基于相变凝聚传热的深度减排研究与应用

王 勇,马 聪,靳 超,孔德文

(华电国际电力股份有限公司天津开发区分公司，天津 300270 )

随着工业的快速发展，SO2、NOx和粉尘颗粒物等污染物排放量增多，超出国家标准，国家出台多项环保措施进行治理，大气环境形势依然十分严峻，对企业的要求也越来越高。

在充分考虑国家污染防治大局的前提下，在烟气中采取单个污染物多种方式联合协同治理方案，脱除含硝物质工艺采用SNCR+SCR脱硝方案[1-4]，脱除含硫物质采用炉内适当位置喷钙+炉后采取石灰石-石膏湿法脱除含硫物质的工艺[5-9]，除尘采用电袋除尘+脱硫塔高效协同脱除工艺[10-12]，机组排放指标得到提升，从而全面满足国家及地方污染物防治要求。

结合循环流化床(Circulating Fluidized Bed ，CFB)锅炉燃烧特性，分析煤质成分、环境温度、环境相对湿度等因素对石灰石-石膏湿法脱硫后烟气温度(简称烟温)的影响。通过烟气冷凝器(Flue Gas Condenser， FGC)表面相变凝聚传热以达到降低可凝结颗粒物排放的目的。

1 吸收塔出口烟温影响因素研究

经吸收塔喷淋后的烟气为饱和湿烟气或近饱和湿烟气，在烟气温度降低过程中，伴随着水蒸气凝结，其释放的热量包括两部分：一部分为物理显热；一部分为汽化潜热，其中汽化潜热占总热量的85%～90%。

吸收塔出口烟温一般在47～60 ℃，其决定了相变凝聚过程中的烟气温降及换热量的大小，进而对设备换热面积及工程造价有较大影响。

1.1 煤质成分的影响

定义无量纲煤质参数N=W(变化)/W(设计)，W代表Car、Har、Oar、Nar、Mt等煤质成分。图1为收到基煤质参数设计值在70%～130%变化时，对吸收塔出口烟温的影响。由图1可知，随着Mt、Har质量浓度上升，吸收塔出口烟温上升，Mt、Har质量浓度变化与吸收塔出口烟温近似呈线性关系，其中Mt每增加1%，吸收塔出口烟温增加约0.21 ℃，Har每增加1%，吸收塔出口烟温增加约1.78 ℃；随着Car质量浓度上升，吸收塔出口烟温近似呈指数下降；随着Oar、Nar质量浓度上升，吸收塔出口烟温基本不变。

图1 煤质参数变化对吸收塔出口烟温影响

1.2 环境温度的影响

选用天津地区1—12月平均温度作为设计环境温度，吸收塔出口烟温变化如图2所示，其中1—7月，随着环境温度上升，空气含湿量上升，吸收塔出口烟温上升，7月环境温度最高，吸收塔出口烟温最高；7—12月，随着环境温度下降，吸收塔出口烟温降低。

图2 环境温度对吸收塔出口烟温影响

1.3 相对湿度的影响

相对湿度对吸收塔出口烟温的影响如图3所示。相对湿度在50%～90%，随着环境相对湿度增加，吸收塔出口烟温上升，二者近似呈线性关系，环境湿度每增加10%，吸收塔出口烟温约增加0.22 ℃。

图3 相对湿度对吸收塔出口烟温影响

2 相变凝聚传热的机理与试验研究

脱硫吸收塔中烟气与脱硫浆液逆向接触，脱硫浆液中水分吸收烟气热量变为蒸汽进入烟气生成饱和湿烟气或近饱和湿烟气，湿烟气中含有未能完全收集的微细颗粒、SO3等气溶胶粒子及惯性携带的石膏浆液雾滴。采取烟气降温的手段，使饱和湿烟气中水蒸气冷凝，在冷凝过程中气溶胶粒子等可凝结颗粒物可作为水蒸气凝结的晶核，随水蒸气凝结而被脱除。

饱和湿烟气或近饱和湿烟气通过热交换达到降低烟气温度及含湿量的目的，在热交换过程中，FGC表面会发生相变凝聚。在实际应用过程中所发生的相变凝聚过程往往极为复杂，例如烟气中有不凝结的成分且不凝结成分占大多数，在竖直方向上水平管可能是叠层布置，换热面是平面板式等。在国内外研究的基础上，提出一种饱和湿烟气相变凝聚传热的基本关联式，关联式为努塞尔Nusselt凝结换热计算式TNu的修正形式：T=h·TNu，其中h由试验数据确定。

冷凝壁面通过气相主体传递热量，其总传热量由不发生相变的显热与发生物理相变的潜热两部分组成。冷凝液膜是蒸汽遇冷而凝结在冷凝壁面上形成的，由于不凝结气体的存在，使其不能顺利通过冷凝液膜，形成了气-汽扩散层，蒸汽要在冷凝壁面上冷凝，唯有通过扩散和对流两种方式穿过扩散层。主体饱和温度由于不凝结气体的大量存在而高于界面的饱和温度。纯蒸汽冷凝中，管内冷凝传热的主要热阻就是冷凝液膜。主体混合气和冷凝界面的传热阻力与界面附近不凝结气体浓度成线性关系，随着浓度升高而增加。气-汽边界层温度梯度随着不凝结气体含量增多，传热阻力就会越来越大。因此不凝结气体存在的条件下，冷凝传热系数会明显降低。

3 结束语

在脱硫塔后净烟道设置FGC提升吸收塔出口烟气温度，单台机组可降低烟气的含液量约 20 t，同时通过烟气温度和含湿量控制达到降低烟气中可溶性盐、硫酸雾、有机物等可凝结颗粒物的控制效果，消除石膏雨及有色烟羽等现象。