氣冷冷凝相變脫白法系統計算研究

李文超,尚辰洋,杜帥奎,張光鵬,齊 健,李立州

(中北大學航空宇航學院,山西 太原 030051)

目前我國大部分發電機組采用濕法脫硫工藝[1],脫硫后的煙氣為溫度較高的飽和濕煙氣,其進入大氣環境后遇冷凝結成小液滴,產生白色或灰色的濕煙羽,是霧霾、酸雨等現象產生的重要原因[2],對周圍環境產生了極大的危害,因此研究煙氣脫白具有十分重要的意義。

常見的煙氣脫白方法包括混風脫白法、混合冷凝脫白法、冷凝脫白法、煙氣升溫脫白法、煙氣冷凝再熱脫白法[3]等,這些方法通過改變煙氣溫度、調整煙氣的含濕量達到煙氣脫白的目的[4-5]。王麒麟[6]綜述了目前消除白煙的主要工藝方法;張軍等[7]采用噴淋冷凝+混風工藝流程,成功實現了75 t流化床鍋爐的改造;劉晨[8]提出了混合冷凝與混風結合的脫白方法;李偉[9]將混風脫白法用于山東某熱電廠煙氣脫白,使煙氣排放達標?，F有的對煙氣脫白方法的研究主要集中在噴淋冷凝和混風方面。為了提高脫白設備的壽命和可靠性,可以采用氣冷冷凝相變脫白方法。本文針對氣冷冷凝相變脫白系統的設計需求開發了排放氣體溫度、濕度的計算程序,在此基礎上研究不同條件下干冷空氣溫度、濕度和流量對脫白效果的影響。

1 風冷冷凝相變脫白系統計算方法

風冷煙氣冷凝相變脫白技術的工作原理如圖1所示。濕熱煙氣B和干冷空氣A在換熱系統中經過熱交換后,干冷空氣A溫度上升,含濕量不變,相對濕度降低,進入C狀態。濕熱煙氣B的溫度降低,相對濕度不變,含濕量降低,析出液滴,對其脫霧進入D狀態。D狀態煙氣與C狀態空氣在氣室中混合,煙氣的溫度、濕度進一步降低,干冷空氣的溫度、濕度上升,最終達到混合氣體狀態E。對于給定的濕熱煙氣和干冷空氣,可以通過控制干冷空氣的流量讓混合氣體處于不飽和狀態,使其在與環境空氣混合時不會出現白煙。這種冷凝相變脫白系統設計方法需要計算干冷空氣的流量。

圖1 冷凝相變脫白法

干冷空氣A的溫度、質量和含水率分別為TA、MA和WA,濕熱煙氣B的溫度、質量和含水率分別為TB、MB和WB。風冷煙氣冷凝相變脫白法直接用空氣A對煙氣B進行冷卻。為簡單起見,假設煙氣B和空氣A經過充分的熱量交換最終溫度相等,則經過熱交換后兩種氣體的溫度TE可由式(1)計算:

(1)

這時,兩種氣體的質量和含水率不變。對煙氣B進行脫水則可能存在以下兩種情況:如果煙氣的含水率WB不大于TE溫度下的飽和含水率WB,F(TE),則無需脫水;如果煙氣的含水率WB大于TE溫度下的飽和含水率WB,F(TE),則需要脫水。脫水后煙氣的含水率WD可由式(2)計算:

(2)

式中WB,F(TE)根據溫度-含水率表插值得到。

空氣A沒有進行脫水,因此空氣A的含水率WC保持不變:

WC=WA

(3)

將煙氣和空氣混合,則混合氣體的含水率WE為:

(4)

這時將混合氣體排放到大氣中,可能出現兩種情況:如果混合氣體的含水率WE小于溫度TA下的環境飽和含水率WF(TA),不產生白霧;如果混合氣體的含水率WE大于溫度TA下的環境飽和含水率WA,F(TA),則產生白霧。WA,F(TA)可以根據溫度-含水率表插值得到。需要注意的是,混合氣體排放時與環境空氣混合可以進一步降溫降濕,這一過程能進一步減小白霧出現的概率,然而這與排氣的狀態有關,難以統一確定。為簡單起見,本文忽略這一有利現象,因此這樣設計的計算結果是偏于保守的。煙氣冷凝相變脫白計算流程如圖2所示。

圖2 煙氣冷凝相變脫白計算流程

根據以上流程和模型公式編寫計算程序,以煙氣的流量、溫度、含水率和冷卻空氣的流量、溫度、含水率為設計變量,以文獻[10]中的溫度-含水量數據表為參考,計算各種工況下不產生白霧的最低風量。以某種給定工況為例,程序如下:

Wf=[-100,8.7E-09;-90,0.00000006;-80,0.00000034;…];%溫度-飽和含水量數據表[10]

TA=-20; MA=50; WA=spline(Wf(:,1),Wf(:,2),TA)*0.6; %風機進口空氣溫度、流量、含水率

TB=300; MB=1.67; WB=0.08; %煙氣溫度、流量、含水率

TE=(TB*MB+TA*MA)/(MB+MA);%降溫后煙氣溫度

WBF=spline(Wf(:,1),Wf(:,2),TE);%樣條插值計算降溫后煙氣的飽和含水率

if WB>WBF

WD=WBF; %如果煙氣含水率大于尾氣的飽和含水率,則水分析出

else

WD=WB;

end

WAF=spline(Wf(:,1),Wf(:,2),TA) ;%插值計算環境空氣溫度的飽和含水率

WE=(MB*WD+MA*WA)/(MB+MA);%出口含水率

if WE>=WAF

index=1;%如果混合氣體含水率大于空氣飽和含水率,則該進風量不可行,記為1

else

index=0;%如果混合氣體含水率小于空氣飽和含水率,則該進風量可行,記為0

end

2 煙氣冷凝相變脫白系統設計算例

某工廠需要對某煙氣排放裝置設計冷凝相變脫白系統。已知煙氣溫度為300 ℃,流量為1.67 kg/s,含水率為8%。采用上述冷凝相變脫白系統計算程序計算其脫白效果。圖3所示為空氣的相對含水率分別為20%、40%、60%、80%時混合氣體含水率與環境空氣飽和含水率的比較結果。由圖可以看出,混合氣含水率曲面和空氣飽和含水率曲面存在一條交線,是白霧產生與否的臨界條件,由空氣溫度、濕度和風量共同控制?；旌蠚夂是嬗幸粋€臺階,說明冷凝相變脫白裝置存在一個除霧啟動風量,低于該風量,冷凝相變脫白裝置起不到除霧作用。

根據除霧效果,繪出環境空氣溫度、濕度和風量對白霧的影響,如圖4所示。從圖中可以看出,在環境溫度低于-10 ℃或高于20 ℃時,空氣量需求較小,在-10～20 ℃環境溫度時空氣量需求較大。分析可知,空氣溫度高于20 ℃時,空氣的飽和含水率較高,不容易形成白霧;空氣溫度低于-10 ℃時,冷空氣溫度較低,只需要較少的空氣就能實現煙氣的冷卻和除濕。

圖4 氣冷冷凝相變脫白法的效果

為了對比,圖5給出了煙氣只與冷空氣混合的混風脫白法的除霧效果,圖6給出了煙氣先與冷空氣混合然后再除霧的混合冷凝脫白法的除霧效果。從圖5和圖6可以看到,采用混風脫白法和混合冷凝脫白法除霧所需要的冷空氣量較大,有些溫度下甚至達不到除霧要求。

圖5 混風脫白法的除霧效果

圖6 混合冷凝脫白法的效果

3 結束語

本文針對氣冷冷凝相變尾氣脫白裝置的設計要求開發了計算程序,在此基礎上研究了環境空氣溫度、濕度和流量對系統脫白效果的影響,研究發現冷凝相變脫白裝置存在臨界風量線,環境溫度高于20 ℃時,空氣的飽和含水率較高,不容易形成白霧;環境溫度低于-10 ℃時,只需較少的冷空氣就能實現煙氣的冷卻和除濕。冷凝相變脫白法比混風脫白法和混合冷凝脫白法效果好。