用于燃煤煙氣除濕消白的濕電平板降膜模擬及試驗研究

張昊，董勇，賴艷華，崔琳，楊瀟

（山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061）

引 言

火力發(fā)電仍然是目前世界上最主要的發(fā)電形式，如何提高煤電機(jī)組的燃煤利用率，降低發(fā)電煤耗，對于節(jié)能減排工作意義重大。在中國，許多燃煤電廠建于極度缺水的西部地區(qū)，作為工業(yè)用水大戶，燃煤電廠水分的回收及循環(huán)利用有利于緩解用水緊張的局面，降低水耗。

目前燃煤電廠大多采用濕法脫硫工藝(WFGD)處理煙氣，經(jīng)過脫硫漿液洗滌后的煙氣成為50℃、相對濕度100%的飽和狀態(tài)[1]。據(jù)計算，300 MW 機(jī)組排放的煙氣中，水蒸氣含量超過85 t/h[2]，煙氣的直接排放，不僅會造成水熱損失，還會在煙囪出口形成濃烈“白煙”，對視覺效果及周圍環(huán)境均造成不良影響。許多學(xué)者對于脫硫后煙氣提出了不同的水熱回收方法，包括煙氣冷卻[3-6]、陶瓷膜選擇性滲透[7-12]以及干燥劑溶液除濕等，其中溶液除濕方法具有水熱回收潛力大、煙氣過熱程度高、擴(kuò)散能力強(qiáng)等優(yōu)勢，取得了廣泛關(guān)注。溶液除濕最早應(yīng)用于空氣除濕領(lǐng)域，通過溶液與煙氣之間的水蒸氣分壓力差驅(qū)動水分完成轉(zhuǎn)移[13-17]，目前針對溶液除濕的研究集中于生物質(zhì)鍋爐以及燃?xì)忮仩t。

Westerlund 等[18]將兩級開式吸收式熱泵系統(tǒng)與生物質(zhì)鍋爐相結(jié)合，當(dāng)燃用高水分燃料時，機(jī)組供熱能力提高近40%。Wang 等[19-20]利用除濕溶液回收燃?xì)忮仩t中的水分及潛熱，測試了不同燃料下的水、熱回收率，隨即對循環(huán)溶液再生比例進(jìn)行了調(diào)整，使得改造后的系統(tǒng)水、熱回收率分別提高了5.1%～41.4% 及3.0%～23.8%。 Yang 等[21-22]采 用CaCl2為除濕溶液，提出了一種全熱回收系統(tǒng)，測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)最高COP 可達(dá)1.621，出口煙氣露點溫度低至36.2℃，其水熱回收性能相對于冷凝換熱工藝提高19.7%～178.1%。呂揚(yáng)等[23]建立了管式溶液降膜除濕試驗平臺，測試了CaCl2溶液參數(shù)、煙氣參數(shù)、液氣比以及傳質(zhì)面積對除濕性能的影響，并在相同工況下與冷凝除濕進(jìn)行了對比，針對試驗結(jié)果提出了除濕效率相對于上述參數(shù)的關(guān)聯(lián)式。

與燃?xì)忮仩t相比，燃煤鍋爐尾部煙氣量大、溫度低，凈化流程較為冗雜，其水熱回收利用對設(shè)備集成度提出了較高要求。已有相關(guān)的理論分析及試驗證明，溶液除濕不僅水熱回收潛力巨大，處理后的煙氣由于存在一定的過熱度，擴(kuò)散能力增強(qiáng)，因而有利于煙囪出口白煙現(xiàn)象的消除[23-26]。目前燃煤電廠大多設(shè)置濕式靜電除塵器（WESP）處理脫硫后煙氣中的灰塵及液滴等，其工作原理是高壓線放電使灰塵荷電并轉(zhuǎn)移到極板上，通過平板清水布膜以及沖洗的方式將灰塵脫除。經(jīng)此處理后的煙氣仍然為飽和狀態(tài)[27]，其中的水分及汽化潛熱未得到有效回收利用，若直接排放依舊會形成白煙。基于溶液除濕，本文提出了一種集成度高的濕電系統(tǒng)，將除濕溶液（CaCl2）布膜于極板上，從而同時進(jìn)行灰塵沖洗以及煙氣除濕。基于以上分析，本文建立了濕電平板布膜溶液除濕數(shù)學(xué)模型，并對現(xiàn)場濕電除塵器進(jìn)行了改造，探究了不同溶液及煙氣參數(shù)對系統(tǒng)水熱回收性能的影響，對除濕后的煙氣進(jìn)行了白煙消除效果的比較。

1 濕電平板降膜溶液除濕模型

平板降膜溶液除濕模型與試驗所用濕電除塵器相對應(yīng)，除濕溶液在重力作用下沿平板內(nèi)側(cè)均勻流動，煙氣自下而上逆向流動，在與溶液接觸的過程中完成熱質(zhì)轉(zhuǎn)移過程。圖1 展現(xiàn)了煙氣與溶液的流動過程，截取平板某一截面，將原對稱軸看作光滑絕熱壁面，可以將該過程簡化為一維模型。

圖1 濕電平板降膜除濕過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of dehumidification process of falling-film plate in WESP

為簡化數(shù)學(xué)模型，基于以下假設(shè)條件建立控制方程：

（1）該過程為絕熱除濕過程，煙氣及溶液與外界環(huán)境之間不存在熱質(zhì)交換現(xiàn)象；

（2）該過程為穩(wěn)態(tài)的熱質(zhì)交換過程，煙氣及溶液的物性參數(shù)（熱導(dǎo)率、黏度系數(shù)、密度、擴(kuò)散系數(shù)、比熱容）為常數(shù)；

（3）不考慮溶液稀釋熱；

（4）氣液界面處于平衡狀態(tài)；

（5）忽略軸向的熱質(zhì)擴(kuò)散，僅考慮橫向的熱質(zhì)傳遞；

（6）不考慮煙氣中酸性氣體如SO2對溶液吸收過程的影響。

質(zhì)量守恒方程為：

對于除濕溶液，組分守恒方程為：

取微元體dL，微元體能量守恒方程為：

微元體質(zhì)量守恒方程為：

引入無量綱參數(shù)Le以及NTU：

可得：

其中，α 為對流傳熱系數(shù)，k 為對流傳質(zhì)系數(shù)，we為與溶液狀態(tài)相平衡時的煙氣含濕量，he為與溶液狀態(tài)相平衡時的煙氣比焓。

2 濕電平板降膜除濕試驗系統(tǒng)

試驗所用濕電除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，內(nèi)部平行設(shè)置有八塊極板，每兩個極板間隔200 mm，之間設(shè)置有噴嘴，噴射角度為90 度，可以保證噴嘴兩側(cè)極板均勻布置液膜。

表1 濕式靜電除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of WESP

圖2 為濕電除塵除濕系統(tǒng)及測點分布示意圖，在沖洗水管路處添加一個溶液支路，安裝配套的溶液箱、溶液泵、流量計以及閥門，其目的在于保留濕電清水沖洗功能。考慮到溶液的除濕性能以及經(jīng)濟(jì)性，采用CaCl2作為除濕溶液[28]。為了檢驗除濕溶液對于濕電除塵效果的影響，分別測量并計算了溶液及清水沖洗的除塵效率。試驗過程中典型的煙氣成分組成以及測量儀器的精度和量程如表2、表3所示。

圖2 濕電平板降膜除濕系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of dehumidification system of falling-film plate in WESP

表2 濕電平板降膜試驗煙氣組分（50℃，相對濕度100%）Table 2 The composition of flue gas in dehumidification system of falling-film plate in WESP（t=50℃，RH=100%）

3 模擬及試驗數(shù)據(jù)分析

在本文中，通過數(shù)值模擬與試驗，分別探究了不同煙氣溫度、煙氣Reynolds數(shù)、溶液溫度及濃度對系統(tǒng)性能的影響。水回收率以及熱回收率用來評價系統(tǒng)水熱回收性能，同時比較了系統(tǒng)除濕過程中不同參數(shù)下的熱量變化情況。最后針對試驗結(jié)果，擬合出該系統(tǒng)在不同煙氣及溶液進(jìn)口參數(shù)下的傳質(zhì)系數(shù)試驗關(guān)聯(lián)式。

水回收率：

煙氣熱量變化：

溶液熱量變化：

熱回收率：

傳質(zhì)系數(shù)：

其中，

Δwmax與Δwmin分別為煙氣含濕量與溶液等效含濕量之差的最大值及最小值。

濕電除塵除濕試驗及模擬參數(shù)如表4所示。

3.1 模型驗證

在對系統(tǒng)性能進(jìn)行詳細(xì)分析前，首先以多組不同工況下的試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗證。如圖3 所示，試驗水回收與模擬水回收率之間的誤差基本上都在10%以內(nèi)，證明該模型與試驗的擬合度良好，能夠比較準(zhǔn)確地反映濕電平板降膜溶液除濕過程。

圖3 試驗及模擬水回收率比較Fig.3 Comparison between simulated and experimental water recovery efficiency

3.2 煙氣溫度及Reynolds數(shù)的影響

當(dāng)溶液溫度40℃、濃度40%、流量2.5 m3/h 時，煙氣溫度及Reynolds 數(shù)對系統(tǒng)水、熱回收率的影響如圖4、圖5 所示。隨著煙氣溫度由40℃上升到60℃，水、熱回收率均以一個逐漸減緩的趨勢增加，其中最大水回收率由27.4%增長到了37.8%，最大熱回收率由22.4%增加到35.1%。這是因為當(dāng)溶液溫度及濃度不變時，煙氣溫度的增加一方面增強(qiáng)了煙氣與溶液之間的顯熱交換，另一方面提高了煙氣水蒸氣分壓力從而增強(qiáng)了傳質(zhì)驅(qū)動力，促進(jìn)了更多的水分回收。由于除濕過程的熱質(zhì)耦合效應(yīng)，系統(tǒng)的水、熱回收率隨煙氣溫度呈現(xiàn)出相同的趨勢。但是過高的煙氣溫度不利于提高煙氣過熱度，因為此時煙氣與溶液之間的傳熱傳質(zhì)絕大部分由溫差驅(qū)動，溶液除濕效果接近煙氣冷凝，煙氣仍然維持飽和狀態(tài)。

表3 濕電平板降膜試驗測量設(shè)備Table 3 Specification of different measuring devices in dehumidification system

表4 濕電除濕模擬及試驗參數(shù)Table 4 Simulation and test parameters of solution dehumidification in WESP

圖4 煙氣溫度及Reynolds數(shù)對水回收率的影響Fig.4 Effect of the inlet flue gas temperature and Re on water recovery efficiency

圖5 煙氣溫度及Reynolds數(shù)對熱回收率的影響Fig.5 Effect of the inlet flue gas temperature and Re on thermal recovery efficiency

煙氣Reynolds 數(shù)代表了煙氣內(nèi)部的紊流程度。圖4、圖5 顯示出系統(tǒng)的水、熱回收率均隨煙氣Reynolds 數(shù)的增加而降低，這是因為煙氣流速的增加導(dǎo)致煙氣與溶液之間接觸時間縮短，傳熱傳質(zhì)過程沒有充分進(jìn)行，水分吸收量降低，釋放潛熱量減少。

3.3 溶液溫度及濃度的影響

在本工況中，溶液流量2.5 m3/h，煙氣溫度50℃，Reynolds 數(shù)3467。由圖6、圖7 可得，隨著溶液溫度的增加，水、熱回收率均呈現(xiàn)出下降的趨勢。溶液溫度對系統(tǒng)性能的影響有兩方面，首先由于入口溶液溫度是低于煙氣的，所以溶液溫度的增加削弱了溶液與煙氣之間的顯熱傳遞，從而降低了煙氣的熱回收率。另一方面，溶液溫度增加，其表面蒸氣壓上升，與煙氣之間的蒸氣壓差減小，從而削弱了傳質(zhì)驅(qū)動力，降低了水分以及潛熱的回收。

圖6 溶液溫度及濃度對水回收率的影響Fig.6 Effect of the solution temperature and concentration on water recovery efficiency

圖7 溶液溫度及濃度對熱回收率的影響Fig.7 Effect of the solution temperature and concentration on thermal recovery efficiency

而隨著溶液濃度的增加，系統(tǒng)水、熱回收率均增加，其同樣是通過影響蒸氣壓差來作用于水熱回收的。溶液表面蒸氣壓隨溶液濃度的增加而降低，從而增強(qiáng)了傳質(zhì)驅(qū)動力，強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)效果。需要注意的，高濃度的溶液會增加其結(jié)晶的風(fēng)險，在模擬工況中，50%的溶液在溫度低于37.5℃時就會出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。

3.4 系統(tǒng)熱量變化分析

圖8分析了不同煙氣及溶液參數(shù)對系統(tǒng)熱量變化的影響。與水、熱回收率的變化一致，系統(tǒng)潛熱回收量與煙氣溫度及溶液濃度的變化呈正相關(guān)，與溶液溫度的變化呈負(fù)相關(guān)。而對于煙氣Reynolds數(shù)，由于與質(zhì)量流量有關(guān)，所以盡管其不利于熱回收率，但是有利于潛熱回收量的提高。值得注意的是，在圖8(a)、(c)中，當(dāng)煙氣與溶液溫度相同時，由于兩個介質(zhì)之間巨大的熱導(dǎo)率的差異，水蒸氣的汽化潛熱絕大部分進(jìn)入溶液。

3.5 傳質(zhì)系數(shù)試驗關(guān)聯(lián)式

根據(jù)前面試驗及模擬數(shù)據(jù)的分析，得到了不同煙氣及溶液參數(shù)對濕電平板降膜性能的影響。此處根據(jù)試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建了適用于該系統(tǒng)的傳質(zhì)系數(shù)，其參數(shù)范圍參考表4。利用Matlab 多元線性回歸處理，得到以煙氣溫度、煙氣含濕量、溶液溫度、溶液濃度、液氣比為變量的多元線性回歸模型，關(guān)聯(lián)式如下所示：

擬合關(guān)聯(lián)式的相關(guān)系數(shù)為0.9272，證明其與試驗結(jié)果吻合較好。由關(guān)聯(lián)式得知，煙氣含濕量、溶液溫度、溶液濃度、液氣比均對k 有正向影響，煙氣溫度對k有反向影響。液氣比對傳質(zhì)系數(shù)的影響很小，這也符合平板降膜的特點。

4 濕電平板降膜對除塵效率的影響

對幾組試驗中的出口煙氣進(jìn)行采樣分析，測試其進(jìn)出口粉塵含量，并與清水沖洗對照組進(jìn)行比較，結(jié)果如表5所示。

表5中，第一組試驗為清水沖洗對照試驗，沖洗水為32℃的電廠工藝水，其除塵效率可達(dá)91.8%。2～4 組分別為不同工況下的濕電溶液平板布膜除塵，可以看出，當(dāng)沖洗水替換成CaCl2溶液后，對濕電除塵器的除塵性能影響不大，出口煙氣粉塵含量基本都低于5 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，其粉塵脫除率均維持在90%以上。

圖8 不同參數(shù)下系統(tǒng)熱量變化Fig.8 Effect of the different parameters on heat variation

表5 濕電平板降膜除塵效率Table 5 Dust removal efficiency of falling-film plate dehumidification in WESP

5 濕電平板降膜對白煙消除的影響

脫硫后的煙氣維持相對濕度100%的飽和狀態(tài)，當(dāng)由煙囪排向環(huán)境時，由于溫差的存在，煙氣中的水蒸氣液化形成小水滴，在光照折射效果下會形成濃厚的白煙。白煙的形成與大氣環(huán)境、煙氣溫濕度緊密相關(guān)，其根本原因是飽和煙氣中水蒸氣的冷凝液化[29-32]。

溶液除濕相對于煙氣冷凝，可以將煙氣處理至未飽和狀態(tài)，除濕后的煙氣存在一定的過熱度，從而在一定程度上緩解甚至避免煙囪出口白煙現(xiàn)象的發(fā)生。如圖9 所示，A 點為濕法脫硫后的煙氣狀態(tài)點，B 點為試驗當(dāng)天環(huán)境溫濕度（溫度15.2℃，含濕量5.9 g/kg），A、B 連線與100%飽和線相交，即會形成白煙。而C 點為環(huán)境點B 相對于飽和線的切線交點，B-C 切線左側(cè)陰影部分為白煙完全消除的區(qū)域。

圖9 煙氣出口狀態(tài)在溫濕圖上的表示Fig.9 Representation of outlet flue gas status on enthalpy wet figure

將本次試驗中所有煙氣出口狀態(tài)點在圖9中表示可得，溶液除濕處理后的煙氣皆存在一定的過熱度，大多數(shù)煙氣出口狀態(tài)點位于B-C 切線附近，少量出口狀態(tài)點位于完全消白區(qū)。圖10 選取了濕電平板降膜除濕系統(tǒng)關(guān)閉以及開啟后不同工況下的白煙現(xiàn)象，圖10(a)、(b)、(c)分別反映了無消白、削弱白煙、完全消白三種情況。可以看到，當(dāng)濕電除濕系統(tǒng)關(guān)閉時，煙囪出口白煙現(xiàn)象比較明顯；而在除濕效率27.8%時，出口煙氣溫度45.8℃，含濕量55.2 g/kg，煙囪出口白煙變得比較稀薄；當(dāng)除濕效率達(dá)到34.5%、出口煙氣溫度41℃、含濕量39.6 g/kg 時，煙囪出口幾乎沒有白煙的發(fā)生。

6 結(jié) 論

本文針對燃煤電廠濕法脫硫后的煙氣直排造成的水熱資源浪費以及白煙問題，提出了一種溶液除濕與濕電除塵相結(jié)合的工藝，并對濕電平板降膜除濕過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗研究，得到如下結(jié)論。

（1）濕電平板降膜數(shù)學(xué)模型得到的數(shù)據(jù)與試驗得到的數(shù)據(jù)誤差基本控制在10%以內(nèi)，證明該模型適用于濕電平板降膜溶液除濕過程。

（2）煙氣溫度和溶液濃度的提高有利于系統(tǒng)水、熱回收率，煙氣Reynolds數(shù)及溶液溫度的提高不利于系統(tǒng)水、熱回收率。在試驗工況下，最大水、熱回收率分別達(dá)到37.5%和35%。

（3）當(dāng)煙氣溫度高于除濕溶液時，溶液吸收的熱量大部分來源于水蒸氣的汽化潛熱，少部分來自煙氣的顯熱，而當(dāng)煙氣與溶液溫度相同時，由于比熱容的差異，汽化潛熱大部分進(jìn)入溶液，造成其溫度明顯上升。

（4）測試結(jié)果證明，濕電平板降膜除濕對于其除塵效果幾乎沒有影響。通過焓濕圖關(guān)于煙氣消白區(qū)域的分析，經(jīng)過溶液除濕后的煙氣均存在一定的過熱度，部分狀態(tài)點處于完全消白區(qū)域。通過可視性比較證明，濕電平板降膜除濕能夠削弱甚至消除煙囪出口白煙現(xiàn)象。

圖10 不同工況下煙囪出口白煙情況Fig.10 The visualization of white smoke under different working conditions

符 號 說 明

A——氣液接觸面積,m2

cp——比定壓熱容,J/(kg·K)

H——平板高度,m

h——比焓,kJ/kg

k——傳質(zhì)系數(shù),g/(m2·s)

L——微元體高度,m

m——質(zhì)量流量,kg/s

Q——熱量,kJ

r——汽化潛熱,kJ/kg

t——溫度,℃

w——含濕量,g/kg

X——溶液濃度,%

α——對流傳熱系數(shù),W/(m·K)

ζ——熱回收率,%

η——水回收率,%

下角標(biāo)

e——溶液與煙氣的等效狀態(tài)

f——煙氣

in——入口煙氣狀態(tài)

out——出口煙氣狀態(tài)

s——溶液