非金屬煙氣凈化換熱器傳熱及除塵試驗(yàn)研究

徐祥根

(煙臺(tái)龍?jiān)磽Q熱設(shè)備有限公司, 山東煙臺(tái) 264006)

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非金屬煙氣凈化換熱器傳熱及除塵試驗(yàn)研究

徐祥根

(煙臺(tái)龍?jiān)磽Q熱設(shè)備有限公司, 山東煙臺(tái) 264006)

針對電廠煙塵排放超標(biāo)、煙氣余熱浪費(fèi)及煙氣段金屬換熱器腐蝕等問題，設(shè)計(jì)制作一臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)及由聚四氟乙烯制成的非金屬煙氣凈化換熱器，將其放置在電廠脫硫塔后的煙道中測試。通過對非金屬煙氣凈化換熱器前后的相關(guān)溫度和壓力點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測，得出換熱器的冷凝傳熱系數(shù)可達(dá)170～190W/(m2·K)，換熱性能良好，除塵效果優(yōu)異,可推廣應(yīng)用于煙氣余熱利用、煙氣除塵領(lǐng)域。

非金屬煙氣凈化換熱器； 聚四氟乙烯； 除塵； 余熱利用

我國的火力發(fā)電廠消耗的煤炭占總產(chǎn)量的50%，其中排煙熱損失是電站鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，一般在5%～8%，占鍋爐總熱損失的80%或更高。排煙熱損失的主要影響因素是鍋爐排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每升高10K，排煙熱損失增加0.6%～1.0%，發(fā)電煤耗增加2g/(kW·h)左右[1]。

非金屬煙氣凈化換熱器可將煙氣排放溫度降低到50℃，并且不會(huì)產(chǎn)生酸腐蝕現(xiàn)象，回收大量的煙氣余熱。將非金屬煙氣凈化換熱器放置在脫硫塔后、煙囪前時(shí)，煙氣中的氣體組分被冷凝水吸收、反應(yīng)或凝結(jié)后排出煙道, 使得排煙中硫化物、氮氧化物等有害物質(zhì)有效減少。非金屬煙氣凈化換熱器采用PTFE材質(zhì)的光管，其化學(xué)性能穩(wěn)定，在-190～260℃內(nèi)低溫不脆化高溫不軟化，幾乎對所有化學(xué)品和溶劑呈惰性。它有固體材料中最小的表面張力，表面接觸角非常大，不黏附任何物質(zhì)；管壁表面光滑，摩擦系數(shù)小，不易結(jié)垢。國內(nèi)外在化工領(lǐng)域?qū)Ψ墙饘贌煔鈨艋瘬Q熱器的應(yīng)用已經(jīng)成熟[2], 王春芬等[3]對換熱器的改性研究做了技術(shù)調(diào)研；李成龍等[4-8]對熱性能做了相關(guān)試驗(yàn)研究。在PTFE材質(zhì)中添加改性材料，例如石墨等增強(qiáng)管材強(qiáng)度的研究將是后期研究的重點(diǎn)突破領(lǐng)域。

為了測試換熱器的相關(guān)換熱和除塵性能，筆者設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)放置于正在運(yùn)行的電廠中，根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取換熱器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，為后期產(chǎn)品的工藝應(yīng)用及改進(jìn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)簡介

試驗(yàn)系統(tǒng)主要分煙氣系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)兩部分，由鍋爐、脫硫塔、鼓風(fēng)機(jī)、非金屬煙氣凈化換熱器、循環(huán)水箱、冷卻塔、水泵、流量計(jì)、溫度、壓力檢測等設(shè)備組成，見圖1。

煙氣系統(tǒng)是在電廠煙道上另建一旁通管路，導(dǎo)入部分煙氣通過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入非金屬煙氣凈化換熱器，經(jīng)過換熱、凈化后的煙氣進(jìn)入煙囪。在非金屬煙氣凈化換熱器進(jìn)口煙道、出口煙道上，分別設(shè)置溫度測點(diǎn)TE3、TE4和煙氣入口采集孔，煙氣出口采集孔(采集煙塵數(shù)據(jù))。

循環(huán)水系統(tǒng)由冷卻塔、循環(huán)水箱、水泵、過濾器、流量計(jì)、管路等設(shè)備組成。循環(huán)水通過水泵把水箱中的冷水引入換熱器，換熱后的熱水通入冷卻塔散熱后進(jìn)入水箱形成循環(huán)。在換熱器進(jìn)水管路設(shè)置溫度測點(diǎn)TE1、壓力測點(diǎn)PA1，溫度變送器點(diǎn)PI1；在換熱器出水管路設(shè)置溫度測點(diǎn)TE2、壓力測點(diǎn)PA2、溫度變送器點(diǎn)PI2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

本試驗(yàn)主要監(jiān)測不同煙氣量下的換熱器傳熱性能及除塵凈化性能。監(jiān)測20000m3/h、30000m3/h、40000m3/h三組煙氣進(jìn)氣量，在相應(yīng)測點(diǎn)得到溫度、流量值，計(jì)算出傳熱系數(shù)。

傳熱速率方程[9]:

Q=K·F·ΔT

(1)

得到Q之后，反推傳熱系數(shù) ：

K=Q/(F·ΔT)

(2)

冷介質(zhì)和熱介質(zhì)熱交換平衡方程式：

G1·cp1·(t1-t2)=G2·cp2·(t3-t4)

(3)

式中：Q為換熱器整個(gè)傳熱面上的熱流量，W；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為總傳熱面積，m2；ΔT為換熱器的對數(shù)平均溫差，K；G1、G2為熱、冷側(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；cp1、cp2為熱、冷側(cè)介質(zhì)的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；t1、t2為熱側(cè)的進(jìn)、出口溫度，℃；t3、t4為冷側(cè)的進(jìn)、出口溫度，℃。

通過對三組工況的監(jiān)測分析(見表1)得出：20000m3/h風(fēng)量時(shí)(工況1)，煙氣流速達(dá)到6m/s,對應(yīng)的5組換熱器平均傳熱系數(shù)為172.6W/(m2·K)；27000m3/h風(fēng)量時(shí)(工況2)，煙氣流速達(dá)到8m/s, 對應(yīng)的5組換熱器平均傳熱系數(shù)為181.5W/(m2·K)；33000m3/h風(fēng)量時(shí)(工況3)，煙氣流速達(dá)到10m/s, 對應(yīng)的5組換熱器平均傳熱系數(shù)為189.5W/(m2·K)。三組傳熱系數(shù)不同的原因是因?yàn)轱L(fēng)量增大后，外部煙氣側(cè)流速增大，外部擾動(dòng)增大，雷諾數(shù)升高，相應(yīng)的傳熱系數(shù)提高。

表1 三種工況下對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)可以看出傳熱系數(shù)隨煙氣流速的提高而增大。為提高換熱能力可以提高煙氣側(cè)流速，但是必須以不妨礙換熱器的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性為前提。當(dāng)煙氣流速過高時(shí)，換熱管排布比較稀疏，管間流通面積大，達(dá)到同樣的換熱能力時(shí)制造成本升高；流速過低時(shí)，傳熱系數(shù)下降，需要的換熱面積增加，同樣會(huì)提高制造成本。經(jīng)測試，換熱器經(jīng)濟(jì)煙氣流速為6～10m/s。

非金屬煙氣凈化換熱器，經(jīng)冷凝換熱可吸收煙氣中飽和水蒸氣的潛熱，蒸汽凝結(jié)成水膜附著在換熱器表面，同時(shí)可以吸收和黏附煙氣中的粉塵，對煙氣起到凈化作用，降低粉塵排放，由于大量酸液凝結(jié)排放，可減輕對煙囪的腐蝕和結(jié)露。本試驗(yàn)采用自動(dòng)等速采樣裝置對煙塵進(jìn)行采樣，經(jīng)過干燥處理后采用質(zhì)量法對煙氣粉塵濃度進(jìn)行測量，以此檢驗(yàn)非金屬煙氣凈化換熱器的除塵效果。具體測試數(shù)據(jù)見表2～表4。

表2 20000m3/h煙氣風(fēng)量對應(yīng)的除塵效率

表3 27000m3/h煙氣風(fēng)量對應(yīng)的除塵效率

表4 33300m3/h煙氣風(fēng)量對應(yīng)的除塵效率

3 結(jié)語

通過非金屬煙氣凈化換熱器對電廠中低溫?zé)煔獾挠酂崽崛　艋凉襁M(jìn)行了試驗(yàn)測試，通過測試得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 換熱器管束布置對換熱效果也有顯著影響，錯(cuò)排與順排布置的換熱效果差別較大，工程設(shè)計(jì)上推薦使用錯(cuò)排布置。

(2) 非金屬煙氣凈化換熱器應(yīng)用于低溫?zé)煔庥酂崽崛〖皟艋瘯r(shí)，傳熱系數(shù)隨著煙氣流速的增大而提高，換熱器冷凝傳熱系數(shù)可達(dá)170～190W/(m2·K)，換熱性能穩(wěn)定。

(3) 換熱器設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，換熱管排布必須考慮煙氣流速的合理性、經(jīng)濟(jì)性，本試驗(yàn)通過測試得到換熱器的經(jīng)濟(jì)流速為6～10m/s。

(4) 低溫?zé)煔饨?jīng)過非金屬煙氣凈化換熱器后，在換熱管束外部冷凝液的帶動(dòng)下，部分煙塵顆粒被沖擊流出煙道，減少了大氣污染，設(shè)備除塵效率可達(dá)77%，除塵效果良好。

本試驗(yàn)對非金屬煙氣凈化換熱器在電廠煙道中的換熱效果及除塵性能進(jìn)行了跟蹤測試，得出了在低溫?zé)煔猸h(huán)境下的傳熱系數(shù)和除塵效率，同時(shí)針對不同的煙氣風(fēng)量、管束布置等進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明非金屬煙氣凈化換熱器可推廣應(yīng)用于煙氣余熱利用、煙氣除塵領(lǐng)域。

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì), 美國環(huán)保協(xié)會(huì). 中國燃煤電廠大氣污染物控制現(xiàn)狀[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[2] 趙永鎬, 趙煒, 陳國龍. 高效、節(jié)能、環(huán)保型聚四氟乙烯加熱器(反應(yīng)釜內(nèi)專用)[J]. 有機(jī)氟工業(yè), 2010(2): 8-12.

[3] 王春芬, 虞斌, 涂善東. 聚四氟乙烯及其改性復(fù)合材料在換熱器中應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備, 2005, 34(3): 41-45.

[4] 李成龍, 王成端, 蔡世濤. PTFE管在生活污水中的換熱特性研究[J]. 廣州化工, 2010, 38(4): 104-107.

[5] 賈力, 陳鐵兵, 孫金棟. PTFE塑料空氣預(yù)熱器的傳熱分析[J]. 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 1999, 15(3): 1-7.

[6] 孫金棟, 魯國麗, 賈力. 新型煙氣冷凝節(jié)能與脫硫裝置研究[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2002, 3(8): 79-82.

[7] 崔永章, 錢申賢. 翅片換熱器中天然氣煙氣的冷凝傳熱[J]. 山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 15(2): 41-45.

[8] 笪耀東, 車德福, 莊正寧, 等. 高水分煙氣對流冷凝換熱模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)鍋爐, 2003(1): 12-15, 34.

[9] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

Research on Heat Transfer and Dust Removal Performance of Non-metallic Flue Gas Purification Heat Exchangers

Xu Xianggen

(Yantai Longyuan Heat-exchange Equipment Co., Ltd., Yantai 264006, Shandong Province, China)

To solve the problems existing in power plants, such as excess emission of flue dust, waste of residual heat in flue gas and corrosion of metallic heat exchanger in flue duct, etc., an experimental system and a non-metallic (PTFE) flue gas purification heat exchanger were developed, which were put into the flue duct behind the desulphurization tower to perform relevant tests. Calculation results based on measured temperatures and pressures before and after the heat exchanger show that its condensation heat transfer coefficient can get up to 170～190W/(m2·K), proving the non-metallic flue gas purification heat exchanger to have high heat transfer and dust removal performance, which may be spread in the field of flue gas waste heat utilization and dust removal.

non-metallic flue gas purification heat exchanger; PTFE; dust removal; waste heat utilization

2016-04-28

徐祥根(1972—)，男，工程師，主要從事熱泵開發(fā)、分布式能源開發(fā)、非金屬煙氣凈化換熱器及省煤器開發(fā)工作。

E-mail: xxg@ytlyhr.com.cn

TK172

A

1671-086X(2016)06-0386-03