烟气除湿和表面冷凝换热的研究_郭大山.pdf

烟气除湿和表面冷凝换热的研究 郭大山，高 嵩（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨；高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室（哈尔滨锅炉厂有限责任公司），黑龙江 哈尔滨）；哈尔滨锅炉厂预热器有限责任公司，黑龙江 哈尔滨）摘 要：部分工业排放的烟气中含有大量水蒸气，通过降低烟气温度可以降低烟气中的水蒸气含量。一方面可以回收水蒸气的热量，另一方面在水蒸气凝结的过程中可以减少烟气中的污染物携带。通过对换热管外表面冷凝换热原理的研究，实现烟气除湿工艺要求。在烟气除湿工艺的设计过程中，需要考虑不同成分情况对除湿设备换热效果以及设备选材的影响。关键词：表面冷凝；烟气除湿；换热中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：郭大山（），男，高级工程师，从事电站锅炉研发与设计工作。烟气除湿 烟气除湿与余热回收随着我国在环境保护、节能提效方面的法规、政策要求的不断加强，节能提效改造工作在各行业中广泛开展。对于尾部烟气排放温度较高的行业，通过回收尾部烟气的热量可降低化石能源材料的消耗，同时降低污染物排放。以燃气供热行业为例，天然气供热在我国一般有燃气锅炉供热、燃气热电联产等形式，其尾部烟气余热仍有进一步利用的空间。若将烟气排放温度降低至 ，则可以实现对热量更高效地利用。烟气除湿与污染物脱除烟气排放过程中，一方面会产生大量的热量损失，另一方面将不断地向大气中排放烟气污染物。虽然截止到 年全国已经完成了电力行业超低排放改造工作，各项污染物监测指标已经显著减少，很大程度上改善了大气环境，但是烟气中尚有大量溶解性固形物、可凝结颗粒物。这些污染物颗粒体积微小，长时间停留在大气环境中，扩散距离远，仍可能加剧雾霾天气的形成。在工业烟气排放至大气之前，安装烟气冷凝设备可以将烟气中的水蒸气部分析出，同时将此类污染物吸附脱除。烟气除湿设备的材料选择烟气冷凝器的工作原理与空调设备中的表面式冷却除湿原理一致，设备内部布置大量换热管，管内通入冷却水，降低烟气温度以实现烟气中水蒸气的凝结。烟气冷凝器在设计制造过程中需要注意换热管材料的选择以及选型计算。换热管材料的选择需要从两个方面进行考虑，一方面是换热器的使用环境，即烟气中的腐蚀成分。烟气中若含有氟、氯、硫等元素化合物将具有较强的腐蚀特性，常见的工业材料有奥氏体不锈钢、双相不锈钢、钛等金属材料，具有良好的抗腐蚀特性。另外也可以选用工业用聚四氟乙烯塑料，其具有极强抗酸性物质腐蚀的特性。另一方面由于设备的主要应用是通过冷凝水蒸气实现除湿作用，所以选用的材料宜具备更佳的亲水性。亲水性佳的材料更容易吸附烟气中凝结出的水滴，同时可以使凝结水迅速排出。金属都不属于亲水性材料，但是可以通过在金属表面增加亲水涂层改善亲水性。对于聚四氟乙烯塑料，由于其中含有氟元素，所以也不具有亲水性，可以通过对 第 期锅 炉 制 造 年 月 其表面改性而改善其亲水性。烟气冷凝换热的计算原理换热管换热过程需要考虑两种情况，若工业排放烟气中的水蒸气含量未达到饱和状态，换热管给烟气降温的过程中，不会使烟气析出液态水，仅仅会因为换热管壁温低于水蒸气露点温度，而导致换热管管壁结露。随着烟气温度下降，水蒸气组分达到其饱和状态，通过换热管介质的冷却，水蒸气组分因为过饱和而冷凝析出。总体来说就是：烟气降温过程中，在水蒸气含量未饱和的情况下，换热管管壁局部冷凝结露；在水蒸气含量饱和的情况下，整个烟气流域均形成雾滴，烟气中的雾滴接触到换热管后被收集下来。根据以上烟气换热的实际状况，换热器的性能计算过程需要按照两个阶段来考虑。对于第一阶段，由于凝结量较小，可以按照单纯烟气降温考虑，换热管表面换热系数可以按照公式（）（）进行计算：（）（）式中，为对流换热系数，为管子外径，为流体导热系数，常数、取决于 的大小。对于换热管顺列布置方案，具体形式为：（）对于换热管错列布置方案，具体形式为：（）（）对于第二阶段，由于烟气处于析湿过程，换热管表面即冷源表面会有大量凝水而形成水膜，由于水蒸气凝结释放潜热而具有更大的换热能力。根据热湿交换定律刘伊斯关系式，公式（）和（）：（）（）其中 （）（）其中 （）（）换热扩大系数（析湿系数）表示因存在潜热交换而增加的换热量。根据以上公式可以看出，若混合气中水蒸气的比例越大，潜热比例越大，换热扩大系数越大，换热效果就越好。因此在处理燃气锅炉尾部烟气时，由于烟气成分中水蒸气比例更大，所以换热效果更好。换热管壁外包裹的液膜厚度越厚，对应的热阻越大，换热能力也会越差。因此，换热管采用垂直布置会比水平布置换热能力强。通常烟气流速越大，换热管上由凝结水形成的液膜厚度越薄，因而热阻更小、换热效果更好。但同时烟气中携带的液态水也会增加，这不利于凝结水收集。根据实验显示，当烟气流速大于 时，烟气的大部分凝结水会被烟气携带到下游烟道，所以通常需在烟气冷凝器下游布置除雾器。换热器材质导热系数的对比关系为：不锈钢导热系数 纯钛导热系数 聚四氟乙烯塑料导热系数。所以在可以满足烟气环境使用需求的条件下，如果应用不锈钢作为换热器的主材，所需的换热面积可以更小。金属钛的导热系数低于常见的各种组分的不锈钢。但在另一个方面，由于钛金属比强度更高，可以通过选择薄壁管降低热阻。氟塑料材料可以通过挤压行成细管，以增加单位空间内的换热面积。同时可以通过在材料中增加石墨等成分，来提高换热管的导热系数。除此之外，氟塑料管材具有较好的挠性，在烟气冲刷过程中，换热管会随着烟气振动，减少了管壁上凝结的液膜厚度，间接的提高了换热。另外，氟塑料换热器的内部烟气流速需要控制在一定的合理区间（一般为 ），防止聚四氟乙烯材质的换热管发生相互缠绕、局部打结等现象。结语随着国家工业的不断发展，对于排放烟气的热量回收以及污染物脱除也日益受到重视，烟气除湿冷凝换热工艺作为主要的解决方案之一，其工业应用将会越来越广泛。参考文献 刘纪福 翅片管换热器的原理与设计 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，赵荣义 空气调节 北京：中国建筑工业出版社，锅 炉 制 造 总第 期