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：
4.1烟气直接加热烟气直接加热消散湿烟羽是将湿烟气的温度升高，保持湿烟气的绝对含湿量不变，相对含湿量减小。图3给出了烟气直接加热消散湿烟羽烟气升温幅度随环境温度和环境相对湿度的变化规律。由图3可以看出，随着环境温度升高，升温幅度呈指数关系急剧减小;随着环境相对湿度增大，升温幅度增大。在环境温度为10°C时，环境相对湿度由20%升至80%的过程中，升温幅度差值增大，即T3>T2>T1，表明环境相对湿度越大，升温幅度受环境温度的影响越大。
图4给出了烟气直接加热消散湿烟羽过程中烟气温度的变化规律。由图4可知，在环境温度为10°C时，加热后的烟气温度在70〜100°C之间，变化幅度较大，表明环境相对湿度增大会导致湿烟羽消散难度大幅上涨，能耗增大。在环境温度低于10°C，环境相对湿度大于40%时，加热后的烟气温度高于100°C，很难通过烟气直接加热消散湿烟羽。
4.2烟气直接降温
烟气直接降温消散湿烟羽是将湿烟气的温度降低，减小湿烟气的绝对含湿量。图5给出了烟气直接降温消散湿烟羽烟气降温幅度随环境温度和环境相对湿度的变化规律。由图5可知，随着环境温度升高，降温幅度呈线性关系减小;随着环境相对湿度增大，降温幅度增大。在环境温度为10°C时，环境相对湿度由20%升至80%的过程中，降温幅度差值增大，即AT3>T2>T1，表明环境相对湿度越大，降温幅度受环境温度的影响越大。在环境温度低于10°C，环境相对湿度大于40%时，降温幅度大于30°C，很难通过烟气直接降温消散湿烟羽。
4.3烟气降温再热
烟气降温再热消散湿烟羽是通过降温减少湿烟气中的绝对含湿M，烟气再热降低湿烟气的相对含湿量。在假定环境相对湿度为60%的情况下，图6给出了烟气降温再热消散湿烟羽烟气温幅度和降温幅度的变化规律。由图6可知，随着降温幅度升高，升温幅度呈指数关系急剧减小，表明降温可以大幅度减小升温幅度，减小湿烟羽消散难度;随着环境温度减小，升温幅度增大。在降温幅度为15°C时，环境温度由15°C降至-5°C的过程中，升温幅度差值增大，即T2>T1，表明环境温度越小，消散难度越大。
图7给出了烟气降温再热消散湿烟羽过程中烟气温度的变化。由图可知，在降温幅度为15°C时，加热后的烟气温度在30〜90°C之间，环境温度大于5°C时再热烟气温度仍低于50°C，低于原烟气温度。
4.4湿烟羽消散技术适用范围
目前，燃煤电厂换热设备对烟气的升温幅度与降温幅度有限，尤其是湿法脱硫后饱和湿烟气的温度低，绝对含湿量大，降温难度更大。假定换热设备对湿法脱硫后饱和湿烟气的最大加热温度幅度为40°C，降温幅度小于20°C，考察了3种湿烟羽消散技术的适用范围。
图8给出了湿烟羽消散技术适用范围分区图。临界曲线I为烟气直接降温临界曲线，环境温度低于临界曲线埘烟气直接降温无法有效消散湿烟羽;临界曲线n为烟气直接加热临界曲线，环境温度低于临界曲线n时烟气直接加热无法有效消散湿烟羽;临界曲线m为烟气降温再热临界曲线，环境温度低于临界曲线m时烟气降温再热无法有效消散湿烟羽。由图8可知，当环境温度位于区域I时，采用烟气直接加热、烟气直接降温和烟气降温再热均可有效消散湿烟羽;当环境温度位于区域n时，采用烟气直接加热和烟气降温再热可有效消散湿烟羽;当环境温度位于区域m时，只有采用烟气降温再热才可以有效消散湿烟羽;当环境温度位于区域IV时，采用烟气直接加热、烟气直接降温和烟气降温再热均不能有效消散湿烟羽。结果表明，烟气降温再热消散湿烟羽技术使用范围最大，烟气直接加热次之，烟气直接降温最小。环境温度低于5°C时，只能采用烟气降温再热消散湿烟羽。
5结论
分析了湿烟羽的形成和消散机理，通过数值计算分析了烟气直接加热、烟气降温再热和直接降温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，得到如下结论。
(1)湿烟羽消散技术主要包括烟气直接加热、烟气直接降温和烟气降温再热。
(2)环境温度低于10°C，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。
(3)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。
(4)环境温度低于5°C时，只能采用烟气降温再热消散湿烟羽。
延伸阅读：
原标题：湿烟羽形成机理与消散技术数值分析
