燃?xì)忮仩t直接接觸式節(jié)能裝置設(shè)計模型研究＊

姜小敏，孫培雷，凌志光，陳閔葉

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

天然氣主要成分是甲烷，燃燒過程中生成大量的過熱態(tài)水蒸氣，此外，助燃空氣中也含有少量的水蒸氣，這兩部分水蒸氣加起來約占排煙煙氣的18%（體積百分比）.因此，與燃煤（燃油）鍋爐相比，天然氣鍋爐的排煙煙氣中的水蒸氣份額要高出很多，這些水蒸氣攜帶了大量的顯熱和潛熱，其露點溫度約為57℃，若能采取合理有效的措施將鍋爐排煙煙氣溫度降至水蒸氣露點以下，使其放出顯熱和潛熱并加以回收利用，將能有效地提高燃?xì)忮仩t等設(shè)備的能源利用率［1－4］.

本文開發(fā)研制成功一種新型的應(yīng)用于燃?xì)忮仩t等的直接接觸式煙氣降溫減濕節(jié)能裝置（以下簡稱新型節(jié)能裝置），可以將鍋爐排煙煙氣溫度降至水蒸氣露點以下，回收利用排煙余熱中所含有的顯熱和潛熱來產(chǎn)生工業(yè)和生活用熱水，可提高燃?xì)忮仩t的熱效率及天然氣的能源利用率，改善煙氣排放對環(huán)境的污染，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的.

1 節(jié)能裝置的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

節(jié)能裝置基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示.節(jié)能裝置本體為一豎立的塔形容器，主要由除霧器、冷水分布器、填料段、煙氣引入段和熱水回收段組成.填料段內(nèi)放置了不銹鋼填料，是節(jié)能裝置的核心工作段，高溫?zé)煔饨禍販p濕的傳熱傳質(zhì)過程在填料段內(nèi)完成.在節(jié)能裝置中，煙氣和水逆向流動，高溫?zé)煔鈴墓?jié)能裝置中下部進(jìn)入節(jié)能裝置后向上流動，到達(dá)填料段后，將順著填料空隙結(jié)構(gòu)繼續(xù)向上流動；冷水從分布器中流出，均勻噴灑在填料上面后順填料空隙結(jié)構(gòu)往下流動并在填料結(jié)構(gòu)表面均勻分散形成連續(xù)膜狀流動，從而增加了煙氣和水的接觸面積.煙氣和水在填料段充分接觸進(jìn)行較為劇烈的傳熱傳質(zhì)過程，其結(jié)果是煙氣將絕大部分熱量傳遞給水，煙氣中含有的水蒸汽也冷凝成液態(tài)水放出潛熱并傳熱給水.由此，冷水通過其與煙氣直接接觸所發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程吸收熱量成為熱水.

圖1 節(jié)能裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of economizer main structure

2 節(jié)能裝置填料段內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程和建模分析

2.1 傳熱傳質(zhì)過程分析

為使分析計算簡便，假定煙氣與水的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)主要發(fā)生在填料段內(nèi)，另外，還假定煙氣與水的流動及傳熱傳質(zhì)都是一維的，煙氣自下而上流動，水自上而下與煙氣逆向流動.

從節(jié)能裝置下方進(jìn)入填料段的高溫?zé)煔舛酁槲达柡蜔煔?，而從上方進(jìn)入填料段的冷水的溫度大多低于進(jìn)入填料段的高溫?zé)煔獾穆饵c溫度，煙氣和水逆流接觸后，煙氣將被冷卻而水則被加熱.在整個填料段內(nèi)，傳熱方向都是從煙氣傳熱給水的，但是由于出填料段的水溫有可能高于進(jìn)填料段的煙氣的露點溫度，故在填料段下部，其傳質(zhì)方向是由水傳給煙氣的.于是，在整個填料段內(nèi)的傳質(zhì)方向是不同的，在填料段某一截面處將改變傳質(zhì)方向.

2.2 傳熱傳質(zhì)建模分析

如圖2所示，在填料段內(nèi)取一微元段dz，對此微元段內(nèi)煙氣和水的熱力參數(shù)進(jìn)行分析.首先，從熱力學(xué)的角度進(jìn)行分析.

圖2 微元填料段內(nèi)煙氣與水之間的傳熱傳質(zhì)Fig.2 Diagram of heat and mass transfer between flue gas and water in elemental packed mass section

煙氣放出熱量為：

水得到熱量為：

另外，煙氣放出的熱量還可以表示為：

熱量平衡：dQg＝dQw，于是有

質(zhì)量平衡：

再從傳熱傳質(zhì)學(xué)的角度進(jìn)行分析，可以得到如下的傳熱傳質(zhì)速率方程：

從氣水相界面至煙氣主體之間的傳熱速率為：

從氣水相界面至煙氣主體之間的傳質(zhì)速率為：

從水主體至氣水相界面之間的傳熱速率為：

將式（7）、式（8）和式（10）代入式（5）得：

將式（6）、式（8）、式（9）和式（11）代入式（4）得：

以往的研究都認(rèn)為Le值近似等于1，再假定CH≈CHi，據(jù)此在推導(dǎo)過程中將方程式予以簡化［5］.本文的計算分析表明，在高溫高濕煙氣與水的傳熱傳質(zhì)過程中，Le值在1.0～4.0之間，因此不能視為近似等于1，另外，CH與CHi有時也差異很大，所以，也不能視為CH≈CHi.

在分析填料段內(nèi)傳熱傳質(zhì)問題時，一般認(rèn)為，僅考慮溫度差或僅考慮濕度差作為過程的推動力是不合理的，最好是采用包括溫度和濕度這兩種因素的焓差作為過程的推動力.據(jù)此，基本上無一例外地將煙氣的焓I作為求解微分方程組的自變量，這對于單一的增濕過程或者單一的減濕過程是可行的.而在本文所研究的節(jié)能裝置內(nèi)部實際的傳熱傳質(zhì)過程中，進(jìn)入節(jié)能裝置的煙氣是未飽和的高溫?zé)煔?，在填料段下段部分，高溫?zé)煔庀蛩畟鬟f熱量，使得一部分水氣化而進(jìn)入煙氣之中，使煙氣含濕量增大，即在填料段下段部分發(fā)生著煙氣降溫增濕過程.在此降溫增濕過程中，當(dāng)水氣比比較小時，煙氣降溫幅度也較小，煙氣降溫引起的焓降可能小于煙氣增濕引起的焓增，總體上煙氣的焓值將有可能增加.而當(dāng)水氣比比較大時，煙氣降溫幅度也較大，煙氣降溫引起的焓降可能大于煙氣增濕引起的焓增，因而煙氣的焓值將有可能減小.因此，在填料段下段部分發(fā)生的煙氣降溫增濕過程中，依水氣比的小或大，煙氣的焓有可能增加，也有可能減小.而在填料段上段部分，煙氣繼續(xù)向水傳遞熱量而自身溫度已大大降低至其時的露點之下，因而，煙氣中的一部分水蒸氣將結(jié)露冷凝成液態(tài)水進(jìn)入冷水之中，煙氣含濕量減小，即在填料段上段部分發(fā)生著煙氣降溫減濕過程，在此降溫減濕過程中，煙氣焓值將加劇減小.總之，在煙氣從底部至上部的流動及傳熱傳質(zhì)過程中，當(dāng)水氣比比較小時，煙氣的焓值有可能先增后減，其轉(zhuǎn)折點也難于預(yù)知確定，若將煙氣的焓I作為求解節(jié)能裝置填料段傳熱傳質(zhì)微分方程組的自變量，必將造成數(shù)值求解困難，而煙氣溫度卻總是單調(diào)下降的，因此，將煙氣的溫度tg作為求解節(jié)能裝置填料段傳熱傳質(zhì)微分方程組的自變量更為合理可行.

由式（12）和式（7），可得：

由式（13）和式（7），可得：

由式（9）和式（7），可得：

由式（12）和式（13），可得：

由式（6）積分，可得：

由式（14）～式（18），可組成求解填料段內(nèi)各熱力參數(shù)的微分方程組，再加上煙氣性質(zhì)關(guān)系式，可采用 Runge－Kutta數(shù)值方法進(jìn)行求解［6－8］.

欲使節(jié)能裝置能夠達(dá)到預(yù)定的效果，當(dāng)節(jié)能裝置的內(nèi)徑確定后，填料段就需要有一定的有效高度.對式（7）進(jìn)行積分，即可得到計算填料段高度的計算公式：

式（19）雖然是根據(jù)從氣水相界面至煙氣主體之間的傳熱速率推導(dǎo)而來，但式中包含了濕煙氣的比熱比CH和相界面溫度ti，這兩個參數(shù)的確定都與氣水之間的傳質(zhì)過程有關(guān)，因此，式（19）實際上應(yīng)該是包含了氣水之間傳熱傳質(zhì)過程的計算填料段高度的計算公式.

3 節(jié)能裝置填料段內(nèi)傳熱傳質(zhì)參數(shù)分布的數(shù)值計算

根據(jù)模擬天然氣鍋爐排煙的節(jié)能裝置試驗工況的煙氣參數(shù)進(jìn)行了節(jié)能裝置填料段內(nèi)的熱力學(xué)參數(shù)分布的數(shù)值求解.給定參數(shù)：煙氣溫度tg1＝250℃，煙氣流量（干煙氣）Gd＝2 159.7kg／m2h，煙氣濕度 Hv＝0.127 8kg／kgd煙氣相對分子量 Md＝29.79kg／kmol，水蒸汽相對分子量 Mv＝18.02kg／kmol，節(jié)能裝置內(nèi)徑為0.394m，節(jié)能裝置排煙溫度tg2＝35℃，冷水進(jìn)口溫度tw2＝30℃，冷水流量W2＝5 780.1，750 2.0，884 1.6，10 108.2，11 447.8，13 055.4kg／（m2·h），煙氣傳熱膜系數(shù)αg＝84.3kJ／（m2.hK），水傳熱膜系數(shù)αw＝514.2kJ／（m2.hK），煙氣傳質(zhì)系數(shù)kH＝21.24kg／（m2h），填料比表面積a＝250m2／m3.

圖3～圖6分別表示了不同水氣比工況下，煙氣溫度tg、煙氣焓I、煙氣濕度H、水溫tw沿填料段自下而上的分布情況及所需要的填料段高度.從圖3中可以看到，在填料段下部，煙氣溫度都是急劇下降，水氣比較小時（如mw／mg＝2.41時），填料段內(nèi)的傳熱傳質(zhì)效果不是很好，在填料段中部區(qū)域，煙氣溫度下降非常緩慢，直到填料段上部區(qū)域，煙氣溫度下降速率才稍微有所加快.水氣比較小時，煙氣溫度下降到要求的溫度所需要的填料段高度也較高.隨著水氣比的逐漸增大，填料段內(nèi)的傳熱傳質(zhì)效果也隨之改善，當(dāng)水氣比增大到某一程度后（如mw／mg＝3.08時），填料段內(nèi)的傳熱傳質(zhì)效果顯著提升，此后，隨著水氣比的進(jìn)一步增大，填料段內(nèi)的傳熱傳質(zhì)效果也將進(jìn)一步增強(qiáng)，煙氣溫度下降到要求的溫度所需要的填料段高度也顯著減小.煙氣焓I、煙氣濕度H、水溫tw沿填料段高度的分布情況也反映了上述填料段內(nèi)的傳熱傳質(zhì)效果變化的特征.注意到圖5中不同水氣比工況下，煙氣濕度沿填料段高度的分布特性.在填料段下部，由于煙氣與水的溫差較大，煙氣向水傳熱的速率較大，使得煙氣溫度急劇下降，并使得部分水發(fā)生氣化變?yōu)樗羝尤氲綗煔庵?，于是，煙氣的濕度有所增?之后，隨著煙氣溫度進(jìn)一步下降，煙氣中的部分水蒸氣開始冷凝轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水而使得煙氣濕度轉(zhuǎn)而開始逐漸減??；當(dāng)煙氣溫度下降到露點時，煙氣濕度將加快下降速度.

圖3 不同水氣比工況下，煙氣溫度沿填料段高度的分布Fig.3 Flue temperature distribution along the height of packed mass section under different water－flue ratio

圖4 不同水氣比工況下，煙氣焓沿填料段高度的分布Fig.4 Flue enthalpy distribution along the height of packed mass section under different water－flue ratio

圖5 不同水氣比工況下，煙氣濕度沿填料段高度的分布Fig.5 Flue humidity distribution along the height of packed mass section under different water－flue ratio

圖6 不同水氣比工況下，水溫沿填料段高度的分布Fig.6 Water temperature distribution along the height of packed mass section under different water－flue ratio

4 節(jié)能裝置試驗

為了更深入地研究直接接觸式降溫減濕節(jié)能裝置的傳熱傳質(zhì)性能，進(jìn)行了相關(guān)的性能試驗研究.試驗系統(tǒng)如圖7所示.

圖7 節(jié)能裝置試驗系統(tǒng)流程示意圖Fig.7 The scheme of testing system of economizer

圖8為計算值與試驗值的對比結(jié)果，在中等及較大水氣比條件下，計算值與試驗值吻合良好；在較小水氣比條件下，計算值與試驗值出現(xiàn)一些差異.這是由于煙氣進(jìn)入節(jié)能裝置后，先進(jìn)入一個淋雨區(qū)段，煙氣在流向填料段底部的過程中，與淋雨直接接觸而發(fā)生了局部傳熱傳質(zhì)過程，煙氣在到達(dá)填料段底部時，總體上溫度會有所降低，同時煙氣濕度也會稍微有所上升，而這個過程由于比較復(fù)雜，目前還沒有很好地求解方法，只是做了簡化假定，忽略這個淋雨區(qū)的影響.另外，試驗測量方面也可能存在一些誤差，導(dǎo)致計算結(jié)果與試驗結(jié)果在填料段底部出現(xiàn)了較大差異.

圖8 不同水氣比工況下，填料段內(nèi)煙氣的溫度分布（計算值與試驗值比較）Fig.8 Comparison between calculation and experiment value of flue temperature distribution along the height of packed mass section under different water－flue ratio

5 結(jié) 論

本文對一種新型直接接觸式降溫減濕節(jié)能裝置填料段內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程和建模進(jìn)行了分析，推導(dǎo)和發(fā)展了填料段內(nèi)的煙氣和水之間傳熱傳質(zhì)的微分方程組和數(shù)值計算方法，進(jìn)行了實例的數(shù)值計算分析，計算結(jié)果與試驗值在變化趨勢上吻合良好，在中等及較大水氣比條件下，計算結(jié)果與試驗值吻合良好，表明該數(shù)值計算方法可應(yīng)用于新型直接接觸式降溫減濕節(jié)能裝置的實際工程設(shè)計計算.

［1］康子晉，鄭蕾，趙欽新.直接接觸換熱熱水鍋爐原理及應(yīng)用［J］.節(jié)能技術(shù)，2003，21（5）：17－20.KANG Zi－jin，ZHENG Lei，ZHAO Qin－xin.Direct contact heat transfer for gas－fired hot water boiler［J］.Energy Conservation Technology，2003，21（5）：17－20.（In Chinese）

［2］劉武標(biāo)，陳鵬飛.燃?xì)忮仩t尾部煙氣余熱回收冷凝型節(jié)能器的實驗研究［J］.工業(yè)鍋爐，2007（4）：1－3.LIU Wu－biao，CHEN Peng－fei.Experimental research on condensation energy－conservation equipment of reclaiming the residual heat of the flue gas of gas－fired boiler［J］.Industrial Boiler，2007（4）：1－3.（In Chinese）

［3］張曉暉，劉大為.燃?xì)忮仩t排煙冷凝熱回收技術(shù)［J］.工業(yè)鍋爐，2008（4）：4－8.ZHANG Xiao－h(huán)ui，LIU Da－wei.Evaluation of reclaiming technology for gas－fired boiler flue gas residual heat［J］.Industrial Boiler，2008（4）：4－8.（In Chinese）

［4］OSAKABE M.Thermal hydraulic behavior and prediction of heat exchanger for latent heat recovery of exhaust flue gas［J］.American Society of Mechanical Engineers，Heat Transfer Division，1999，364（2）：43－50.

［5］時鈞，汪家鼎，余國琮，等.化學(xué)工程手冊［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996：16－25.SHI Jun，WANG Jia－ding，YU Guo－cong，et al.Chemical engineering handbook ［M］.2ed nd.Beijing：Chemical Industry Press，1996：16－25.（In Chinese）

［6］王亦飛，賀必云，代正華，等.在水汽逆向流動填料塔內(nèi)熱質(zhì)同時傳遞過程的研究［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報，2004，30（5）：539－544.WANG Yi－fei，HE Bi－yun，DAI Zheng－h(huán)ua，et al.Simultaneous heat and mass transfer in a countercurrent liquid water－vapor packed column［J］.Journal of East China University of Science and Technology，2004，30（5）：539－544.（In Chinese）

［7］王雙成.合成氨廠飽和熱水塔的優(yōu)化設(shè)計［J］.化肥設(shè)計，1999，37（6）：9－13.WANG Shuang－cheng.Optimized design of saturting－h(huán)ot water tower in ammonia plant［J］.Chemical Fertilizer Design，1999，37（6）：9－13.（In Chinese）

［8］張寅秋，胡忠玉，王祖元，等.水煤氣水洗塔填料層高度計算模型的簡化［J］.安徽化工，2010，36（5）：33－37.ZHANG Yin－qiu，HU Zhong－yu，WANG Zu－yuan，et al.Simplification of packed height computation model for water scrubbing tower of water gas［J］.Anhui Chemical Industry，2010，36（5）：33－37.（In Chinese）