燃煤電站濕煙氣接觸式冷凝換熱計算及性能分析

王 巍，衡德峰，彭紅文，李少華，侯全輝

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120)

0 引言

我國大部分燃煤電站采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝，脫硫后煙氣通常為48～55 ℃的飽和濕煙氣，每100 g煙氣攜帶5～10 g水蒸氣，如直接排放，將造成水資源的浪費(fèi)，因此，實現(xiàn)脫硫后濕煙氣水回收對于缺水地區(qū)燃煤電站的節(jié)水意義重大。

目前，煙氣水回收有直接接觸式換熱和間接式換熱兩種工藝。其中，噴淋冷凝是最常見的直接接觸換熱，其換熱過程是典型的煙氣與水的傳熱傳質(zhì)過程。

此過程的研究始于上世紀(jì)二三十年代，Merkel[1]于1925年提出了空氣冷卻過程的基本熱質(zhì)傳遞理論，將焓差作為傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動力，為后面的理論研究奠定了基礎(chǔ)。Treybal[2]于1969年提出了描述了空氣與水傳熱傳質(zhì)過程的控制微分方程，并被后來的研究者廣泛采用，其數(shù)學(xué)模型基于反映氣液兩相傳質(zhì)過程的薄膜理論，認(rèn)為二者傳熱傳質(zhì)過程通過氣液界面進(jìn)行。

煙氣與水傳熱傳質(zhì)過程和空氣與水傳熱傳質(zhì)過程基本原理相同，其理論計算同樣遵循薄膜理論數(shù)學(xué)模型，即假設(shè)煙氣與水之間的熱質(zhì)交換是通過一層很薄的飽和煙氣層進(jìn)行的，緊貼水滴的煙氣薄膜層是靜止的，傳質(zhì)過程以分子擴(kuò)散形式通過這一薄層，對流傳質(zhì)的全部阻力都集中在這一薄層內(nèi)。這個換熱過程包含著流體的熱量和質(zhì)量傳遞過程，兩個過程彼此相關(guān)，并滿足路易斯準(zhǔn)則，即：傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)之間保持著一定的量值關(guān)系，當(dāng)條件變化時，可使這兩個系數(shù)中的一個隨著另一個的變化而相應(yīng)變化[3]。

劉華[4-5]研究了煙氣與水表面之間的熱質(zhì)交換基本方程，分析了各種因素對接觸式煙氣水處理過程熱質(zhì)交換性能的影響，并將煙氣—水熱濕傳遞方程在一定條件下簡化求得近似解。

本文通過對煙氣接觸式換熱的機(jī)理分析，提出適合濕煙氣接觸式噴淋換熱的基礎(chǔ)計算方法，并分析影響其換熱效率的各種影響因素，為冷凝噴淋塔的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 濕煙氣接觸式噴淋換熱計算方法

式(9)表明，換熱效率E的影響因素主要有水氣比L/G、換熱高度H、液滴粒徑rw、煙氣流速vs、煙氣入口溫度ts1、噴淋水入口水溫tw1。

2 換熱效率影響因素

2.1 水氣比L/G

如圖1所示，相同液滴粒徑下，水氣比越大，換熱效率越高，并逐步趨近于1。當(dāng)水氣比小于3時，換熱效率下降明顯。而相同水氣比下，霧化的液滴粒徑越小，換熱效率越高。

圖1 水氣比L/G對換熱效率E的影響

2.2 換熱高度H

如圖2所示，換熱高度越高，煙氣與液滴的接觸時間越長，換熱效率越高。當(dāng)換熱高度小于4 m時，換熱效率下降明顯。而相同換熱高度下，霧化的液滴粒徑越小，換熱效率也越高。

圖2 換熱高度H對換熱效率E的影響

2.3 液滴粒徑rw

如圖3所示，液滴粒徑對于換熱效率影響較大，粒徑越小，液滴與煙氣接觸面積越大，換熱越充分，換熱效率快速提高。但要求的液滴粒徑越小，噴嘴霧化所消耗的能量也越大。當(dāng)液滴粒徑大于1.5×10-3m時，換熱效率處于較低的水平。

圖3 液滴粒徑rw對換熱效率E的影響

2.4 煙氣流速vs

如圖4所示，煙氣流速對換熱效率影響較小。冷凝塔內(nèi)的煙氣流速主要受除霧器除霧效果和冷凝塔投資、運(yùn)行成本影響。煙氣流速越高，冷凝塔成本越低，但系統(tǒng)阻力越高，除霧器除霧效果變差。因此，冷凝塔煙氣流速的選取應(yīng)綜合考慮冷凝塔投資、運(yùn)行成本以及排放霧滴要求等。

圖4 煙氣流速vs對換熱效率E的影響

2.5 煙氣入口溫度ts1

如圖5所示，在其他條件不變的情況下，濕煙氣入口溫度在一定范圍內(nèi)對換熱效率影響較小。而影響煙氣入口溫度的因素主要有燃煤煤質(zhì)、機(jī)組負(fù)荷等。

圖5 煙氣入口溫度ts1對換熱效率E的影響

此外，煙氣入口溫度對回收水量影響較大，如圖6所示，回收水量隨著煙氣入口溫度的升高明顯增加，這主要是因為煙氣入口溫度越高，濕煙氣水蒸氣分壓越大，相同煙氣量情況下，煙氣水蒸氣含量越大，與液滴接觸后越容易凝結(jié)，這也是褐煤鍋爐脫硫后濕煙氣比煙煤更容易回收水的原因。

圖6 煙氣入口溫度ts1對回收水量的影響

2.6 噴淋水入口水溫tw1

如圖7所示，在其他條件不變的情況下，噴淋水入口溫度對換熱效率影響同樣較小。

圖7 噴淋水入口溫度tw1對換熱效率E的影響

如圖8所示，噴淋水入口溫度對回收水量影響較大，回收水量隨著噴淋水入口溫度的升高明顯減低，而影響噴淋水入口溫度的因素主要有冷源介質(zhì)和溫度等，如獲得更低的噴淋水入口水溫，需要更大規(guī)模的冷源設(shè)施。因此，噴淋水入口溫度應(yīng)結(jié)合回收水量、冷源設(shè)施成本等因素確定。

圖8 煙氣入口溫度tw1對回收水量的影響

3 結(jié)語

本文基于煙氣與水的熱質(zhì)交換理論和模型，提出了適合燃煤電站濕煙氣接觸換熱的基礎(chǔ)計算方法，并分析了各種因素對接觸式濕煙氣冷凝換熱過程熱質(zhì)交換性能的影響。其中，水氣比、液滴粒徑、換熱高度對換熱效率影響較大，而煙氣流速、煙氣入口溫度和噴淋水入口溫度對換熱效率影響相對較小。但煙氣入口溫度和噴淋水入口溫度對回收水量影響較大。

當(dāng)噴淋塔水氣比不低于3，液滴粒徑不大于1.5×10-3m ，以保證較高的換熱效率；噴淋塔煙氣流速以及噴淋水溫宜結(jié)合噴淋塔、冷源設(shè)施成本等綜合確定。