〜式（14)即可获得湿烟气扩散过程的数值解。方程组求解过程中，若湿烟气比湿达到饱和状态，且烟气温度高于环境空气温度时，计算结束，判定湿烟气扩散过程会形成湿烟羽现象;若湿烟气比湿未出现饱和状态，且烟气温度达到环境空气温度时，计算结束，判定湿烟气扩散过程不会形成湿烟羽现象。

4结果与讨论

湿法脱硫装置处理过的烟气温度在45-55°C，为饱和湿烟气。为了考察烟气直接加热、烟气降温再热和烟气直接降温消散湿烟羽过程中烟气温度、升温幅度、降温幅度的变化规律，以及3种湿烟羽消散技术的适用范围，假定湿烟气为50°C的饱和湿烟气。

延伸阅读：

冷凝再热复合技术应用于燃煤电厂湿烟羽治理的可行性分析

原标题：湿烟羽形成机理与消散技术数值分析

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