非金属烟气净化换热器传热及除尘试验研究

徐祥根

(烟台龙源换热设备有限公司, 山东烟台 264006)



非金属烟气净化换热器传热及除尘试验研究

徐祥根

(烟台龙源换热设备有限公司, 山东烟台 264006)

针对电厂烟尘排放超标、烟气余热浪费及烟气段金属换热器腐蚀等问题，设计制作一台试验台及由聚四氟乙烯制成的非金属烟气净化换热器，将其放置在电厂脱硫塔后的烟道中测试。通过对非金属烟气净化换热器前后的相关温度和压力点进行试验监测，得出换热器的冷凝传热系数可达170～190W/(m2·K)，换热性能良好，除尘效果优异,可推广应用于烟气余热利用、烟气除尘领域。

非金属烟气净化换热器； 聚四氟乙烯； 除尘； 余热利用

我国的火力发电厂消耗的煤炭占总产量的50%，其中排烟热损失是电站锅炉各项热损失中最大的一项，一般在5%～8%，占锅炉总热损失的80%或更高。排烟热损失的主要影响因素是锅炉排烟温度，一般情况下，排烟温度每升高10K，排烟热损失增加0.6%～1.0%，发电煤耗增加2g/(kW·h)左右[1]。

非金属烟气净化换热器可将烟气排放温度降低到50℃，并且不会产生酸腐蚀现象，回收大量的烟气余热。将非金属烟气净化换热器放置在脱硫塔后、烟囱前时，烟气中的气体组分被冷凝水吸收、反应或凝结后排出烟道, 使得排烟中硫化物、氮氧化物等有害物质有效减少。非金属烟气净化换热器采用PTFE材质的光管，其化学性能稳定，在-190～260℃内低温不脆化高温不软化，几乎对所有化学品和溶剂呈惰性。它有固体材料中最小的表面张力，表面接触角非常大，不黏附任何物质；管壁表面光滑，摩擦系数小，不易结垢。国内外在化工领域对非金属烟气净化换热器的应用已经成熟[2], 王春芬等[3]对换热器的改性研究做了技术调研；李成龙等[4-8]对热性能做了相关试验研究。在PTFE材质中添加改性材料，例如石墨等增强管材强度的研究将是后期研究的重点突破领域。

为了测试换热器的相关换热和除尘性能，笔者设计一个试验台放置于正在运行的电厂中，根据相关监测数据获取换热器的实际运行数据，为后期产品的工艺应用及改进提供依据。

1 试验系统简介

试验系统主要分烟气系统、循环水系统两部分，由锅炉、脱硫塔、鼓风机、非金属烟气净化换热器、循环水箱、冷却塔、水泵、流量计、温度、压力检测等设备组成，见图1。

烟气系统是在电厂烟道上另建一旁通管路，导入部分烟气通过鼓风机进入非金属烟气净化换热器，经过换热、净化后的烟气进入烟囱。在非金属烟气净化换热器进口烟道、出口烟道上，分别设置温度测点TE3、TE4和烟气入口采集孔，烟气出口采集孔(采集烟尘数据)。

循环水系统由冷却塔、循环水箱、水泵、过滤器、流量计、管路等设备组成。循环水通过水泵把水箱中的冷水引入换热器，换热后的热水通入冷却塔散热后进入水箱形成循环。在换热器进水管路设置温度测点TE1、压力测点PA1，温度变送器点PI1；在换热器出水管路设置温度测点TE2、压力测点PA2、温度变送器点PI2。

2 试验结果及讨论

本试验主要监测不同烟气量下的换热器传热性能及除尘净化性能。监测20000m3/h、30000m3/h、40000m3/h三组烟气进气量，在相应测点得到温度、流量值，计算出传热系数。

传热速率方程[9]:

Q=K·F·ΔT

(1)

得到Q之后，反推传热系数 ：

K=Q/(F·ΔT)

(2)

冷介质和热介质热交换平衡方程式：

G1·cp1·(t1-t2)=G2·cp2·(t3-t4)

(3)

式中：Q为换热器整个传热面上的热流量，W；K为总传热系数，W/(m2·K)；F为总传热面积，m2；ΔT为换热器的对数平均温差，K；G1、G2为热、冷侧介质的质量流量，kg/s；cp1、cp2为热、冷侧介质的比定压热容，kJ/(kg·K)；t1、t2为热侧的进、出口温度，℃；t3、t4为冷侧的进、出口温度，℃。

通过对三组工况的监测分析(见表1)得出：20000m3/h风量时(工况1)，烟气流速达到6m/s,对应的5组换热器平均传热系数为172.6W/(m2·K)；27000m3/h风量时(工况2)，烟气流速达到8m/s, 对应的5组换热器平均传热系数为181.5W/(m2·K)；33000m3/h风量时(工况3)，烟气流速达到10m/s, 对应的5组换热器平均传热系数为189.5W/(m2·K)。三组传热系数不同的原因是因为风量增大后，外部烟气侧流速增大，外部扰动增大，雷诺数升高，相应的传热系数提高。

表1 三种工况下对应的测试数据

通过数据可以看出传热系数随烟气流速的提高而增大。为提高换热能力可以提高烟气侧流速，但是必须以不妨碍换热器的稳定性、经济性为前提。当烟气流速过高时，换热管排布比较稀疏，管间流通面积大，达到同样的换热能力时制造成本升高；流速过低时，传热系数下降，需要的换热面积增加，同样会提高制造成本。经测试，换热器经济烟气流速为6～10m/s。

非金属烟气净化换热器，经冷凝换热可吸收烟气中饱和水蒸气的潜热，蒸汽凝结成水膜附着在换热器表面，同时可以吸收和黏附烟气中的粉尘，对烟气起到净化作用，降低粉尘排放，由于大量酸液凝结排放，可减轻对烟囱的腐蚀和结露。本试验采用自动等速采样装置对烟尘进行采样，经过干燥处理后采用质量法对烟气粉尘浓度进行测量，以此检验非金属烟气净化换热器的除尘效果。具体测试数据见表2～表4。

表2 20000m3/h烟气风量对应的除尘效率

表3 27000m3/h烟气风量对应的除尘效率

表4 33300m3/h烟气风量对应的除尘效率

3 结语

通过非金属烟气净化换热器对电厂中低温烟气的余热提取、净化除湿进行了试验测试，通过测试得出以下几点结论：

(1) 换热器管束布置对换热效果也有显著影响，错排与顺排布置的换热效果差别较大，工程设计上推荐使用错排布置。

(2) 非金属烟气净化换热器应用于低温烟气余热提取及净化时，传热系数随着烟气流速的增大而提高，换热器冷凝传热系数可达170～190W/(m2·K)，换热性能稳定。

(3) 换热器设计生产时，换热管排布必须考虑烟气流速的合理性、经济性，本试验通过测试得到换热器的经济流速为6～10m/s。

(4) 低温烟气经过非金属烟气净化换热器后，在换热管束外部冷凝液的带动下，部分烟尘颗粒被冲击流出烟道，减少了大气污染，设备除尘效率可达77%，除尘效果良好。

本试验对非金属烟气净化换热器在电厂烟道中的换热效果及除尘性能进行了跟踪测试，得出了在低温烟气环境下的传热系数和除尘效率，同时针对不同的烟气风量、管束布置等进行了对比分析，结果表明非金属烟气净化换热器可推广应用于烟气余热利用、烟气除尘领域。

[1] 中国电力企业联合会, 美国环保协会. 中国燃煤电厂大气污染物控制现状[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

[2] 赵永镐, 赵炜, 陈国龙. 高效、节能、环保型聚四氟乙烯加热器(反应釜内专用)[J]. 有机氟工业, 2010(2): 8-12.

[3] 王春芬, 虞斌, 涂善东. 聚四氟乙烯及其改性复合材料在换热器中应用[J]. 石油化工设备, 2005, 34(3): 41-45.

[4] 李成龙, 王成端, 蔡世涛. PTFE管在生活污水中的换热特性研究[J]. 广州化工, 2010, 38(4): 104-107.

[5] 贾力, 陈铁兵, 孙金栋. PTFE塑料空气预热器的传热分析[J]. 北京建筑工程学院学报, 1999, 15(3): 1-7.

[6] 孙金栋, 鲁国丽, 贾力. 新型烟气冷凝节能与脱硫装置研究[J]. 环境污染治理技术与设备, 2002, 3(8): 79-82.

[7] 崔永章, 钱申贤. 翅片换热器中天然气烟气的冷凝传热[J]. 山东建筑工程学院学报, 2000, 15(2): 41-45.

[8] 笪耀东, 车德福, 庄正宁, 等. 高水分烟气对流冷凝换热模拟实验研究[J]. 工业锅炉, 2003(1): 12-15, 34.

[9] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

Research on Heat Transfer and Dust Removal Performance of Non-metallic Flue Gas Purification Heat Exchangers

Xu Xianggen

(Yantai Longyuan Heat-exchange Equipment Co., Ltd., Yantai 264006, Shandong Province, China)

To solve the problems existing in power plants, such as excess emission of flue dust, waste of residual heat in flue gas and corrosion of metallic heat exchanger in flue duct, etc., an experimental system and a non-metallic (PTFE) flue gas purification heat exchanger were developed, which were put into the flue duct behind the desulphurization tower to perform relevant tests. Calculation results based on measured temperatures and pressures before and after the heat exchanger show that its condensation heat transfer coefficient can get up to 170～190W/(m2·K), proving the non-metallic flue gas purification heat exchanger to have high heat transfer and dust removal performance, which may be spread in the field of flue gas waste heat utilization and dust removal.

non-metallic flue gas purification heat exchanger; PTFE; dust removal; waste heat utilization

2016-04-28

徐祥根(1972—)，男，工程师，主要从事热泵开发、分布式能源开发、非金属烟气净化换热器及省煤器开发工作。

E-mail: xxg@ytlyhr.com.cn

TK172

A

1671-086X(2016)06-0386-03