濕煙氣冷凝過程傳熱計算及工程應(yīng)用

劉江寧， 雷承勇

(1. 國家電投集團河北電力有限公司，石家莊 050000；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司，上海 200240)

目前，國內(nèi)大型燃煤電站鍋爐一般采用石灰石-石膏濕法脫硫，這是目前技術(shù)最成熟的SO2控制技術(shù)。在濕法脫硫系統(tǒng)中，吸收液與高溫煙氣直接接觸，高溫煙氣被增濕冷卻、露點升高。脫硫后的凈煙氣從煙囪排出并與溫度較低的環(huán)境空氣混合后降溫，煙氣中的水蒸氣過飽和凝結(jié)，對光線產(chǎn)生折射、散射，煙羽呈現(xiàn)出白色或者灰色，即一般所稱煙囪“冒白煙”。白煙現(xiàn)象視覺效果差，嚴重影響社會公眾對燃煤電廠的接受程度。目前，我國已有部分地區(qū)政府環(huán)保部門對煙羽控制提出了要求，如天津、河北、山西等地要求燃煤電廠采取煙溫控制等措施，基本消除有色煙羽現(xiàn)象。一些燃煤電廠通過在脫硫塔后加裝煙氣冷凝換熱器來實現(xiàn)此煙氣降溫的要求。脫硫后的煙氣屬于飽和濕煙氣，在煙氣冷凝換熱器中的傳熱屬于含大量不凝氣體蒸汽的凝結(jié)傳熱，不凝氣體體積分數(shù)可高達85%。它與空氣冷卻器中的凝露同屬混合氣體的冷凝，但由于水蒸氣含量不同，其傳熱傳質(zhì)機理也不同。現(xiàn)有試驗通常利用加濕熱空氣模擬燃氣鍋爐煙氣，研究混合氣體在水平單管外、垂直套管換熱器或單排間壁式換熱器內(nèi)的對流冷凝傳熱情況[1-3]，對燃煤電站鍋爐工程應(yīng)用中使用最普遍的多排管束換熱器的相關(guān)研究很少。筆者以后者為研究對象，通過理論分析和試驗驗證得出可指導(dǎo)工程設(shè)計的傳熱計算準則方程。

1 煙氣冷凝傳熱計算方法

1916年，Nusselt首先提出純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)的分析解[4]。但不凝氣體的存在會對蒸汽的凝結(jié)傳熱產(chǎn)生明顯影響，主要有2點：一是冷凝換熱器各處的冷凝溫度不同；二是冷凝中除傳熱之外還有傳質(zhì)的影響[1]。Colburn等[5]在1934年最先研究了含不凝氣體的蒸汽冷凝問題，目前為止，對于含不凝氣體的冷凝計算大多仍是基于Colburn-Hougen方法進行的。

Colburn-Hougen的豎壁膜式冷凝傳熱原理如圖1所示。濕煙氣在煙氣冷凝換熱器中的傳熱過程包括導(dǎo)熱形式的顯熱傳熱和水蒸氣凝結(jié)形式的潛熱傳熱，這兩部分的比例影響傳熱系數(shù)的大小。水蒸氣必須先以擴散方式穿過不凝氣體界膜，才能到達冷凝液膜開始凝結(jié)過程。

圖1 Colburn-Hougen冷凝傳熱機理圖Fig.1 Colburn-Hougen condensation heat transfer mechanism

取x向坐標為豎直向下的重力方向，y向坐標為液膜厚度方向，建立邊界層微分方程組。

連續(xù)性方程

(1)

式中：u、v分別為速度矢量在x、y方向的分量。

動量方程

(2)

式中：ρ為密度；p為微元體上的壓力；η為動力黏度。

能量方程

(3)

質(zhì)量擴散方程

(4)

式中：φH為組分H的體積分數(shù)；D為組分的擴散系數(shù)。

對模型進行以下假設(shè)：(1)常物性，定壁溫，忽略液膜慣性力，整個系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)；(2)液膜溫度為該水蒸氣分壓力下的飽和溫度。

則以上方程組可簡化為

(5)

(6)

其邊界條件為：

y=0時，u=0,T=Tw

(7)

式中：Tw為管壁溫度；Ts為對應(yīng)于壓力p下的飽和溫度；δ為液膜厚度。

對式(5)和式(6)積分得到液膜內(nèi)的速度分布和溫度分布：

(8)

(9)

式中：下標l代表液膜。

由式(8)積分得到凝結(jié)液膜的質(zhì)量流量qm如下：

(10)

由x處微元體的熱平衡得：

(11)

式中：r為汽化潛熱；cg為水蒸氣比熱容；Tg為混合氣體主流溫度；λg、λl分別為混合氣體和液膜的導(dǎo)熱系數(shù)；δg為不凝氣體界膜的厚度。

分離變量、積分并結(jié)合x=0時的邊界條件，得：

(12)

式中：Rg為水蒸氣氣體常數(shù)。

應(yīng)用牛頓冷卻公式可得：

(13)

從而得到混合氣體的局部復(fù)合傳熱系數(shù)：

(14)

2 濕煙氣冷凝傳熱試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

在上海某亞臨界600 MW電站鍋爐上進行濕煙氣冷凝傳熱試驗，圖2為試驗段系統(tǒng)圖。從電廠脫硫塔后的煙道引出部分濕煙氣進入試驗段煙道。試驗段水平煙道沿煙氣流向依次布置煙氣冷凝換熱器、煙道除霧器和煙氣加熱器，最后由試驗段煙囪排放。冷卻水取自電廠閉式循環(huán)冷卻水。試驗所用冷凝換熱器為電廠鍋爐、暖風器中常用的多排管束錯列換熱器，管內(nèi)冷卻水與煙氣逆流布置。

圖2 試驗系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

試驗段設(shè)置有可編程邏輯控制器(PLC)控制系統(tǒng)，用于試驗設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集；同時還布置煙氣流量計、熱電阻、電磁流量計等儀表，分別用于測試計算所需的煙氣量、進出口煙氣溫度和進出口冷卻水溫度、冷卻水流量。試驗所用離心風機采用變頻控制，試驗過程中可通過變頻器調(diào)節(jié)來得到所需工況。

部分測試儀表和設(shè)計參數(shù)如下：煙氣流量計為VCA510-10型庫爾巴流量計，精度為1%，設(shè)計煙氣體積流量為10 000 m3/h(標態(tài)，濕基)；熱電阻為PT100雙支，精度A級；電磁流量計精度為0.5%，設(shè)計質(zhì)量流量為40 t/h。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

由圖1可知，對于試驗段換熱器，其傳熱路徑為煙氣-管壁-冷卻水。根據(jù)熱量平衡原理，在試驗過程中，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，濕煙氣通過管壁傳導(dǎo)的對流凝結(jié)放熱量等于管內(nèi)冷卻水升溫吸收的熱量，此熱量可由冷卻水吸熱量計算公式計算得到

Q=cpqm，wΔT

(15)

式中：Q為系統(tǒng)傳熱量；cp為冷卻水比定壓熱容；qm,w為冷卻水質(zhì)量流量；ΔT為冷卻水進出口溫差。

試驗段換熱器平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h由下式計算:

(16)

式中：A為試驗段冷凝換熱器的傳熱面積，由換熱器結(jié)構(gòu)計算得到。

將由式(15)和式(16)計算得出的傳熱系數(shù)作為試驗值。

根據(jù)對流傳熱問題積分方程組的求解及比擬理論，流體橫掠錯排管束對流傳熱時傳熱系數(shù)h的茹卡烏斯卡斯計算公式為[4]

(17)

式中：C、n、m等常數(shù)由試驗數(shù)據(jù)確定；Re、Pr分別為煙氣側(cè)雷諾數(shù)和普朗特數(shù)；Re中的煙氣流速取傳熱管束最小截面處的平均流速，特征長度為傳熱管外徑d，定性溫度為煙氣平均溫度(即煙氣進出口溫度的算術(shù)平均值)。

根據(jù)前述理論分析，考慮水蒸氣冷凝潛熱對對流傳熱的強化作用，用因子Ln對對流傳熱準則數(shù)關(guān)系式進行關(guān)聯(lián)擬合，則耦合了凝結(jié)潛熱的無量綱數(shù)準則方程的形式應(yīng)為：

(18)

用式(18)對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的準則數(shù)方程：

(19)

圖3給出了試驗段擬合值與試驗值的比較。由圖3可知，用式(19)計算出的擬合值與試驗值的誤差在15%以內(nèi)，可用于冷凝換熱器的設(shè)計。

圖3 試驗段擬合值與試驗值的比較Fig.3 Comparison between fitted values and experimental data for the test section

試驗范圍如下：煙氣流速3～8 m/s，2 000≤Re≤5 000，4%≤φH2O≤14%，進口煙氣溫度45～60 ℃，進口水溫15～25 ℃。其中，φH2O為濕煙氣中水蒸氣的體積分數(shù)；常數(shù)m按管束強制對流傳熱準則方程選取，m=1/3[4]。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)準則數(shù)方程式(19)設(shè)計的電站鍋爐濕法脫硫煙氣冷凝換熱器于2016年11月在某超超臨界1 000 MW機組鍋爐上投運，性能參數(shù)良好，部分設(shè)計和運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 煙氣冷凝換熱器部分設(shè)計和運行參數(shù)Tab.1 Design and operating data of the flue gas condensing heat exchanger

由表1可以看出，運行數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)基本吻合，根據(jù)試驗結(jié)果擬合出的準則方程可用于工程設(shè)計；由于換熱器設(shè)計時考慮了裕量，實際濕煙氣降溫幅度(7 K)優(yōu)于設(shè)計值(6 K)；冷凝液呈酸性[6]，水質(zhì)清晰、無懸浮物。煙氣冷凝換熱器投運至今一年多，運行良好，未發(fā)生低溫腐蝕現(xiàn)象，除濕減排效果令人滿意。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)豎壁膜式冷凝傳熱原理，水蒸氣必須以擴散方式穿過不凝氣體界膜，才能到達冷凝界膜開始冷凝過程。無量綱因子Ln反映了混合氣體飽和溫度與實際溫度下的傳熱能力之比。

(3)根據(jù)所提出的準則數(shù)方程設(shè)計的煙氣冷凝換熱器實際運行數(shù)據(jù)與設(shè)計值吻合，該方程可用于電廠煙氣冷凝換熱器的工程設(shè)計。