空预器烟气侧水分含量对换热的影响

北京中电联节能技术有限公司重庆分公司 张建飞

在空预器设计中，影响空预器换热能力的因素很多，而烟气成分便是其中的一项。虽然在燃煤锅炉空预器的热力计算过程中，烟气成分不明时，常用标准烟气来进行热力估算，但其实很多工程设计人员在面对不同水分含量的烟气时，都还是很想知道水分含量对空预器换热性能的影响。本文以标准烟气为基础，在此基础上改变含水量等主要参数，计算并比较出烟气中含水量对空预器换热的影响。

一、标准烟气的基础计算参数

标准烟气的成分为：76%的N2，13%的CO，11%的H2O。参考众多电厂的实际运行参数，暂时取空预器烟气侧进口温度为375℃，出口温度为150℃为设计温度，假定能把20℃的空气加热到280℃。且管内外烟气、空气流速均为10m/s。管内污垢系数取0.0005，管外污垢系数取0.00176，管内外烟气、空气工况压力为101.325kPa。

在此基础上，进行换热计算。其中管内换热选择采用迪图斯-贝尔公式（考虑温度修正因子），管外换热采用如卡乌斯卡斯公式对流体外掠管束换热系数计算，管道叉排，管排修正系数取1。

二、不同压力工况下，标准烟气的传热系数变化

为对比不同烟气压力下传热系数，分别取管外压力50kPa,75kPa,101.325kPa,125kPa和150kPa的烟气进行对比计算。

通过公式计算，烟气各压力工况下，不同含水量管外传热系数变化如图1所示：

图1 不同压力下湿度与管外换热系数关系图

由图1中可以看出，不同含水量的烟气对管外换热系数有少量影响，但总体来说影响不大。

在0%-50%含水量的烟气中，按前文中的基础参数进行计算，五组不同烟气压力工况下，烟气管外换热系数的曲线呈抛物线，极值（最高的管外换热系数）均出现在含水量为32.89%时。

虽然烟气压力变化对管外换热系数的影响较大，但整体上几乎没有过多改变烟气水分含量对管外换热系数影响的趋势。且存在一个函数，y=f(x),其中x为管外烟气含水量，y为管外烟气含水量为x时，管外烟气对流换热系数/除含水量外，其他参数相同时的管外烟气对流换热系数。X与y的函数关系不受烟气工况压力影响。

三、不同烟气流速工况下，标准烟气的传热系数变化

为对比不同烟气流速下，不同烟气含水量对管外换热系数的影响，分别取管外烟气流速为6m/s，8m/s，10m/s，12m/s和14m/s的烟气分别进行对比计算。

不同的烟气流速变化对管外换热系数的影响较大，但整体上依然几乎没有过多改变烟气水分含量对管外换热系数影响的趋势。烟气管外换热系数的曲线依然呈抛物线，极值（最高的管外换热系数）仍然出现在含水量为32.89%时。

四、不同含水量烟气对管外对流换热的影响关系式

根据现有的计算数据，归纳总结不同含水量烟气相对标准烟气管外对流换热系数的比值y=f(x),如图2所示：

图2 含水量对标准烟气管外对流换热系数比值曲线图

可以看出，y值（含水量为x%的烟气管外对流换热系数/标准烟气管外对流换热系数）在0-50%含水量中波动并不大，最小值为x=0时，为0.9882；最大值为x≈32.9时，1.009，最大值和最小值之间大约只相差了2%。故工程设计中，一般情况下可忽略其影响。

如希望进行精度不高的简单修正，含水量为32.9%以下时，可采用y=0.07x+0.99进行简单估算；>32.9%时，可采用y=1.02-0.04x进行简单估算；

五、指定标况流量下，不同含水量烟气对管外对流换热的影响关系式

前文总结出了不同烟气含水量对换热系数影响的规律，但是，这里有一个问题。前文是假定不同含水的烟气在同一烟气流速下进行的比较或是指定流速的比较。实际工程中，往往烟气流速不是一个恒定值。通常设备有一个恒定的换热面积、流通截面，而烟气的流量却可能发生变化。即便选定烟气某一标况流量，作为研究对象，但由于烟气中水分含量的变化，导致烟气密度的变化。已知烟气流量一定（体积流量），密度的变化对管外对流换热是有较大影响的，所以研究不同含水量烟气管外对流换热的影响，还应该考虑流速变化的因素。

设标准烟气流量为Qkg/h时，空预器烟气侧进口温度为375℃，出口温度为150℃为设计温度，假定能把20℃的空气加热到280℃。且管内空气流速为10m/s。管内污垢系数取0.0005，管外污垢系数取0.00176，管内外烟气、空气工况压力为101.325kPa。当标准烟气为v1m/s时，含水量为x的烟气流速为vm/s。取v1分别为6、8、10、12、14时，烟气不同含水量的烟气管外对流换热系数曲线如图4.

由图3中可以看出，烟气质量流量一定时，烟气含水量越高，管外对流换热系数越高。分析发现，可能存在函数关系式y=f(x），其中X为烟气含水量，aD为标准烟气在一定质量流量下的管外对流换热系数，ax含水量为x的烟气在某烟气流量下，管外对流换热系数,Y=ax/aD。

图3 定质量下烟气含水量对关外换热影响曲线图

根据计算的数据拟合y=f(x）关系式（见图4）：

图4 定质量下烟气含水量对管外换热影响系数图

考虑到工程设计实际需求，烟气含水量(体积百分比)与标准烟气的管外换热系数在一定的质量流量下，关系式可简化为：y=0.3x+0.96。

六、结论

烟气含水量会影响管外换热系数，质量流量一定时，含水量越高，换热系数越大，烟气含水量每增加或降低1%，烟气管外对流换热系数相对标准烟气约增加或降低3‰。