基于相變凝聚傳熱的深度減排研究與應用

王 勇,馬 聰,靳 超,孔德文

(華電國際電力股份有限公司天津開發區分公司，天津 300270 )

隨著工業的快速發展，SO2、NOx和粉塵顆粒物等污染物排放量增多，超出國家標準，國家出臺多項環保措施進行治理，大氣環境形勢依然十分嚴峻，對企業的要求也越來越高。

在充分考慮國家污染防治大局的前提下，在煙氣中采取單個污染物多種方式聯合協同治理方案，脫除含硝物質工藝采用SNCR+SCR脫硝方案[1-4]，脫除含硫物質采用爐內適當位置噴鈣+爐后采取石灰石-石膏濕法脫除含硫物質的工藝[5-9]，除塵采用電袋除塵+脫硫塔高效協同脫除工藝[10-12]，機組排放指標得到提升，從而全面滿足國家及地方污染物防治要求。

結合循環流化床(Circulating Fluidized Bed ，CFB)鍋爐燃燒特性，分析煤質成分、環境溫度、環境相對濕度等因素對石灰石-石膏濕法脫硫后煙氣溫度(簡稱煙溫)的影響。通過煙氣冷凝器(Flue Gas Condenser， FGC)表面相變凝聚傳熱以達到降低可凝結顆粒物排放的目的。

1 吸收塔出口煙溫影響因素研究

經吸收塔噴淋后的煙氣為飽和濕煙氣或近飽和濕煙氣，在煙氣溫度降低過程中，伴隨著水蒸氣凝結，其釋放的熱量包括兩部分：一部分為物理顯熱；一部分為汽化潛熱，其中汽化潛熱占總熱量的85%～90%。

吸收塔出口煙溫一般在47～60 ℃，其決定了相變凝聚過程中的煙氣溫降及換熱量的大小，進而對設備換熱面積及工程造價有較大影響。

1.1 煤質成分的影響

定義無量綱煤質參數N=W(變化)/W(設計)，W代表Car、Har、Oar、Nar、Mt等煤質成分。圖1為收到基煤質參數設計值在70%～130%變化時，對吸收塔出口煙溫的影響。由圖1可知，隨著Mt、Har質量濃度上升，吸收塔出口煙溫上升，Mt、Har質量濃度變化與吸收塔出口煙溫近似呈線性關系，其中Mt每增加1%，吸收塔出口煙溫增加約0.21 ℃，Har每增加1%，吸收塔出口煙溫增加約1.78 ℃；隨著Car質量濃度上升，吸收塔出口煙溫近似呈指數下降；隨著Oar、Nar質量濃度上升，吸收塔出口煙溫基本不變。

圖1 煤質參數變化對吸收塔出口煙溫影響

1.2 環境溫度的影響

選用天津地區1—12月平均溫度作為設計環境溫度，吸收塔出口煙溫變化如圖2所示，其中1—7月，隨著環境溫度上升，空氣含濕量上升，吸收塔出口煙溫上升，7月環境溫度最高，吸收塔出口煙溫最高；7—12月，隨著環境溫度下降，吸收塔出口煙溫降低。

圖2 環境溫度對吸收塔出口煙溫影響

1.3 相對濕度的影響

相對濕度對吸收塔出口煙溫的影響如圖3所示。相對濕度在50%～90%，隨著環境相對濕度增加，吸收塔出口煙溫上升，二者近似呈線性關系，環境濕度每增加10%，吸收塔出口煙溫約增加0.22 ℃。

圖3 相對濕度對吸收塔出口煙溫影響

2 相變凝聚傳熱的機理與試驗研究

脫硫吸收塔中煙氣與脫硫漿液逆向接觸，脫硫漿液中水分吸收煙氣熱量變為蒸汽進入煙氣生成飽和濕煙氣或近飽和濕煙氣，濕煙氣中含有未能完全收集的微細顆粒、SO3等氣溶膠粒子及慣性攜帶的石膏漿液霧滴。采取煙氣降溫的手段，使飽和濕煙氣中水蒸氣冷凝，在冷凝過程中氣溶膠粒子等可凝結顆粒物可作為水蒸氣凝結的晶核，隨水蒸氣凝結而被脫除。

飽和濕煙氣或近飽和濕煙氣通過熱交換達到降低煙氣溫度及含濕量的目的，在熱交換過程中，FGC表面會發生相變凝聚。在實際應用過程中所發生的相變凝聚過程往往極為復雜，例如煙氣中有不凝結的成分且不凝結成分占大多數，在豎直方向上水平管可能是疊層布置，換熱面是平面板式等。在國內外研究的基礎上，提出一種飽和濕煙氣相變凝聚傳熱的基本關聯式，關聯式為努塞爾Nusselt凝結換熱計算式TNu的修正形式：T=h·TNu，其中h由試驗數據確定。

冷凝壁面通過氣相主體傳遞熱量，其總傳熱量由不發生相變的顯熱與發生物理相變的潛熱兩部分組成。冷凝液膜是蒸汽遇冷而凝結在冷凝壁面上形成的，由于不凝結氣體的存在，使其不能順利通過冷凝液膜，形成了氣-汽擴散層，蒸汽要在冷凝壁面上冷凝，唯有通過擴散和對流兩種方式穿過擴散層。主體飽和溫度由于不凝結氣體的大量存在而高于界面的飽和溫度。純蒸汽冷凝中，管內冷凝傳熱的主要熱阻就是冷凝液膜。主體混合氣和冷凝界面的傳熱阻力與界面附近不凝結氣體濃度成線性關系，隨著濃度升高而增加。氣-汽邊界層溫度梯度隨著不凝結氣體含量增多，傳熱阻力就會越來越大。因此不凝結氣體存在的條件下，冷凝傳熱系數會明顯降低。

3 結束語

在脫硫塔后凈煙道設置FGC提升吸收塔出口煙氣溫度，單臺機組可降低煙氣的含液量約 20 t，同時通過煙氣溫度和含濕量控制達到降低煙氣中可溶性鹽、硫酸霧、有機物等可凝結顆粒物的控制效果，消除石膏雨及有色煙羽等現象。