上海理工大學(xué) 王明鑫 章立新 高 明 劉婧楠國(guó)家能源(上海)電站空冷系統(tǒng)研發(fā)中心 尚立新

一次修回：2020- 06- 27

二次修回：2021- 02- 01

0 引言

目前我國(guó)90%以上的燃煤機(jī)組都采用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)吸收脫除煙氣中的SO2[1]。經(jīng)過濕法脫硫后的煙氣一般為45～55 ℃的低溫飽和濕煙氣，含濕率約為10%～14%[2]。煙囪排出的飽和濕煙氣與環(huán)境中的低溫空氣混合，在混合過程中煙溫逐漸降低，煙氣中的水蒸氣過飽和冷凝成液滴，凝結(jié)的細(xì)小液滴對(duì)光線產(chǎn)生折射及散射，從而在煙囪附近產(chǎn)生白色或灰色的濕煙羽，俗稱“白煙”[3]。濕煙羽不僅會(huì)造成嚴(yán)重的視覺污染，也會(huì)產(chǎn)生“石膏雨”[4]，帶來一系列環(huán)境問題。

煙氣加熱、冷凝和冷凝再熱的煙氣消白技術(shù)[5]在工程上已有應(yīng)用，這些技術(shù)通過調(diào)整排煙的溫濕度來消除濕煙羽，因此需要確定濕煙羽的形成條件，即煙氣消白的臨界條件[6]。目前的理論計(jì)算與研究多以煙氣在大氣中的抬升運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)。Morton首先提出了干煙氣在大氣中的浮動(dòng)模型，并建立了干煙氣的質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒方程[7]。Csanady發(fā)展了該理論，在守恒方程的基礎(chǔ)上考慮了濕煙氣中水蒸氣的冷凝，對(duì)動(dòng)量及能量守恒方程進(jìn)行了補(bǔ)充，并提出了水蒸氣/液態(tài)水質(zhì)量守恒方程，對(duì)含有大量水蒸氣的濕煙氣的冷凝情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在充分混合的條件下，濕煙氣中的水蒸氣在距排煙口一定距離處開始冷凝，并在較大距離處再次蒸發(fā)[8]。Wigley等人進(jìn)一步研究確定了濕煙氣的冷凝點(diǎn)距煙囪很近或根本不發(fā)生冷凝，并分析了避免濕煙羽形成的條件[9]。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也在Morton等人的研究基礎(chǔ)上對(duì)濕煙氣擴(kuò)散和濕煙羽問題進(jìn)行了相關(guān)研究。姚增權(quán)通過求解濕煙氣守恒方程組，研究了在不同環(huán)境和排煙條件下脫硫濕煙氣的抬升與凝結(jié)問題[10-11]。馬修元等人通過數(shù)值計(jì)算分析了多種煙氣消白方式的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)煙氣冷凝再熱應(yīng)用范圍最廣，煙氣加熱次之，煙氣冷凝最小[12]。除以上研究方法外，目前還有部分學(xué)者采用較為簡(jiǎn)單的溫濕圖切線模型對(duì)濕煙羽的成因及消散進(jìn)行了研究。譚厚章等人基于溫濕圖切線模型對(duì)7種濕煙羽脫除方式進(jìn)行了理論分析[13]。范江等人以不同地區(qū)為例，采用溫濕圖切線法計(jì)算了燃煤機(jī)組的消白條件[14]。另外，章立新等人還利用溫濕圖對(duì)蒸發(fā)冷卻設(shè)備新型消霧設(shè)計(jì)進(jìn)行了機(jī)理分析[15]。

目前大多數(shù)研究均采用成熟的濕煙羽抬升模型和簡(jiǎn)單的溫濕圖切線模型進(jìn)行煙氣消白臨界排煙溫度的分析與計(jì)算。2種模型得到的消白臨界排煙溫度是否存在偏差及偏差大小尚不清楚，這會(huì)影響煙氣消白方式的選擇及工程應(yīng)用。本文通過詳細(xì)推導(dǎo)得到了2種模型煙氣消白臨界排煙溫度的計(jì)算公式，針對(duì)不同的煙氣消白方式，計(jì)算并對(duì)比分析了消白臨界排煙溫度，以期為工程應(yīng)用和消白標(biāo)準(zhǔn)制定提供理論參考。

1 主要消白方式

為避免濕煙羽的產(chǎn)生，需要通過一定的技術(shù)手段改變排煙的狀態(tài)，確保濕煙氣與空氣混合擴(kuò)散過程中始終不會(huì)處在過飽和區(qū)，這樣煙氣中的水蒸氣就不會(huì)過飽和凝結(jié)，產(chǎn)生白煙[16]。

圖1顯示了目前主流的3種煙氣消白方式。

1) 煙氣加熱：通過加熱使煙氣從初始狀態(tài)點(diǎn)A沿等濕線升溫至狀態(tài)點(diǎn)E后排放，降低了煙氣的相對(duì)濕度，排出的煙氣沿ED線與環(huán)境空氣狀態(tài)點(diǎn)D混合，確保煙氣不會(huì)變?yōu)檫^飽和狀態(tài)，其中E點(diǎn)溫度為該方式所要求的煙氣加熱到的臨界排煙溫度，A點(diǎn)和E點(diǎn)的溫差為臨界加熱升溫幅值，只有排煙溫度高于E點(diǎn)溫度，才能有效避免濕煙羽。

2) 煙氣冷凝：通過冷凝使煙氣從初始狀態(tài)點(diǎn)A沿飽和線降溫至狀態(tài)點(diǎn)C后排放，降低了煙氣的含濕量，排出的煙氣沿CD線與環(huán)境空氣狀態(tài)點(diǎn)D混合，確保煙氣不會(huì)變?yōu)檫^飽和狀態(tài)，其中C點(diǎn)溫度為該方式所要求煙氣冷凝到的臨界排煙溫度，A點(diǎn)和C點(diǎn)的溫差為臨界冷凝降溫幅值，只有排煙溫度低于C點(diǎn)溫度，才能有效避免濕煙羽。

3) 煙氣冷凝再熱：通過先冷凝、后加熱，使煙氣從初始狀態(tài)點(diǎn)A沿濕飽和線降溫至狀態(tài)點(diǎn)B，再沿等濕線升溫至狀態(tài)點(diǎn)F后排放，降低了煙氣的含濕量和相對(duì)濕度，排出的煙氣沿FD線與環(huán)境空氣狀態(tài)點(diǎn)D混合，確保煙氣不會(huì)變?yōu)檫^飽和狀態(tài)，其中B點(diǎn)溫度為起始再熱點(diǎn)煙溫，F(xiàn)點(diǎn)溫度為再熱所要求加熱到的臨界排煙溫度，A點(diǎn)和B點(diǎn)的溫差為冷凝降溫幅值，B點(diǎn)和F點(diǎn)的溫差為臨界再熱升溫幅值，只有排煙溫度高于F點(diǎn)溫度，才能有效避免濕煙羽。

2 數(shù)學(xué)模型

濕煙羽的形成是由環(huán)境溫濕度和排放濕煙氣溫濕度共同決定的[17]。因此需要結(jié)合氣象條件及排煙條件，通過數(shù)值計(jì)算確定經(jīng)消白處理的煙氣排入環(huán)境后不發(fā)生過飽和冷凝的臨界排煙溫度[18]。

2.1 濕煙羽抬升模型

借鑒文獻(xiàn)[8]中的濕煙羽抬升模型進(jìn)行分析計(jì)算。文獻(xiàn)[8]通過假設(shè)煙羽在橫截面上溫度、密度恒定及煙羽在環(huán)境中穩(wěn)定擴(kuò)散，構(gòu)建了濕煙羽的抬升運(yùn)動(dòng)模型，導(dǎo)出了考慮水蒸氣冷凝的水蒸氣/液態(tài)水質(zhì)量守恒方程、考慮冷凝液滴重力的動(dòng)量守恒方程及考慮水蒸氣相變潛熱的能量守恒方程，預(yù)測(cè)了濕煙氣與環(huán)境空氣混合過程中的冷凝情況，給出了濕煙羽在空氣中抬升擴(kuò)散時(shí)發(fā)生冷凝后的水蒸氣/液態(tài)水質(zhì)量守恒及能量守恒方程組，并通過簡(jiǎn)化推導(dǎo)方程組得出了煙氣在假設(shè)條件下的狀態(tài)變化方程組。

本文在煙氣狀態(tài)變化方程基礎(chǔ)上建立了濕煙羽生成的判別式，具體推導(dǎo)如下。

考慮到煙氣中水蒸氣的冷凝只導(dǎo)致水蒸氣和液態(tài)水的含量發(fā)生變化，水蒸氣/液態(tài)水質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中u為煙羽水平方向平均風(fēng)速，m/s；R為煙羽半徑，m；d為煙氣含濕量，g/kg；da為空氣含濕量，g/kg；σ為煙氣中液態(tài)水含量，g/kg；w為煙羽豎直方向平均速度，m/s；G為空氣含濕量的豎直梯度變化量，G=dd/dz。

考慮水蒸氣相變潛熱時(shí)的能量守恒方程為

(2)

式中b為浮力加速度，m/s2，b=g(ρa(bǔ)-ρ)/ρ=g(T-Ta)/Ta，其中g(shù)為自由落體加速度，m/s2，ρa(bǔ)和ρ分別為空氣和煙氣的密度，kg/m3，T和Ta分別為煙氣和空氣的溫度，K；N2為Vaisala頻率，反映空氣溫度的豎直梯度變化情況，N2=-(g/Ta)dθ/dz，其中θ為位勢(shì)溫度，K；λ為近似常數(shù)，λ=L/(cpaTa)，其中L為汽化潛熱，kJ/kg，cpa為空氣比定壓熱容，kJ/(kg·K)。

式(2)中，gλud(R2σ)/dx項(xiàng)是由水蒸氣相變潛熱引起的。

引入動(dòng)量通量M=uR2w、浮力通量F=uR2b、重量通量S=uR2gσ及濕度通量H=uR2(d-da)，簡(jiǎn)化式(1)、(2)得：

(3)

(4)

對(duì)于穩(wěn)態(tài)環(huán)境，在沒有溫度梯度和濕度梯度的情況下，假定煙氣抬升過程中N2=G=0；當(dāng)煙氣即將發(fā)生冷凝時(shí)，煙氣中尚無液態(tài)水，即S=0?？梢缘玫剑?/p>

(5)

(6)

解式(5)、(6)得：

d=da+(d0-da)X

(7)

T=Ta+(T0-Ta)X

(8)

式(7)反映了實(shí)際煙氣含濕量d隨量綱一距離變量X的變化情況。

對(duì)處于飽和狀態(tài)的濕煙氣，可采用Clausius-Clapeyron方程[19]求解飽和煙氣含濕量ds：

(9)

式中dsa為飽和空氣含濕量，g/kg；β=L/(Rv·Ta)≈17，其中Rv為蒸汽氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)。

將式(8)代入式(9)得：

(10)

式(10)反映了飽和煙氣含濕量ds隨量綱一距離變量X的變化情況。

在以上文獻(xiàn)所做工作的基礎(chǔ)上，本文將式(7)與式(10)相減得：

(11)

式(11)即為排出煙氣的實(shí)際含濕量與飽和含濕量差值隨量綱一距離變量X的變化情況，函數(shù)F(X)是判斷煙氣排放后是否過飽和冷凝產(chǎn)生濕煙羽的關(guān)鍵，能明確濕煙氣擴(kuò)散過程中的飽和程度，進(jìn)而得到濕煙羽生成判斷條件。判斷條件如下：

1)F(X)max>0，過飽和冷凝，產(chǎn)生濕煙羽；

2)F(X)max≤0，處于臨界飽和狀態(tài)或不飽和狀態(tài)，不產(chǎn)生濕煙羽。

函數(shù)F(X)在?F(X)/?X=0處取最大值F(X)max：

F(X)max=da+dsaY0(lnY0-1)

(12)

其中

(13)

式中ds0為排煙口飽和煙氣含濕量，g/kg。

避免濕煙羽的臨界條件為F(X)max=0，此時(shí)式(12)變?yōu)?/p>

da=dsaY0(1-lnY0)

(14)

通過式(14)可迭代計(jì)算出Y0。將式(13)變形為

(15)

對(duì)于煙氣冷凝消白方式，煙氣始終處于飽和狀態(tài)，即d0=ds0，可通過式(15)計(jì)算出不同環(huán)境溫濕度下的消白臨界排煙溫度T0；對(duì)于煙氣加熱消白方式和煙氣冷凝再熱消白方式，煙氣加熱和再熱過程中含濕量未發(fā)生改變，因此在已知加熱和再熱前的飽和濕煙氣狀態(tài)條件下可計(jì)算出d0，并進(jìn)一步通過式(15)計(jì)算出不同環(huán)境溫濕度下的消白臨界排煙溫度T0。

2.2 溫濕圖切線模型

溫濕圖切線模型(見圖1)是在溫濕圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的煙氣計(jì)算，相對(duì)于濕煙羽抬升模型較為簡(jiǎn)便。該模型主要采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算[14]。

采用Antoine方程[20-21]計(jì)算濕煙氣中飽和水蒸氣分壓力，即

(16)

式中ps為飽和水蒸氣分壓力，MPa。

含濕量計(jì)算公式為

(17)

式中φ為煙氣相對(duì)濕度；p為煙氣總壓力，取0.1 MPa[22]。

由式(16)、(17)可得：

(18)

當(dāng)φ=100%時(shí)，就建立了飽和濕煙氣含濕量與溫度的關(guān)系，即

(19)

dds/dT=f′(T)便是飽和曲線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)導(dǎo)數(shù)的函數(shù)方程：

(20)

當(dāng)環(huán)境溫濕度已知時(shí)，建立經(jīng)過環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)D與飽和曲線相切的切線DE(如圖1所示)的方程：

f′(Tt)(Tt-Ta)+da=dst=f(Tt) (21)

式中Tt為切點(diǎn)溫度，K；dst為切點(diǎn)飽和含濕量，g/kg。

通過式(21)可計(jì)算出飽和曲線上切點(diǎn)C的溫度Tt，此溫度也是煙氣冷凝消白方式的消白臨界排煙溫度。

煙氣加熱方式和煙氣冷凝再熱方式沿等濕線AE和BF進(jìn)行加熱，其臨界排煙狀態(tài)點(diǎn)E和F處在切線DE與等濕線AE和BF的交點(diǎn)上，建立關(guān)于E點(diǎn)和F點(diǎn)的含濕量計(jì)算式：

f′(Tt)(Tout-Ta)+da=dA=f(TA) (22)

f′(Tt)(Tout-Ta)+da=dB=f(TB) (23)

式(22)、(23)中TA為初始狀態(tài)點(diǎn)飽和濕煙氣溫度，K；TB為起始再熱狀態(tài)點(diǎn)飽和濕煙氣溫度，K；Tout為煙氣加熱方式或煙氣冷凝再熱方式的消白臨界排煙溫度，K。

通過式(22)、(23)可計(jì)算出煙氣加熱方式和煙氣冷凝再熱方式的臨界排煙溫度Tout。

2.3 模型分析及計(jì)算流程

通過冷卻塔消白試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析濕煙羽抬升模型與溫濕圖切線模型的準(zhǔn)確性。在環(huán)境溫度為5 ℃、相對(duì)濕度為50%時(shí)，濕煙羽抬升模型得到的冷凝消白方式下的臨界排煙溫度為18.2 ℃，溫濕圖切線模型分析得到的臨界排煙溫度為17.0 ℃，而試驗(yàn)得到的白煙消散時(shí)的排煙溫度為18.0 ℃，這說明濕煙羽抬升模型與溫濕圖切線模型相比，具有較高的準(zhǔn)確性。濕煙羽抬升模型與溫濕圖切線模型的具體對(duì)比分析見表1。

表1 2種模型的對(duì)比分析

本文主要針對(duì)2種模型下的消白臨界排煙溫度進(jìn)行分析。圖2顯示了2種模型的主要計(jì)算流程。

注：T01、T02分別為濕煙羽抬升模型和溫濕圖切線模型的計(jì)算結(jié)果；ΔT為2種模型計(jì)算結(jié)果的偏差。圖2 2種模型的主要計(jì)算流程

3 結(jié)果與討論

本研究采用2種模型，假定脫硫后未經(jīng)消白的飽和濕煙氣溫度為50 ℃，在不同環(huán)境狀態(tài)下，對(duì)比分析了3種消白方式臨界排煙溫度計(jì)算值的偏差。

濕煙羽的產(chǎn)生在很大程度上由環(huán)境條件和排煙溫度決定。當(dāng)直排煙氣溫度和環(huán)境相對(duì)濕度一定，環(huán)境溫度低于某一值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生濕煙羽，將該環(huán)境溫度定義為無白臨界環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度和環(huán)境相對(duì)濕度一定時(shí)，經(jīng)過加熱或冷凝再熱消白處理后的排煙溫度高于某一值時(shí)，或者經(jīng)過冷凝消白處理后的排煙溫度低于某一值時(shí)，煙氣與環(huán)境空氣混合不會(huì)產(chǎn)生濕煙羽，將該排煙溫度定義為消白臨界排煙溫度。

3.1 煙氣直排分析

圖3顯示了2種模型計(jì)算的50 ℃飽和濕煙氣在環(huán)境相對(duì)濕度10%～90%范圍內(nèi)的無白臨界環(huán)境溫度。

圖3 煙氣直排時(shí)無白臨界環(huán)境溫度對(duì)比分析

從圖3可以發(fā)現(xiàn)：2種模型得到的結(jié)果變化趨勢(shì)一致，隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大，無白臨界環(huán)境溫度也逐漸增大；溫濕圖切線模型的計(jì)算值皆大于濕煙羽抬升模型，隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大，偏差逐漸減小，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度為10%時(shí)，2種模型的最大偏差為1.2 ℃；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度為90%時(shí)，偏差僅為0.2 ℃。這說明溫濕圖切線模型滿足濕煙羽抬升模型對(duì)無白臨界環(huán)境溫度的要求，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到溫濕圖切線模型的臨界值時(shí)，直排煙氣不會(huì)產(chǎn)生白煙，且相對(duì)濕度越高，該模型準(zhǔn)確性越高。

我國(guó)大部分地區(qū)的平均相對(duì)濕度為40%～80%[23]。在此情況下，溫濕圖切線模型所要求的煙氣直排時(shí)的無白臨界環(huán)境溫度需達(dá)到35.2～40.3 ℃；濕煙羽抬升模型所要求的煙氣直排時(shí)的無白臨界環(huán)境溫度需達(dá)到34.3～39.9 ℃。2種模型的結(jié)果皆表明煙氣直排只能適合高溫干燥地區(qū)或天氣炎熱的夏季，在大多數(shù)氣象條件下需要對(duì)煙氣采取消白措施才能消除濕煙羽。

3.2 煙氣加熱

圖4顯示了2種模型計(jì)算的50 ℃飽和濕煙氣在加熱消白方式下，環(huán)境溫度為5～30 ℃、環(huán)境相對(duì)濕度為20%～80%時(shí)的消白臨界排煙溫度的變化規(guī)律及計(jì)算偏差。由圖4a可知，2種模型的計(jì)算值變化趨勢(shì)一致。

圖4 煙氣加熱消白方式下臨界排煙溫度對(duì)比分析

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度一定時(shí)，環(huán)境溫度越低，消白臨界排煙溫度越高，煙氣加熱消白方式的臨界加熱升溫幅度越大。環(huán)境相對(duì)濕度為40%，環(huán)境溫度降至5 ℃時(shí)，消白臨界排煙溫度升到了100 ℃以上，臨界加熱升溫幅度超過了50 ℃。

當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，環(huán)境相對(duì)濕度越高，消白臨界排煙溫度越高，煙氣加熱消白方式的臨界加熱升溫幅度越大，并且隨著環(huán)境溫度的降低，環(huán)境相對(duì)濕度的影響更加明顯。環(huán)境溫度為5 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度升至80%時(shí)，消白臨界排煙溫度升到了135 ℃以上，臨界加熱升溫幅度超過了85 ℃。

加熱方式下2種模型的消白臨界排煙溫度與環(huán)境溫度負(fù)相關(guān)，與環(huán)境相對(duì)濕度正相關(guān)。消白臨界排煙溫度越高，臨界加熱升溫幅度就越大，會(huì)消耗大量的熱能，不利于電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，2種模型的計(jì)算值皆說明了低溫高濕環(huán)境不利于加熱消白。

由圖4可以看出，溫濕圖切線模型的消白臨界排煙溫度比濕煙羽抬升模型高3.5～4.5 ℃，并且隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大，偏差逐漸減小。這說明溫濕圖切線模型滿足濕煙羽抬升模型對(duì)消白臨界排煙溫度的要求，當(dāng)煙溫升到溫濕圖切線模型的臨界值時(shí)，排煙不會(huì)產(chǎn)生白煙，且在高濕環(huán)境下用該模型分析煙氣加熱消白的準(zhǔn)確性有一定提升。劉志坦等人研究認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境溫度高于15 ℃時(shí)，加熱煙氣到80 ℃可以消除濕煙羽[24]。文獻(xiàn)[25]中要求在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度高于17 ℃、相對(duì)濕度低于60%的條件下，電廠排放的煙溫需達(dá)到75 ℃以上，冬季或重度污染時(shí)應(yīng)達(dá)到78 ℃以上。2個(gè)模型的結(jié)果皆能驗(yàn)證以上消白要求的正確性。

3.3 煙氣冷凝

圖5顯示了2種模型計(jì)算的50 ℃飽和濕煙氣在冷凝消白方式下，環(huán)境溫度為5～30 ℃、相對(duì)濕度為20%～80%時(shí)消白臨界排煙溫度的變化規(guī)律及計(jì)算偏差。由圖5a可知，2種模型的計(jì)算值變化趨勢(shì)一致。

圖5 煙氣冷凝消白方式下臨界排煙溫度對(duì)比分析

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度一定時(shí)，環(huán)境溫度越低，消白臨界排煙溫度越低(且呈線性變化)，煙氣冷凝消白方式的臨界冷凝降溫幅度越大。環(huán)境相對(duì)濕度為60%，環(huán)境溫度降至5 ℃時(shí)，消白臨界排煙溫度降到20 ℃以下，臨界冷凝降溫幅度超過30 ℃。

當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，環(huán)境相對(duì)濕度越高，消白臨界排煙溫度越低，煙氣冷凝消白方式的臨界冷凝降溫幅度越大。環(huán)境溫度為10 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度升至80%時(shí)，消白臨界排煙溫度降到20 ℃以下，臨界冷凝降溫幅度超過30 ℃。

冷凝方式下2種模型的消白臨界排煙溫度與環(huán)境溫度正相關(guān)，與環(huán)境相對(duì)濕度負(fù)相關(guān)。消白臨界排煙溫度越低，臨界冷凝降溫幅度越大，會(huì)增加換熱器等設(shè)備的投資，不利于工業(yè)應(yīng)用，2種模型的計(jì)算值也都說明了低溫高濕環(huán)境不利于冷凝消白。

由圖5可以看出，溫濕圖切線模型的消白臨界排煙溫度比濕煙羽抬升模型低0.5～1.5 ℃，誤差較小，并且隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大，偏差逐漸減小。這說明溫濕圖切線模型滿足濕煙羽抬升模型對(duì)消白臨界排煙溫度的要求，當(dāng)煙溫降至溫濕圖切線模型的臨界值時(shí)排煙不會(huì)產(chǎn)生白煙，且該模型在分析冷凝消白尤其是高濕環(huán)境中的冷凝消白時(shí)準(zhǔn)確度普遍較高。馬修元等人分析認(rèn)為，實(shí)際運(yùn)行中環(huán)境溫度低于10 ℃、相對(duì)濕度高于40%時(shí)，消除濕煙羽所需的降溫幅度需達(dá)到30 ℃以上[12]，皆符合2種模型的結(jié)果。

3.4 煙氣冷凝再熱

煙氣冷凝再熱的消白臨界排煙溫度主要與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、起始再熱點(diǎn)煙溫相關(guān)。本文分析了在一定環(huán)境溫度下，環(huán)境相對(duì)濕度、起始再熱點(diǎn)煙溫與消白臨界排煙溫度的關(guān)系；同時(shí)也分析了在一定環(huán)境相對(duì)濕度下，環(huán)境溫度、起始再熱點(diǎn)煙溫與消白臨界排煙溫度的關(guān)系。

圖6顯示了2種模型計(jì)算的50 ℃飽和濕煙氣在冷凝再熱消白方式下，環(huán)境溫度為5 ℃、相對(duì)濕度為20%～80%、起始再熱點(diǎn)煙溫為25～45 ℃時(shí)的消白臨界排煙溫度的變化規(guī)律及計(jì)算偏差。由圖6a可以看出，2種模型的計(jì)算值變化趨勢(shì)一致。

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度一定時(shí)，消白臨界排煙溫度隨起始再熱點(diǎn)煙溫的升高而升高。環(huán)境相對(duì)濕度為60%，起始再熱點(diǎn)煙溫從25 ℃升至45 ℃時(shí)，消白臨界排煙溫度從30 ℃左右升到90 ℃左右。

圖6 環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)煙氣冷凝再熱方式下的消白臨界排煙溫度對(duì)比分析

當(dāng)起始再熱點(diǎn)煙溫一定時(shí)，消白臨界排煙溫度隨環(huán)境相對(duì)濕度的升高而升高，并且起始再熱點(diǎn)煙溫越高，環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)消白臨界排煙溫度的影響越明顯。起始再熱點(diǎn)煙溫為45 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度從20%升至80%時(shí)，消白臨界排煙溫度從75 ℃左右升到100 ℃左右。

消白臨界排煙溫度與環(huán)境相對(duì)濕度、起始再熱點(diǎn)煙溫皆正相關(guān)。消白臨界排煙溫度越高，臨界再熱升溫幅度越大，能耗越大，2種模型的結(jié)果皆表明，起始再熱點(diǎn)煙溫與環(huán)境相對(duì)濕度越高越不利于冷凝再熱消白。

由圖6可以看出，在環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)，溫濕圖切線模型的消白臨界排煙溫度比濕煙羽抬升模型高1～7 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度為40%～60%時(shí)，僅高1～3 ℃，并且隨著起始再熱點(diǎn)煙溫的降低，偏差明顯減小。這說明溫濕圖切線模型滿足濕煙羽抬升模型對(duì)消白臨界排煙溫度的要求，當(dāng)煙溫達(dá)到溫濕圖切線模型的要求時(shí)排煙不會(huì)產(chǎn)生白煙，該模型用于起始再熱點(diǎn)煙溫較低、環(huán)境相對(duì)濕度為40%～60%時(shí)的冷凝再熱消白研究準(zhǔn)確性較高。

圖7顯示了2種模型計(jì)算的50 ℃飽和濕煙氣在冷凝再熱消白方式下，環(huán)境相對(duì)濕度為60%、溫度為-10～15 ℃、起始再熱點(diǎn)煙溫為25～45 ℃時(shí)的消白臨界排煙溫度的變化規(guī)律及計(jì)算偏差。由圖7a可以看出，2種模型的計(jì)算值變化趨勢(shì)一致。

當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，消白臨界排煙溫度隨起始再熱點(diǎn)煙溫的升高而升高。環(huán)境溫度為0 ℃，起始再熱點(diǎn)煙溫從25 ℃升至45 ℃時(shí)，消白臨界排煙溫度從35 ℃左右升到100 ℃以上。

圖7 環(huán)境相對(duì)濕度為60%時(shí)煙氣冷凝再熱方式下消白臨界排煙溫度對(duì)比分析

當(dāng)起始再熱點(diǎn)煙溫一定時(shí)，消白臨界排煙溫度隨著環(huán)境溫度的降低而升高，并且起始再熱點(diǎn)煙溫越高，環(huán)境溫度對(duì)消白臨界排煙溫度的影響越明顯。起始再熱點(diǎn)煙溫為45 ℃，環(huán)境溫度從15 ℃降至-10 ℃時(shí)，臨界排煙溫度從60 ℃左右升到230 ℃左右。

消白臨界排煙溫度與環(huán)境溫度負(fù)相關(guān)，與起始再熱點(diǎn)煙溫正相關(guān)。同理可知，起始再熱點(diǎn)煙溫越高，環(huán)境溫度越低，越不利于冷凝再熱消白。

由圖7可以看出，在環(huán)境相對(duì)濕度為60%時(shí)，溫濕圖切線模型的消白臨界排煙溫度比濕煙羽抬升模型高1～5 ℃，并且環(huán)境溫度越高，偏差越小，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)偏差僅為1～3 ℃，隨著起始再熱點(diǎn)煙溫的降低，偏差明顯減小。這同樣說明溫濕圖切線模型滿足濕煙羽抬升模型對(duì)消白臨界排煙溫度的要求，當(dāng)煙溫達(dá)到溫濕圖切線模型的要求時(shí)排煙不會(huì)產(chǎn)生白煙，該模型用于起始再熱點(diǎn)煙溫較低、環(huán)境溫度為15 ℃以上時(shí)的冷凝再熱消白研究準(zhǔn)確性較高。

文獻(xiàn)[25]對(duì)煙氣冷凝再熱消白也有具體的參數(shù)要求，要求在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度高于17 ℃、相對(duì)濕度低于60%的條件下，電廠再熱排煙的溫度需達(dá)到54 ℃以上，冬季或重度污染預(yù)警時(shí)應(yīng)達(dá)到56 ℃以上，符合2種模型的消白要求。

4 結(jié)論

1) 濕煙羽抬升模型與溫濕圖切線模型得到的消白臨界排煙溫度計(jì)算值變化規(guī)律完全一致，低溫高濕的環(huán)境、冷凝再熱消白方式的起始再熱點(diǎn)煙溫較高，都不利于濕煙羽的消除。

2) 溫濕圖切線模型與濕煙羽抬升模型相比，加熱方式下消白臨界排煙溫度高3.5～4.5 ℃，冷凝方式下消白臨界排煙溫度低0.5～1.5 ℃，冷凝再熱方式下消白臨界排煙溫度高1.0～7.0 ℃。

3) 溫濕圖切線模型計(jì)算的消白臨界排煙溫度能滿足濕煙羽抬升模型對(duì)煙氣消白的要求，在一定條件下可采用簡(jiǎn)便的溫濕圖切線模型計(jì)算各種煙氣消白方式的消白臨界排煙溫度。