热管分体式气—气加热器换热试验研究

李永田 吴平堂(东华大学，上海 200051)

热管分体式气—气加热器换热试验研究

李永田 吴平堂
(东华大学，上海 200051)

热管分体式气—气加热器(Heat Pipe Gas-gas Heater，简称HGGH)是一类应用广泛的气体再热设备。为验证HGGH的换热能力，根据相似原理对试验模型进行换热性能热工测试及结果分析。通过对测试结果的分析与计算，得到受检试验模型的对流换热系数取值范围，对理论模拟结果起到验证的作用，也为HGGH的市场推广提供了可靠的技术支撑。

气—气加热器；相似理论；换热系数

1 试验目的

据统计，世界已经投运或正在计划建设的脱硫系统中，湿法烟气脱硫技术占 80% 左右[1]，经湿法FGD(Flue gas desulfurization，脱硫烟气)处理后，烟气温度低、流速大造成石膏雨现象明显[2]，通常FGD需配套GGH(Heat pipe Gas-gas Heater，烟气—烟气加热器)来保证烟气合理扩散[3]，市场对GGH有需求。GGH尚未实现国产化，存在造价高、漏风系数大、维修维护不便等不足。为此，利用热管技术为基础研发出一款热管分体式气—气加热器(Heat pipe Gas-gas Heater，简称HGGH)替代进口大有可为[4]。

HGGH是类似热媒管式烟气加热器( Medium Gas-gas Heater，简称 MGGH)，MGGH通过热媒介质将锅炉原烟气(原烟气指从锅炉排除未经脱硫的烟气，净烟气指经过脱硫后的烟气)和辅助蒸汽的热量传递给脱硫塔出口的低温烟气5。而HGGH无需辅助蒸汽，具有相对节能优势，其核心结构由蒸发管束、冷凝管束、上升管、下降管构成。为了验证理论模拟结果，了解HGGH的换热能力，对受检试验模型进行换热性能热工测试，并求得对流换热系数。对流换热系数是指当流体与传热表面之间的温度差为1℃时，单位壁面面积在单位时间内所能传递的热量，是换热设备换热能力的体现，反映对流换热的强弱，所以，计算出HGGH的对流换热系数即可判断该受检试验模型的换热能力，验证理论模拟结果，并利用相似原理的知识，设计实际工程所需的HGGH，达到试验的目的。

2 试验任务及方法

2.1 实验任务

为了计算出对HGGH的对流换热系数k，列出计算所需的热平衡方程：

式中：Φh为原烟气放热量，kW；ΦC为净烟气吸热量，kW；Φ为平均换热量，kW；Δtm为对数平均温度，℃。

为求得式(1)-(5)各平衡式中各参数得数值，需采用直接法与间接法获取如下参数值：

2)原烟气与净烟气的进出口温度th1、th2、tC1、TC2；

3)原烟气与净烟气的实际流速υPh、υPC；

4)原烟气与净烟气的体积比容CPh、CPC；

5)原烟气与净烟气中O2、CO2、H2O、N2、SO2组份的浓度测定；

6)选取系统热损失系数ηC，校准对流换热系数。

2.2 试验数据测量方法

试验需要测定混合烟气的流量、温度，以及混合烟气组分N2、O2、CO2、SO2、水分(水蒸汽)、灰分浓度。

2.3 测试工艺流程

利用相似原理的特性来指导模化试验，模化试验是指不同于实物几何尺度的模型来研究实际装置中所进行的物理过程的试验[6]。目前，未经湿法烟气脱硫装置处理的烟气温度一般在120℃以上，经过CFD后，日本和欧洲一些国家通常将排烟温度加热到80℃以上[8]。根据需要选择试验流程。见图1。

图1 试验流程

测试工艺流程系统由燃烧烟气发生器、烟气调节室、FDG吸收塔、气-气加热器、烟道系统及所需的实验测量设备等部分构成。

2.4 增量烟气的计算

为获得与FGD成分一致、温度接近的模拟烟气，以柴油与空气通过燃烧器混和、雾化、燃烧并吹入未脱硫烟气。根据柴油理论燃烧方程：

燃烧1mol柴油造成烟气增量为：ΔV=22.4×(11+6-14)/1000=0.0672Nm3

式中：22.4为理想气体摩尔体积，L/mol；C11H11为实测柴油混合物折合后化学分子式，近似分子量为144。

经调试，获得原烟气模拟气体，需混未脱硫烟气体积约2000Nm3/h，柴油耗量约为15L/h。选用的柴油密度为0.84kg/L，得柴油耗量87.5mol/h，烟气增量为5.88Nm3/h，增量百分比约为5.88/2000=0.294% (0.294%<0.5%，不考虑柴油燃烧引起的体积增量，以实测数据为准)。

3 数据测量及整理

3.1 烟气流量测定

3.2 烟气流速

利用风速仪直接测得烟道内烟气流速。测定结果显示，烟气流速状况较为平稳，测量值波动在测量系统误差范围内。原烟气平均流速为12.30m/s，根据HGGH几何结构尺寸数据(表3)计算得模型近似阻挡系数25/66=38%，则实际流速为υh=7.626m/s；净烟气平均流速为13.00m/s，近似阻挡系数25/66=38%，则实际流速为υC=8.06m/s。

3.3 烟气各组分测定

3.3.1 SO2浓度测定

3.3.2 O2的测定

原、净烟气中的测量值则表现较为平稳，对于O2浓度，均恒定在6%～7%范围内，其中：原烟气中O2平均浓度为VhO2=6.2%；净烟气中O2平均浓度为。VCO2=6.15%。

3.3.3 水蒸汽测定

原烟气因温度较高，喷入烟道中的雾化水迅速被气化，携水能力较大，为未饱和烟气，利用干湿球法测得含湿量约为104.46g/Nm3，换算成浓度为VhH2O=13%。

净烟气因经过脱硫塔洗涤，烟气为过饱和烟气，采取冷凝法测得，悬浮液滴约为0.5g/Nm3，则含水汽量约为144.8g/Nm3，换算成浓度为VhH2O=18.02%[8]。

3.3.4 CO2的测定

脱硫烟气中CO2的浓度为2.88%；根据式(6)可求得，柴油燃烧增加的CO2浓度为1.06%；求和得到原烟气中CO2的浓度为VhCO2=3.94%；忽略溶解在脱硫塔混合液中的CO2，同理，求得净烟气中CO2的浓度为VCCO2=3.72%。

3.3.5 N2的测定

对于原烟气而言，N2浓度为VhNO2=1-VhSO2-VhO2-VhH2O-VhCO2=76.755%；

对于净烟气而言，N2浓度为VCNO2=1-VVSO2-VCO2-VCH2O-VCCO2=72.068%。

3.4 温度数据测定

3.4.1 HGGH进出口烟气温度测定

在蒸发管束、冷凝管束进口平稳气流段，设置4处每处3个，合计12个测温点，且每30分钟记录一次数值。 用T1—T12表示，对应关系见表1。

表1 测温点分配表

3.4.2 环路单元壁温度测定

对于蒸发管束，八组热交换管上的温度测点自上而下设置为B1-B8；对应到冷凝管束，相应环路单元的测点编号分别为A1-A8，且A5-B5、A8-B8为未充介质的对照组。实验中所记录各测点的温度值，见表2。

该数据反映了热量在换热管环路单元传热时的损失情况，说明除B1-A1、B6-A6及对照组各环路单元外，其余各环路单元可能存在不同程度缺陷，其中A2-B2组数据异常。

表2 壁温及对应点温差记录表

4 求取换热系数计算

4.1 换热器结构参数

为便于查取数据，了解HGGH主要几何结构尺寸，将其结构数据汇总，见表3。

表3 HGGH结构参数

注：16=8×2指纵向8组，每组2排，合计纵向16排。

4.2 对流换热系数计算

4.2.1 求混合烟气比热

查取原烟气、净烟气接近定性温度(400k、300k)的各组分近似比热[9](未计入粉尘与CO，实际存在，限于检验仪器精度，未测出)，见表4。

表4 组分比热容 kJ/kg/k

将章节2.3.1-2.3.5各步骤测得体积浓度进行汇总，见表5。

表5 体积浓度 %

结合表4、表5数据，求取原烟气的体积比容ChP为：

ChP=CPSO2×VhSO2+CPO2×VhO2+CPCO2×VhCO2+CPH2O×VhH2O+CPN2×VhN2=1.16kJ/(Nm3·k)

结合表4、表5数据，求取净烟气的体积比容为：

CCP=CPSO2×VCSO2+CCO2×VCO2+CPCO2×VhCO2+CPH2O×VCH2O+CPN2×VCN2=1.203kJ/(Nm3·℃)

4.2.2 求对流换热系数

根据换热平衡方程式(2) 、(3)、(5) ，并带入相应数值得：

=26.15kW；

=25.3066kW；

求对数温差：

根据式(1)，并带入数值得：

℃)

5 试验结论

(1)要保证HGGH各环路单元工作性能稳定，须要在制造过程中，对真空度、介质成分、介质充装量、配比等影响质量的各个因素进行严格控制。

(2)在试验给定的特征数下，换热系数取值可接近65.63W/(m2·℃)取值。

(3)实际流速为7.626m/s与8.06m/s，符合换热设备选用的实际流速7～12m/s取值范围。

(4)一定程度上，解决了酸腐蚀和结垢问题，更适合湿法烟气脱硫系统，且HGGH可实现分体安装，相对蓄热式GGH具备技术竞争优势[10]。

(5)A2-B2组数据异常，经检查为温度传感器损坏。

(6)若通过改变流量、烟气进口温度，测定多组换热系数k1，k2，…，kn，可拟合出该特征数下的努塞尔数准则方程中Nu=CRemPRn的C、m、n。

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Study of Split-Type Heat Pipe of Gas-Gas Heater Heat Transfer Experiment

LI Yongtian WU Pingtang
(Dong Hua University，shanghai 200051，China)

Split-type heat pipe gas - gas heater (HGGH in abbreviation) is a widely applied type of gas reheat. In order to verify the heat transfer ability of HGGH ，according to the Similar Principle，to test the model of its heat transfer performance and to analyze the results. Base on the analysis and calculation of test data，the heat transfer coefficient value range of test model is been calculated，The purpose of verifying the theoretical calculation these results will give a reliable technical support for HGGH's market promotion.

HGGH；similarity theory；heat transfer coefficient

李永田，高级职称，主要从事工业节能、能效分析及工程管理

X773/TK39

A

1673-288X(2017)01-0098-04

引用文献格式：李永田.热管分体式气—气加热器换热试验研究[J].环境与可持续发展，2017，42(1)：98-101.