一種高效除濕燃氣鍋爐尾氣處理裝置的模擬分析

林真國孫鐵林杰喻鴻李文靜

1重慶大學城市建設與環境工程學院 2重慶熱宜節能有限公司

目前，我國提倡使用清潔能源，減少對環境的污染。天然氣以其高效、節能、污染小的優勢在我國能源結構中的比重持續增高[1-2]。隨著煤改氣政策的推行，我國工業企業污染物排放量與去年同期相比下降10%左右[3]，但北方城市冬季霧霾現象嚴重。相關文獻資料認為燃氣鍋爐尾氣中含有的大量水蒸氣，是促進霧霾形成的原因之一。當鍋爐尾氣被直接排放，會使局部空氣中的水蒸氣達到飽和狀態，析出細小的水滴漂浮在空氣中并與空氣中的顆粒物相結合，為霧霾形成提供基礎[4-5]。

目前，對于燃氣鍋爐尾氣處理的研究方向主要集中在鍋爐尾氣余熱回收方面，包括傳統的板式換熱，熱管換熱，冷凝換熱技術等[6-8]，對燃氣鍋爐尾氣中的水蒸氣處理涉及較少。所以，本文在研究團隊前期研發的新型鍋爐尾氣處理裝置的基礎上，通過CFD模擬軟件，模擬鍋爐尾氣在該裝置中的溫度變化，探討該裝置的除濕效果及影響除濕效果的相關因素。

1 裝置結構及原理

基于研究團隊對燃氣鍋爐尾氣的相關研究[9-11]，改變傳統的煙囪排煙的形式，將燃氣鍋爐排煙通過煙道引入煙氣處理裝置中，利用其內部結構對煙氣進行處理，降低污染物和水蒸氣含量，裝置內部結構如圖1。

圖1 裝置結構示意圖

該裝置底部為煙氣進口，煙氣進入換熱段，經過熱管換熱器余熱回收，煙氣溫度由160℃降低到110℃附近[12]，隨后排出換熱段。該裝置周圍安裝8個軸流風機向內部送風，室外空氣與煙氣在“云塔”底部混合后向上排出，經過擋煙板組成的通道后由頂部四周排煙口排出。擋煙板為3 mm厚鍍鋅鋼板，外表面安裝60 mm厚合成纖維過濾棉，利用碰撞吸附的原理凈化煙氣中的粉塵（如PM 2.5～PM5.0）。煙氣流通的過程中既與室外冷空氣混合降溫，又通過外表面傳熱降溫后達到水蒸氣飽和分壓力，煙氣中的水蒸氣凝結析出。凝結后的水會對煙氣中的固體顆粒物、硫化物、氮氧化合物等污染物有吸收作用，強化對煙氣的凈化效果。

2 模擬內容及理論計算

本模擬主要研究裝置中煙氣的溫度變化能否使水蒸氣凝結析出并根據模擬裝置中煙氣溫度高低及分布情況，判斷該裝置能否達到預計的除濕效果。

由于煙氣是混合氣體，沒有固定的物性參數，無法得知其準確的露點溫度，所以只能通過煙氣中水蒸氣的分壓力是否達到該溫度下飽和水蒸氣的絕對壓強來判斷煙氣是否發生冷凝過程。

水蒸氣的絕對壓強與溫度的關系可參考Antoine公式[13-15]表示如下：

式中：P為水蒸氣的絕對壓強，mmHg；t0為水蒸氣的溫度，K。

水蒸氣的絕對分壓力與水蒸氣和煙氣的組分之比有關：

式中：P1、P2為混合煙氣中水蒸氣的絕對分壓力、煙氣的絕對壓力，kPa；m1、m2為混合煙氣中水蒸氣的質量、混合煙氣的質量，kg；M1、M2為水蒸氣的摩爾質量、混合煙氣的摩爾質量，g/mol。

要使混合煙氣中的水蒸氣凝結，需要使其分壓力大于該溫度下飽和水蒸氣絕對壓力，即p1＞p。

排出混合煙氣的含濕量計算公式如下：

式中：d為含濕量，g/kg；m3為排出的水蒸氣質量，kg。排出煙氣中的水蒸氣質量計算公式如下：

式中：P3為排出混合煙氣溫度下飽和水蒸氣的絕對壓強，kPa。

3 模擬工況及模擬驗證

3.1 模擬工況

本文模擬共3組工況，主要研究其近內壁面煙氣溫度、擋板附近煙氣溫度及裝置出口處煙氣溫度。

模擬一：該裝置用于新疆烏魯木齊，冬季12月份平均氣溫-9℃，鍋爐尾氣量為2800 m3/h，尾氣經余熱回收后溫度為110℃，引入室外空氣量為2000 m3/h。該工況為測試時實際工況，用以驗證模型的正確性。

模擬二：室外溫度設定為 -2℃、-5℃、-9℃、-12℃、-15℃。該工況用以研究不同室外溫度下對該裝置除濕效果的影響，確定該裝置有除濕效果的室外環境溫度范圍。

模擬三：室外空氣引入量為4400 m3/h、4000 m3/h、3600 m3/h、3200 m3/h、2800 m3/h、2400 m3/h、2000 m3/h、1600 m3/h和1200 m3/h。該工況用以研究不同引風量對該裝置除濕效果的影響，確定理論最優引風量。

3.2 模擬驗證

工況一出口模擬溫度：四個出口以流通量加權平均溫度分別為39.7℃、40.5℃、41.1℃、40.6℃，總平均溫度40.5℃。

根據模擬溫度 40.5 ℃及式（1）～（4），計算煙氣出口含濕量為46.4 g/kg，除濕量40.23 kg/h，除濕效率14.6%。

在壁面中心位置距壁面0.03 m處取豎直方向直線，高度從0 m到4.8 m如圖2，從點A到點B均分100個點，其溫度曲線如圖3所示。

圖2 裝置模型示意圖

圖3 近壁面溫度延豎直高度溫度分布

圖4 煙氣擋板附近平面溫度低于43℃區域

由圖3可以看出隨著高度的升高越接近出口，近壁面溫度逐漸降低。由式（1）、（2）可得，當溫度低于43℃時，飽和水蒸氣絕對壓強低于計算飽和壓強，能實現煙氣中的水蒸氣冷凝。圖3中0.55 m處是底部進風口高度，處于室外冷空氣引入段，溫度近似等于室外溫度，0.55 m以上煙氣開始與空氣混合，溫度趨于平穩。在高度2.4 m、3.1 m、3.8 m處為三個擋板附近，擋板上部空氣流動較弱，溫度相對較低，擋板下部匯集高溫煙氣流動溫度較高，所以在擋板附近隨高度變化，溫度呈陡降趨勢。

由于高溫煙氣因浮升力多集中于擋板下部，不易產生水蒸氣冷凝，所以取擋板上部0.1 m處的水平面為研究區域，其中溫度低于43℃的區域如圖4所示。

可以看出，一層擋板上部區域只有靠近壁面的地方溫度才能達到冷凝溫度，且溫度較高，二層擋板上部部分區域同樣具有實現水蒸氣冷凝的條件，且溫度比第一層區域低。三層擋板上部區域，基本可實現水蒸氣的冷凝。

測試條件：室外溫度-9℃，鍋爐全負荷運行，運行穩定后進行測試。

測試結果：四個出口測點平均溫度為：52℃，44℃，49℃和45℃，總平均47.5℃。相對濕度分別為82%，87%，94%和72%。

該測試結果與工況一模擬結果近似，可認為模擬具有可信性，該裝置可實現對燃氣鍋爐尾氣的除濕處理。

4 裝置除濕效果模擬及分析

4.1 工況二模擬結果分析

隨著室外溫度的變化，煙氣出口溫度和裝置的除濕量也隨之變化，分別如圖5，圖6所示。

圖5 室外溫度與煙氣出口溫度曲線圖

由模擬結果可得，當室外溫度為-5℃以下時，該裝置才具有一定的除濕能力，而烏魯木齊地區12月、1月和2月最高氣溫均低于-5℃。而且隨著室外溫度的降低，出口溫度也在降低，除濕量不斷增大。

圖6 室外溫度與計算除濕量曲線圖

4.2 工況三模擬結果分析

隨著引入空氣量的增大，出口煙氣溫度不斷降低，如圖7；裝置計算除濕量也在不斷增大，在引風量為4000 m3/h附近達到最大除濕量，如圖8。

圖7 引風量與煙氣出口溫度曲線圖

圖8 引風量與計算除濕量曲線圖

分析原因：隨著引入空氣量增大，組分變化所引起的分壓力降低的幅度要比由溫度降低所引起的飽和分壓力降低幅度小。組分分壓力降低近似線性變化，而飽和蒸氣壓分壓力變化呈指數變化，所以隨著引入空氣量不斷增大，除濕量應呈現先增大后減小的趨勢。但過大的引風量意味著較高的初投資，且容易造成煙氣的回流狀態，不利于鍋爐排煙。

5 結論及展望

根據模擬及計算，對3種不同工況實驗組進行分析，得到以下結論：

1）該裝置在室外溫度-5℃以下有較好的除濕效果，壁面和擋板附近均達到水蒸氣冷凝所需的溫度要求。冬季在新疆烏魯木齊地區，該裝置能實現對煙氣的除濕效果。

2）隨著室外溫度的降低，裝置壁面傳熱溫差增大，傳熱效果增強，出口煙氣溫度隨之降低，除濕量增加。

3）隨著引入室外空氣量的增大，出口煙氣溫度降低，裝置的除濕量增大。當引入空氣量與煙氣量比值在1.4～1.6時，該裝置的除濕量將達到最大，除濕效率約48%。但風量越大，成本越高，需要根據工程實際情況選擇。