燃煤电站湿烟气接触式冷凝换热计算及性能分析

王 巍，衡德峰，彭红文，李少华，侯全辉

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

0 引言

我国大部分燃煤电站采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺，脱硫后烟气通常为48～55 ℃的饱和湿烟气，每100 g烟气携带5～10 g水蒸气，如直接排放，将造成水资源的浪费，因此，实现脱硫后湿烟气水回收对于缺水地区燃煤电站的节水意义重大。

目前，烟气水回收有直接接触式换热和间接式换热两种工艺。其中，喷淋冷凝是最常见的直接接触换热，其换热过程是典型的烟气与水的传热传质过程。

此过程的研究始于上世纪二三十年代，Merkel[1]于1925年提出了空气冷却过程的基本热质传递理论，将焓差作为传热传质的驱动力，为后面的理论研究奠定了基础。Treybal[2]于1969年提出了描述了空气与水传热传质过程的控制微分方程，并被后来的研究者广泛采用，其数学模型基于反映气液两相传质过程的薄膜理论，认为二者传热传质过程通过气液界面进行。

烟气与水传热传质过程和空气与水传热传质过程基本原理相同，其理论计算同样遵循薄膜理论数学模型，即假设烟气与水之间的热质交换是通过一层很薄的饱和烟气层进行的，紧贴水滴的烟气薄膜层是静止的，传质过程以分子扩散形式通过这一薄层，对流传质的全部阻力都集中在这一薄层内。这个换热过程包含着流体的热量和质量传递过程，两个过程彼此相关，并满足路易斯准则，即：传热系数与传质系数之间保持着一定的量值关系，当条件变化时，可使这两个系数中的一个随着另一个的变化而相应变化[3]。

刘华[4-5]研究了烟气与水表面之间的热质交换基本方程，分析了各种因素对接触式烟气水处理过程热质交换性能的影响，并将烟气—水热湿传递方程在一定条件下简化求得近似解。

本文通过对烟气接触式换热的机理分析，提出适合湿烟气接触式喷淋换热的基础计算方法，并分析影响其换热效率的各种影响因素，为冷凝喷淋塔的工程设计提供理论依据。

1 湿烟气接触式喷淋换热计算方法

式(9)表明，换热效率E的影响因素主要有水气比L/G、换热高度H、液滴粒径rw、烟气流速vs、烟气入口温度ts1、喷淋水入口水温tw1。

2 换热效率影响因素

2.1 水气比L/G

如图1所示，相同液滴粒径下，水气比越大，换热效率越高，并逐步趋近于1。当水气比小于3时，换热效率下降明显。而相同水气比下，雾化的液滴粒径越小，换热效率越高。

图1 水气比L/G对换热效率E的影响

2.2 换热高度H

如图2所示，换热高度越高，烟气与液滴的接触时间越长，换热效率越高。当换热高度小于4 m时，换热效率下降明显。而相同换热高度下，雾化的液滴粒径越小，换热效率也越高。

图2 换热高度H对换热效率E的影响

2.3 液滴粒径rw

如图3所示，液滴粒径对于换热效率影响较大，粒径越小，液滴与烟气接触面积越大，换热越充分，换热效率快速提高。但要求的液滴粒径越小，喷嘴雾化所消耗的能量也越大。当液滴粒径大于1.5×10-3m时，换热效率处于较低的水平。

图3 液滴粒径rw对换热效率E的影响

2.4 烟气流速vs

如图4所示，烟气流速对换热效率影响较小。冷凝塔内的烟气流速主要受除雾器除雾效果和冷凝塔投资、运行成本影响。烟气流速越高，冷凝塔成本越低，但系统阻力越高，除雾器除雾效果变差。因此，冷凝塔烟气流速的选取应综合考虑冷凝塔投资、运行成本以及排放雾滴要求等。

图4 烟气流速vs对换热效率E的影响

2.5 烟气入口温度ts1

如图5所示，在其他条件不变的情况下，湿烟气入口温度在一定范围内对换热效率影响较小。而影响烟气入口温度的因素主要有燃煤煤质、机组负荷等。

图5 烟气入口温度ts1对换热效率E的影响

此外，烟气入口温度对回收水量影响较大，如图6所示，回收水量随着烟气入口温度的升高明显增加，这主要是因为烟气入口温度越高，湿烟气水蒸气分压越大，相同烟气量情况下，烟气水蒸气含量越大，与液滴接触后越容易凝结，这也是褐煤锅炉脱硫后湿烟气比烟煤更容易回收水的原因。

图6 烟气入口温度ts1对回收水量的影响

2.6 喷淋水入口水温tw1

如图7所示，在其他条件不变的情况下，喷淋水入口温度对换热效率影响同样较小。

图7 喷淋水入口温度tw1对换热效率E的影响

如图8所示，喷淋水入口温度对回收水量影响较大，回收水量随着喷淋水入口温度的升高明显减低，而影响喷淋水入口温度的因素主要有冷源介质和温度等，如获得更低的喷淋水入口水温，需要更大规模的冷源设施。因此，喷淋水入口温度应结合回收水量、冷源设施成本等因素确定。

图8 烟气入口温度tw1对回收水量的影响

3 结语

本文基于烟气与水的热质交换理论和模型，提出了适合燃煤电站湿烟气接触换热的基础计算方法，并分析了各种因素对接触式湿烟气冷凝换热过程热质交换性能的影响。其中，水气比、液滴粒径、换热高度对换热效率影响较大，而烟气流速、烟气入口温度和喷淋水入口温度对换热效率影响相对较小。但烟气入口温度和喷淋水入口温度对回收水量影响较大。

当喷淋塔水气比不低于3，液滴粒径不大于1.5×10-3m ，以保证较高的换热效率；喷淋塔烟气流速以及喷淋水温宜结合喷淋塔、冷源设施成本等综合确定。