冷凝換熱與協同脫硫性能實驗分析

王云剛，焦健，鄧世豐，趙欽新，邵懷爽

（西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049）

截至目前，絕大部分電廠通過濕法脫硫（WFGD）、濕式靜電除塵器（WESP）、煙氣深度冷卻技術（FGC）等的綜合應用已基本完成超低排放改造目標，有效控制了煙氣中的可過濾顆粒物（FPM）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等污染物[1]。但是，由于濕法脫硫帶來的SO3多以H2SO4酸霧的形式存在，造成尾部受熱面腐蝕嚴重[2]。煙氣對流冷凝換熱技術是通過將煙氣溫度降低至煙氣中水蒸氣露點溫度區域，從而回收煙氣中的對流顯熱和部分水蒸氣潛熱，并提高熱效率[3-5]；而在煙氣中水蒸氣的冷凝過程中，可溶性鹽、硫酸霧等可凝結顆粒物也會吸附凝并于冷凝液中，再經除霧器等手段可將液體連同其中的污染物一并脫除。此方法不僅能夠減少污染物排放，消除“白色煙雨”，而且可以回收煙氣中的水分，節能降耗。為了實現煙氣的深度冷凝，回收煙氣中的顯熱和潛熱，脫除煙氣中污染物，高效的煙氣冷凝換熱成為這一技術應用的關鍵。

自1916 年Nusselt 對凝結換熱模型進行開創性的探索后，科研人員對該方向的研究不斷深入[6-9]。近年來，國內外學者對含有少量不凝性氣體的蒸汽冷凝已經有了更為細致的研究。Huang 等[10]綜述性地介紹了在不凝性氣體存在下的機理、相關實驗和研究進展，闡述了膜狀冷凝的傳熱物理模型。Osakabe 等[11]建立了凝結換熱能量和質量平衡的數學分析模型，并通過實驗驗證該模型的正確性。Wang 等[12]基于冷凝傳熱機理，構建了一種左右對稱內翅片管，其換熱系數比光管高4～8倍，比中心對稱內翅片管高1.3～1.8 倍。Levy 等[13]通過冷凝換熱器回收煙氣汽化潛熱，分析了煙氣中水蒸氣濃度、換熱器結構參數等對凝結過程的影響，同時還建立了水蒸氣冷凝率的預測數學模型。Jeong 等[14]對Colburn-Hougen 雙膜理論模型進行了修正，提出了新的分析方法。Chen等[15]則對采用冷凝換熱器前后的鍋爐效率進行了比較，證明了冷凝換熱器能夠使生物質鍋爐的效率增加30%以上，同時他們還對換熱器內部冷液腐蝕問題做了研究和探討。國內方面，李俊[16]、譚冰等[17]、王丕嶺[18]、婁桂云等[19]、莊正寧等[20]、陳靜妍等[21]也都對含有不凝性氣體的冷凝換熱問題進行了相應研究。

由于煙氣冷凝后受熱面腐蝕嚴重，普通材質換熱器難以長期安全運行。鑒于此，推薦采用氟塑料換熱器和雙相不銹鋼換熱器[22-25]。但是，氟塑料熱導率小，換熱器體積龐大；雙相不銹鋼是一種新型不銹鋼，多為板式換熱器形式，缺乏小細管雙相不銹鋼換熱器的針對性研究。此外，部分研究表明含濕煙氣在冷凝時能夠對細微顆粒物進行脫除，比如孫金棟等[26]通過實驗探討了單管中濕煙氣冷凝對SO2的吸收情況；王茜雯等[27]通過采用氟塑料毛細管冷凝式換熱器，證明換熱器內冷凝降溫可促使次生細顆粒物發生非均相凝結。可見，在有關冷凝與脫硫的相關研究中，也很少涉及不同換熱器材料的對比研究，尤其是氟塑料換熱器和不銹鋼換熱器在相同工況下其冷凝換熱能力與協同脫除污染物能力的對比研究。

因此本文通過搭建天然氣熱態實驗臺，選取2205不銹鋼及PTFE氟塑料作為冷凝換熱器管束材料，對煙氣經過不同冷凝器的傳熱過程進行分析，整理出實驗范圍內的換熱準則關聯式，并通過H2SO4霧化蒸發系統，驗證了冷凝過程對SO3/H2SO4也有較為明顯的協同脫除作用。

1 實驗系統與換熱器結構

天然氣熱態實驗臺由實驗臺主體和測量控制系統組成。實驗臺主體部分由爐膛、一級冷卻換熱器、二級冷凝換熱器以及水循環系統構成。測量控制系統主要由流量測量、溫度測量、煙氣成分分析和冷凝液成分分析系統四個部分構成。實驗系統示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統示意圖

實驗本體的冷凝換熱器管束結構如圖2 所示。2205 管式冷凝換熱器的箱體和管束材質均為2205雙相不銹鋼，換熱管束外徑18mm，壁厚2mm，換熱段長度254mm。氟塑料管式冷凝換熱器的管束材質為氟塑料，其管箱外殼為316不銹鋼，管箱內襯有2mm 氟塑料板。換熱管束外徑10mm，壁厚1mm，換熱段長度254mm。

圖2 二級冷凝換熱器本體結構

實驗運行基本流程為：煙氣在爐膛內部通過輻射傳熱與盤管內冷卻水進行換熱后進入一級冷卻換熱器，使煙氣溫度從約380℃降至約90℃。煙氣隨后經過覆蓋有保溫層的轉彎煙道和均流段后進入實驗段——二級冷凝換熱器。煙氣在二級冷凝換熱器內完成顯熱對流換熱和潛熱凝結換熱后經離心引風機引出，最終通過排煙管排入大氣。煙氣在冷凝換熱器中由凝結產生的冷凝液通過換熱器箱體底部的錐形排液槽收集。

實驗過程中，實驗段進出口煙氣溫度、進出口水溫、管壁溫度均小于100℃，因此本文采用T 型熱電偶進行各類溫度測量，精度為±0.004|t|。實驗中煙氣流量通過Testo 425 熱敏風速儀測量煙氣流速獲得，最大量程20m/s，精度±(0.03m/s +5% 測量值)。給水由給水箱儲存，通過給水泵和泵前球閥對流量進行控制。水流量由轉子流量計讀出，最大量程為40L/min，精度1.0級。

煙氣成分使用GA-21plus 煙氣分析儀進行分析。經過冷凝換熱器冷凝下來的液體通過冷凝液收集裝置收集后稱量，稱量儀器采用賽多利斯（Sartorius）公司生產的BS210S 型精密電子天平，最大稱重210g，測量精度0.1mg。已收集的冷凝液使用RPIC-2017離子色譜儀測量SO2-4濃度，進而計算出H2SO4冷凝脫除率。

2 凝結傳熱實驗結果及數據處理

2.1 數據處理方法

實驗所用天然氣為燃氣公司提供的管道天然氣，其組分和熱值如表1所示。由于本文主要針對凝結換熱，因此所用熱值均取其高位熱值。表2給出了煙氣的物性參數計算方法，按照煙氣中各氣體組分的體積/質量分數進行加權平均。

表1 實驗用天然氣組分

表2 煙氣物性計算方法

冷凝液量是指在一段時間內煙氣經過冷凝換熱器時，水蒸氣凝結下來的凝結水量。冷凝率表示一段時間內冷凝水質量與流經冷凝換熱器的總水蒸氣量的比值，是凝結換熱強弱的直觀表現，計算見式(1)。

式中，ω為冷凝率，%；mw為進入冷凝換熱器的全部水蒸氣質量，kg/s。

煙氣中的水蒸氣分壓力主要由過量空氣系數α和爐內壓力p決定。過量空氣系數與水蒸氣露點溫度的關系如圖3所示，且空氣相對濕度也對水蒸氣露點溫度存在影響。

圖3 過量空氣系數和水蒸氣露點溫度的關系曲線

本文使用水蒸氣分壓力研究其對凝結換熱過程的影響。量綱為1壓力參數ξ定義見式(2)。

式中，pH2O為煙氣中水蒸氣分壓力，MPa；p為爐內總壓，MPa。

同時定義量綱為1溫度系數τ如式(3)。

式中，tl為水蒸氣露點溫度，℃；tw為換熱管壁面平均溫度，℃；tg為煙氣主流平均溫度，℃。

根據量綱分析法，總結了量綱為1水蒸氣分壓力系數ξ和量綱為1 溫度系數τ對冷凝換熱器凝結傳熱的影響規律，得到水蒸氣冷凝率ω計算準則關系式，見式(4)。

式中，a1為鍋爐運行過程中其他因素對水蒸氣冷凝率的影響系數；m1、n1為冷凝相關指數。

2.2 過量空氣系數的影響

在保持給水溫度和流量不變的情況下，實驗研究了過量空氣系數α對兩種冷凝換熱器凝結換熱性能的影響。圖4 給出了在燃燒器功率為33kW、給水溫度為15℃和40℃時，過量空氣系數α對兩種換熱器各換熱系數和水蒸氣冷凝率的影響。

圖4 過量空氣系數與兩種換熱器換熱系數的關系曲線

從圖4可以看出，在相同的給水溫度下，隨著過量空氣系數從1.1增大到1.2，兩種換熱器的總換熱系數和凝結換熱系數均呈現減小趨勢，而顯熱對流換熱系數無明顯變化。給水溫度越高，過量空氣系數對凝結換熱系數的影響越大。給水溫度15℃時，過量空氣系數每增大0.05，2205冷凝換熱器凝結換熱系數減小約11%；給水溫度為40℃時，過量空氣系數每增大0.05，2205冷凝換熱器凝結換熱系數減小約13%。過量空氣系數與水蒸氣冷凝率的關系曲線如圖5所示，兩種換熱器水蒸氣冷凝率均隨著過量空氣系數的增大而減小。

圖5 過量空氣系數與水蒸氣冷凝率的關系曲線

因此，對于兩種換熱器，較低的過量空氣系數均有利于凝結傳熱的發生。在實驗范圍內，相同的給水溫度時，過量空氣系數為1.1 時，兩種換熱器的凝結換熱系數最大，換熱效果最好。

在給水溫度15℃、過量空氣系數為1.1 時，2205冷凝換熱器水蒸氣冷凝率最大，達到85.57%，氟塑料冷凝換熱器水蒸氣冷凝率最大為42.04%。

2.3 給水溫度的影響

在保持過量空氣系數不變的情況下，實驗研究了給水溫度Tc對兩種冷凝換熱器凝結換熱性能的影響。圖6 給出了燃燒器功率33kW，過量空氣系數分別為1.1和1.2時，給水溫度Tc對兩種冷凝換熱器換熱系數和水蒸氣冷凝率的影響。可以看出，在相同的過量空氣系數下，隨著給水溫度的升高，兩種換熱器的總換熱系數和凝結換熱系數均呈現明顯的減小趨勢。給水溫度為15℃、過量空氣系數為1.1時，2205 冷凝換熱器凝結換熱系數達到實驗范圍內最大值250.68W/(m2·K)，氟塑料冷凝換熱器最大凝結換熱系數131.09W/(m2·K)；給水溫度為40℃、過量空氣系數為1.2時，2205冷凝換熱器凝結換熱系數最小為80.76W/(m2·K)，氟塑料冷凝換熱器凝結換熱系數最小為18.8W/(m2·K)。總換熱系數和凝結換熱系數下降是因為隨著給水溫度的升高，水溫逐漸逼近露點溫度，換熱溫差和傳質驅動力逐漸減小，凝結過程更難發生。

圖6 給水溫度與兩種換熱器換熱系數的關系曲線

圖7給出了不同給水溫度下，兩種換熱器水蒸氣冷凝率的變化。從圖中可以看出，給水溫度對兩種換熱器的凝結換熱效果均有著非常重要的影響。當給水溫度Tc小于等于35℃時，2205 不銹鋼換熱器能夠擁有較好的冷凝效果，水蒸氣冷凝率ω基本可以實現接近或大于40%；當給水溫度Tc小于等于15℃時，氟塑料冷凝換熱器能夠具有較高的水蒸氣冷凝率，ω接近或大于40%。相對而言，在給水溫度相同時，2205不銹鋼換熱器具有更高的冷凝率。究其原因，2205不銹鋼的熱導率要高于PTFE氟塑料，相同的給水溫度下管壁溫度更低，因此水蒸氣溫度和管壁溫的溫差就大，更易于冷凝過程的發生。

圖7 給水溫度與兩種換熱器水蒸氣冷凝率的關系曲線

2.4 凝結傳熱實驗關聯式

基于上述實驗結果，并結合式(4)可建立實驗關聯式，將a1τn2=C代入上式，得ω=Cξm1。對其兩邊求對數得：lnω=lnC+m1lnξ，m1即為曲線斜率。將m1代入式(4)可依次求解a1、n1。

求解可得，2205 冷凝換熱器的實驗關聯式為ω=120.12ξ1.992τ1.276，適用范圍：0.11≤τ≤0.33，0.16≤ζ≤0.176。氟塑料冷凝換熱器的實驗關聯式為ω=1412.23ξ3.067τ2.206，適用范圍：0.11≤τ≤0.29，0.16≤ζ≤0.176。

擬合結果如圖8所示，計算值與實驗值之間的相對誤差均在10%以內。

圖8 冷凝率實驗值與擬合公式結果比較

3 SO3/H2SO4冷凝脫除

為研究不同冷凝工況對SO3/H2SO4冷凝脫除的影響因素及作用規律，本文在前述冷凝換熱實驗系統的基礎上增加H2SO4霧化蒸發系統。該霧化蒸發系統通過超聲霧化機產生H2SO4蒸氣，并隨原煙氣充分混合后進入冷凝換熱器。經過冷凝換熱器時，一部分H2SO4會冷凝成硫酸霧滴或亞微米氣凝膠。運行一段時間后，收集通過U 形煙道底部的冷凝液，并通過離子色譜儀測量SO2-4濃度，進而計算出H2SO4冷凝脫除率。

3.1 給水溫度影響

圖9給出了SO3/H2SO4濃度分別為8μL/L、20μL/L、30μL/L、60μL/L 時，冷凝換熱器給水溫度對SO3/H2SO4冷凝脫除率的影響規律。通過實驗數據可以發現，SO3/H2SO4濃度一定時，在實驗給水溫度范圍內，冷凝脫除率隨著冷凝溫度的升高而增加。在濃度8μL/L時，冷凝脫除率達到18%以上。這是因為在較低的給水溫度下，冷凝換熱器換熱管壁溫度較低，攜帶SO3/H2SO4氣體的煙氣在進入冷凝換熱器后溫度會發生明顯降低，SO3凝結會形成硫酸霧滴，但與此同時很多SO3在溫度降低時會凝結形成硫酸氣溶膠，其粒徑為亞微米級，傾向于跟隨煙氣排出。因此在給水溫度較高時，SO3/H2SO4冷凝脫除率反而比較低。

圖9 不同SO3/H2SO4濃度下冷凝脫除率隨給水溫度的變化

3.2 H2SO4濃度改變

本實驗通過霧化蒸發不同濃度的稀硫酸溶液以改變煙氣中SO3/H2SO4濃度，進而分析不同SO3/H2SO4濃度對SO3/H2SO4冷凝脫除率的影響。從圖10可以看出，SO3/H2SO4冷凝脫除率隨著濃度的增加而減小，但隨著濃度的增加，這種趨勢在減弱。

圖10 SO3/H2SO4冷凝率隨SO3/H2SO4濃度的變化曲線

從圖11 可以看出，SO3/H2SO4的絕對冷凝量隨其濃度的增加而增加。當給水溫度為40℃、H2SO4濃度從最小增加到最大60μL/L 時，SO3/H2SO4冷凝脫除率大約減少了53%。分析其原因，SO3/H2SO4濃度增大會使煙氣酸露點升高，在給水溫度不變的情況下，會凝結產生更多的硫酸霧滴，因此，一定時間內的H2SO4絕對冷凝量在增加。與此同時，SO3/H2SO4濃度的增加會使得極速冷卻效果加劇，導致生成更多粒徑較小的硫酸氣溶膠，使得硫酸霧滴的增量小于煙氣攜帶的SO3/H2SO4氣體的增量，冷凝脫除率反而出現減小趨勢。SO3/H2SO4濃度較小時，濃度的變化對煙氣酸露點溫度的影響比較大，隨著SO3/H2SO4濃度逐漸增大，其作用趨緩。

圖11 SO3/H2SO4冷凝量隨SO3/H2SO4濃度的變化曲線

4 結論

本文利用自行搭建的天然氣凝結換熱協同脫硫實驗平臺，對兩種2205雙相不銹鋼和PTFE氟塑料小細管換熱器的煙氣凝結換熱性能和SO3/H2SO4隨冷凝脫除特性進行了實驗研究，得到如下主要結論。

（1）隨著過量空氣系數的增大，煙氣中的水分壓降低，2205不銹鋼/PTFE氟塑料冷凝換熱器的總換熱系數、凝結換熱系數及水蒸氣冷凝率均呈現減小趨勢，而顯熱對流換熱系數無明顯變化。過量空氣系數為1.1 時，兩種換熱器的凝結換熱系數達到最大，換熱效果最好。

（2）2205 不銹鋼換熱器在給水溫度相同時具有比PTFE 氟塑料換熱器更高的冷凝率和凝結換熱系數。在實驗工況條件下，2205 冷凝換熱器的冷凝率為19.53%～85.57%，最大凝結換熱系數為250.68W/(m2·K)；氟塑料冷凝換熱器冷凝率為4.92%～42.04%，凝結換熱系數最高為131.09W/(m2·K)；隨著給水溫度不斷增加，兩種換熱器的潛熱凝結換熱系數均逐漸減小，且在相同給水溫度下，2205 不銹鋼換熱器的潛熱凝結換熱系數明顯優于PTFE 氟塑料換熱器。當給水溫度進一步增加超過35℃時，凝結換熱系數在數值上逐漸與對流換熱系數接近。

（3）煙氣中水蒸氣分壓力、煙氣平均溫度、水蒸氣露點溫度以及換熱壁面平均溫度都會影響凝結換熱過程。基于文中所提出的量綱為1水蒸氣分壓力系數ξ和量綱為1 溫度系數τ，對實驗數據進行線性擬合，整理得到了2205 不銹鋼換熱器的水蒸氣冷凝率量綱為1 準則關聯式為ω=120.12ξ1.992τ1.276，適用范圍：0.11≤τ≤0.33，0.16≤ζ≤0.176。PTFE 氟塑料換熱器水蒸氣冷凝率量綱為1準則關聯式為ω=1412.23ξ3.067τ2.206，適用范圍：0.11≤τ≤0.29，0.16≤ζ≤0.176。

（4）在實驗條件下，SO3/H2SO4氣體冷凝脫除率隨著給水溫度的升高而增大，隨著SO3/H2SO4氣體濃度的增大而減小，但一定時間內H2SO4絕對冷凝量在增加，SO3/H2SO4最大冷凝脫除率達到18%以上。