用于燃煤烟气除湿消白的湿电平板降膜模拟及试验研究

2021-05-15张昊董勇赖艳华崔琳杨潇

化工学报 2021年4期

张昊，董勇，赖艳华，崔琳，杨潇

（山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061）

引言

火力发电仍然是目前世界上最主要的发电形式，如何提高煤电机组的燃煤利用率，降低发电煤耗，对于节能减排工作意义重大。在中国，许多燃煤电厂建于极度缺水的西部地区，作为工业用水大户，燃煤电厂水分的回收及循环利用有利于缓解用水紧张的局面，降低水耗。

目前燃煤电厂大多采用湿法脱硫工艺(WFGD)处理烟气，经过脱硫浆液洗涤后的烟气成为50℃、相对湿度100%的饱和状态[1]。据计算，300 MW 机组排放的烟气中，水蒸气含量超过85 t/h[2]，烟气的直接排放，不仅会造成水热损失，还会在烟囱出口形成浓烈“白烟”，对视觉效果及周围环境均造成不良影响。许多学者对于脱硫后烟气提出了不同的水热回收方法，包括烟气冷却[3-6]、陶瓷膜选择性渗透[7-12]以及干燥剂溶液除湿等，其中溶液除湿方法具有水热回收潜力大、烟气过热程度高、扩散能力强等优势，取得了广泛关注。溶液除湿最早应用于空气除湿领域，通过溶液与烟气之间的水蒸气分压力差驱动水分完成转移[13-17]，目前针对溶液除湿的研究集中于生物质锅炉以及燃气锅炉。

Westerlund 等[18]将两级开式吸收式热泵系统与生物质锅炉相结合，当燃用高水分燃料时，机组供热能力提高近40%。Wang 等[19-20]利用除湿溶液回收燃气锅炉中的水分及潜热，测试了不同燃料下的水、热回收率，随即对循环溶液再生比例进行了调整，使得改造后的系统水、热回收率分别提高了5.1%～41.4% 及3.0%～23.8%。 Yang 等[21-22]采用CaCl2为除湿溶液，提出了一种全热回收系统，测试结果显示该系统最高COP 可达1.621，出口烟气露点温度低至36.2℃，其水热回收性能相对于冷凝换热工艺提高19.7%～178.1%。吕扬等[23]建立了管式溶液降膜除湿试验平台，测试了CaCl2溶液参数、烟气参数、液气比以及传质面积对除湿性能的影响，并在相同工况下与冷凝除湿进行了对比，针对试验结果提出了除湿效率相对于上述参数的关联式。

与燃气锅炉相比，燃煤锅炉尾部烟气量大、温度低，净化流程较为冗杂，其水热回收利用对设备集成度提出了较高要求。已有相关的理论分析及试验证明，溶液除湿不仅水热回收潜力巨大，处理后的烟气由于存在一定的过热度，扩散能力增强，因而有利于烟囱出口白烟现象的消除[23-26]。目前燃煤电厂大多设置湿式静电除尘器（WESP）处理脱硫后烟气中的灰尘及液滴等，其工作原理是高压线放电使灰尘荷电并转移到极板上，通过平板清水布膜以及冲洗的方式将灰尘脱除。经此处理后的烟气仍然为饱和状态[27]，其中的水分及汽化潜热未得到有效回收利用，若直接排放依旧会形成白烟。基于溶液除湿，本文提出了一种集成度高的湿电系统，将除湿溶液（CaCl2）布膜于极板上，从而同时进行灰尘冲洗以及烟气除湿。基于以上分析，本文建立了湿电平板布膜溶液除湿数学模型，并对现场湿电除尘器进行了改造，探究了不同溶液及烟气参数对系统水热回收性能的影响，对除湿后的烟气进行了白烟消除效果的比较。

1 湿电平板降膜溶液除湿模型

平板降膜溶液除湿模型与试验所用湿电除尘器相对应，除湿溶液在重力作用下沿平板内侧均匀流动，烟气自下而上逆向流动，在与溶液接触的过程中完成热质转移过程。图1 展现了烟气与溶液的流动过程，截取平板某一截面，将原对称轴看作光滑绝热壁面，可以将该过程简化为一维模型。

图1 湿电平板降膜除湿过程示意图Fig.1 Schematic diagram of dehumidification process of falling-film plate in WESP

为简化数学模型，基于以下假设条件建立控制方程：

（1）该过程为绝热除湿过程，烟气及溶液与外界环境之间不存在热质交换现象；

（2）该过程为稳态的热质交换过程，烟气及溶液的物性参数（热导率、黏度系数、密度、扩散系数、比热容）为常数；

（3）不考虑溶液稀释热；

（4）气液界面处于平衡状态；

（5）忽略轴向的热质扩散，仅考虑横向的热质传递；

（6）不考虑烟气中酸性气体如SO2对溶液吸收过程的影响。

质量守恒方程为：

对于除湿溶液，组分守恒方程为：

取微元体dL，微元体能量守恒方程为：

微元体质量守恒方程为：

引入无量纲参数Le以及NTU：

可得：

其中，α 为对流传热系数，k 为对流传质系数，we为与溶液状态相平衡时的烟气含湿量，he为与溶液状态相平衡时的烟气比焓。

2 湿电平板降膜除湿试验系统

试验所用湿电除尘器结构参数如表1 所示，内部平行设置有八块极板，每两个极板间隔200 mm，之间设置有喷嘴，喷射角度为90 度，可以保证喷嘴两侧极板均匀布置液膜。

表1 湿式静电除尘器结构参数Table 1 Structural parameters of WESP

图2 为湿电除尘除湿系统及测点分布示意图，在冲洗水管路处添加一个溶液支路，安装配套的溶液箱、溶液泵、流量计以及阀门，其目的在于保留湿电清水冲洗功能。考虑到溶液的除湿性能以及经济性，采用CaCl2作为除湿溶液[28]。为了检验除湿溶液对于湿电除尘效果的影响，分别测量并计算了溶液及清水冲洗的除尘效率。试验过程中典型的烟气成分组成以及测量仪器的精度和量程如表2、表3所示。

图2 湿电平板降膜除湿系统示意图Fig.2 Schematic diagram of dehumidification system of falling-film plate in WESP

表2 湿电平板降膜试验烟气组分（50℃，相对湿度100%）Table 2 The composition of flue gas in dehumidification system of falling-film plate in WESP（t=50℃，RH=100%）

3 模拟及试验数据分析

在本文中，通过数值模拟与试验，分别探究了不同烟气温度、烟气Reynolds数、溶液温度及浓度对系统性能的影响。水回收率以及热回收率用来评价系统水热回收性能，同时比较了系统除湿过程中不同参数下的热量变化情况。最后针对试验结果，拟合出该系统在不同烟气及溶液进口参数下的传质系数试验关联式。

水回收率：

烟气热量变化：

溶液热量变化：

热回收率：

传质系数：

其中，

Δwmax与Δwmin分别为烟气含湿量与溶液等效含湿量之差的最大值及最小值。

湿电除尘除湿试验及模拟参数如表4所示。

3.1 模型验证

在对系统性能进行详细分析前，首先以多组不同工况下的试验结果为基础，对数学模型进行了验证。如图3 所示，试验水回收与模拟水回收率之间的误差基本上都在10%以内，证明该模型与试验的拟合度良好，能够比较准确地反映湿电平板降膜溶液除湿过程。

图3 试验及模拟水回收率比较Fig.3 Comparison between simulated and experimental water recovery efficiency

3.2 烟气温度及Reynolds数的影响

当溶液温度40℃、浓度40%、流量2.5 m3/h 时，烟气温度及Reynolds 数对系统水、热回收率的影响如图4、图5 所示。随着烟气温度由40℃上升到60℃，水、热回收率均以一个逐渐减缓的趋势增加，其中最大水回收率由27.4%增长到了37.8%，最大热回收率由22.4%增加到35.1%。这是因为当溶液温度及浓度不变时，烟气温度的增加一方面增强了烟气与溶液之间的显热交换，另一方面提高了烟气水蒸气分压力从而增强了传质驱动力，促进了更多的水分回收。由于除湿过程的热质耦合效应，系统的水、热回收率随烟气温度呈现出相同的趋势。但是过高的烟气温度不利于提高烟气过热度，因为此时烟气与溶液之间的传热传质绝大部分由温差驱动，溶液除湿效果接近烟气冷凝，烟气仍然维持饱和状态。

表3 湿电平板降膜试验测量设备Table 3 Specification of different measuring devices in dehumidification system

表4 湿电除湿模拟及试验参数Table 4 Simulation and test parameters of solution dehumidification in WESP

图4 烟气温度及Reynolds数对水回收率的影响Fig.4 Effect of the inlet flue gas temperature and Re on water recovery efficiency

图5 烟气温度及Reynolds数对热回收率的影响Fig.5 Effect of the inlet flue gas temperature and Re on thermal recovery efficiency

烟气Reynolds 数代表了烟气内部的紊流程度。图4、图5 显示出系统的水、热回收率均随烟气Reynolds 数的增加而降低，这是因为烟气流速的增加导致烟气与溶液之间接触时间缩短，传热传质过程没有充分进行，水分吸收量降低，释放潜热量减少。

3.3 溶液温度及浓度的影响

在本工况中，溶液流量2.5 m3/h，烟气温度50℃，Reynolds 数3467。由图6、图7 可得，随着溶液温度的增加，水、热回收率均呈现出下降的趋势。溶液温度对系统性能的影响有两方面，首先由于入口溶液温度是低于烟气的，所以溶液温度的增加削弱了溶液与烟气之间的显热传递，从而降低了烟气的热回收率。另一方面，溶液温度增加，其表面蒸气压上升，与烟气之间的蒸气压差减小，从而削弱了传质驱动力，降低了水分以及潜热的回收。

图6 溶液温度及浓度对水回收率的影响Fig.6 Effect of the solution temperature and concentration on water recovery efficiency

图7 溶液温度及浓度对热回收率的影响Fig.7 Effect of the solution temperature and concentration on thermal recovery efficiency

而随着溶液浓度的增加，系统水、热回收率均增加，其同样是通过影响蒸气压差来作用于水热回收的。溶液表面蒸气压随溶液浓度的增加而降低，从而增强了传质驱动力，强化了传热传质效果。需要注意的，高浓度的溶液会增加其结晶的风险，在模拟工况中，50%的溶液在温度低于37.5℃时就会出现结晶现象。

3.4 系统热量变化分析

图8分析了不同烟气及溶液参数对系统热量变化的影响。与水、热回收率的变化一致，系统潜热回收量与烟气温度及溶液浓度的变化呈正相关，与溶液温度的变化呈负相关。而对于烟气Reynolds数，由于与质量流量有关，所以尽管其不利于热回收率，但是有利于潜热回收量的提高。值得注意的是，在图8(a)、(c)中，当烟气与溶液温度相同时，由于两个介质之间巨大的热导率的差异，水蒸气的汽化潜热绝大部分进入溶液。

3.5 传质系数试验关联式

根据前面试验及模拟数据的分析，得到了不同烟气及溶液参数对湿电平板降膜性能的影响。此处根据试验数据构建了适用于该系统的传质系数，其参数范围参考表4。利用Matlab 多元线性回归处理，得到以烟气温度、烟气含湿量、溶液温度、溶液浓度、液气比为变量的多元线性回归模型，关联式如下所示：

拟合关联式的相关系数为0.9272，证明其与试验结果吻合较好。由关联式得知，烟气含湿量、溶液温度、溶液浓度、液气比均对k 有正向影响，烟气温度对k有反向影响。液气比对传质系数的影响很小，这也符合平板降膜的特点。

4 湿电平板降膜对除尘效率的影响

对几组试验中的出口烟气进行采样分析，测试其进出口粉尘含量，并与清水冲洗对照组进行比较，结果如表5所示。

表5中，第一组试验为清水冲洗对照试验，冲洗水为32℃的电厂工艺水，其除尘效率可达91.8%。2～4 组分别为不同工况下的湿电溶液平板布膜除尘，可以看出，当冲洗水替换成CaCl2溶液后，对湿电除尘器的除尘性能影响不大，出口烟气粉尘含量基本都低于5 mg/m3的超低排放标准，其粉尘脱除率均维持在90%以上。

图8 不同参数下系统热量变化Fig.8 Effect of the different parameters on heat variation

表5 湿电平板降膜除尘效率Table 5 Dust removal efficiency of falling-film plate dehumidification in WESP

5 湿电平板降膜对白烟消除的影响

脱硫后的烟气维持相对湿度100%的饱和状态，当由烟囱排向环境时，由于温差的存在，烟气中的水蒸气液化形成小水滴，在光照折射效果下会形成浓厚的白烟。白烟的形成与大气环境、烟气温湿度紧密相关，其根本原因是饱和烟气中水蒸气的冷凝液化[29-32]。

溶液除湿相对于烟气冷凝，可以将烟气处理至未饱和状态，除湿后的烟气存在一定的过热度，从而在一定程度上缓解甚至避免烟囱出口白烟现象的发生。如图9 所示，A 点为湿法脱硫后的烟气状态点，B 点为试验当天环境温湿度（温度15.2℃，含湿量5.9 g/kg），A、B 连线与100%饱和线相交，即会形成白烟。而C 点为环境点B 相对于饱和线的切线交点，B-C 切线左侧阴影部分为白烟完全消除的区域。

图9 烟气出口状态在温湿图上的表示Fig.9 Representation of outlet flue gas status on enthalpy wet figure

将本次试验中所有烟气出口状态点在图9中表示可得，溶液除湿处理后的烟气皆存在一定的过热度，大多数烟气出口状态点位于B-C 切线附近，少量出口状态点位于完全消白区。图10 选取了湿电平板降膜除湿系统关闭以及开启后不同工况下的白烟现象，图10(a)、(b)、(c)分别反映了无消白、削弱白烟、完全消白三种情况。可以看到，当湿电除湿系统关闭时，烟囱出口白烟现象比较明显；而在除湿效率27.8%时，出口烟气温度45.8℃，含湿量55.2 g/kg，烟囱出口白烟变得比较稀薄；当除湿效率达到34.5%、出口烟气温度41℃、含湿量39.6 g/kg 时，烟囱出口几乎没有白烟的发生。