冷凝换热与协同脱硫性能实验分析

王云刚，焦健，邓世丰，赵钦新，邵怀爽

（西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049）

截至目前，绝大部分电厂通过湿法脱硫（WFGD）、湿式静电除尘器（WESP）、烟气深度冷却技术（FGC）等的综合应用已基本完成超低排放改造目标，有效控制了烟气中的可过滤颗粒物（FPM）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等污染物[1]。但是，由于湿法脱硫带来的SO3多以H2SO4酸雾的形式存在，造成尾部受热面腐蚀严重[2]。烟气对流冷凝换热技术是通过将烟气温度降低至烟气中水蒸气露点温度区域，从而回收烟气中的对流显热和部分水蒸气潜热，并提高热效率[3-5]；而在烟气中水蒸气的冷凝过程中，可溶性盐、硫酸雾等可凝结颗粒物也会吸附凝并于冷凝液中，再经除雾器等手段可将液体连同其中的污染物一并脱除。此方法不仅能够减少污染物排放，消除“白色烟雨”，而且可以回收烟气中的水分，节能降耗。为了实现烟气的深度冷凝，回收烟气中的显热和潜热，脱除烟气中污染物，高效的烟气冷凝换热成为这一技术应用的关键。

自1916 年Nusselt 对凝结换热模型进行开创性的探索后，科研人员对该方向的研究不断深入[6-9]。近年来，国内外学者对含有少量不凝性气体的蒸汽冷凝已经有了更为细致的研究。Huang 等[10]综述性地介绍了在不凝性气体存在下的机理、相关实验和研究进展，阐述了膜状冷凝的传热物理模型。Osakabe 等[11]建立了凝结换热能量和质量平衡的数学分析模型，并通过实验验证该模型的正确性。Wang 等[12]基于冷凝传热机理，构建了一种左右对称内翅片管，其换热系数比光管高4～8倍，比中心对称内翅片管高1.3～1.8 倍。Levy 等[13]通过冷凝换热器回收烟气汽化潜热，分析了烟气中水蒸气浓度、换热器结构参数等对凝结过程的影响，同时还建立了水蒸气冷凝率的预测数学模型。Jeong 等[14]对Colburn-Hougen 双膜理论模型进行了修正，提出了新的分析方法。Chen等[15]则对采用冷凝换热器前后的锅炉效率进行了比较，证明了冷凝换热器能够使生物质锅炉的效率增加30%以上，同时他们还对换热器内部冷液腐蚀问题做了研究和探讨。国内方面，李俊[16]、谭冰等[17]、王丕嶺[18]、娄桂云等[19]、庄正宁等[20]、陈静妍等[21]也都对含有不凝性气体的冷凝换热问题进行了相应研究。

由于烟气冷凝后受热面腐蚀严重，普通材质换热器难以长期安全运行。鉴于此，推荐采用氟塑料换热器和双相不锈钢换热器[22-25]。但是，氟塑料热导率小，换热器体积庞大；双相不锈钢是一种新型不锈钢，多为板式换热器形式，缺乏小细管双相不锈钢换热器的针对性研究。此外，部分研究表明含湿烟气在冷凝时能够对细微颗粒物进行脱除，比如孙金栋等[26]通过实验探讨了单管中湿烟气冷凝对SO2的吸收情况；王茜雯等[27]通过采用氟塑料毛细管冷凝式换热器，证明换热器内冷凝降温可促使次生细颗粒物发生非均相凝结。可见，在有关冷凝与脱硫的相关研究中，也很少涉及不同换热器材料的对比研究，尤其是氟塑料换热器和不锈钢换热器在相同工况下其冷凝换热能力与协同脱除污染物能力的对比研究。

因此本文通过搭建天然气热态实验台，选取2205不锈钢及PTFE氟塑料作为冷凝换热器管束材料，对烟气经过不同冷凝器的传热过程进行分析，整理出实验范围内的换热准则关联式，并通过H2SO4雾化蒸发系统，验证了冷凝过程对SO3/H2SO4也有较为明显的协同脱除作用。

1 实验系统与换热器结构

天然气热态实验台由实验台主体和测量控制系统组成。实验台主体部分由炉膛、一级冷却换热器、二级冷凝换热器以及水循环系统构成。测量控制系统主要由流量测量、温度测量、烟气成分分析和冷凝液成分分析系统四个部分构成。实验系统示意图如图1所示。

图1 实验系统示意图

实验本体的冷凝换热器管束结构如图2 所示。2205 管式冷凝换热器的箱体和管束材质均为2205双相不锈钢，换热管束外径18mm，壁厚2mm，换热段长度254mm。氟塑料管式冷凝换热器的管束材质为氟塑料，其管箱外壳为316不锈钢，管箱内衬有2mm 氟塑料板。换热管束外径10mm，壁厚1mm，换热段长度254mm。

图2 二级冷凝换热器本体结构

实验运行基本流程为：烟气在炉膛内部通过辐射传热与盘管内冷却水进行换热后进入一级冷却换热器，使烟气温度从约380℃降至约90℃。烟气随后经过覆盖有保温层的转弯烟道和均流段后进入实验段——二级冷凝换热器。烟气在二级冷凝换热器内完成显热对流换热和潜热凝结换热后经离心引风机引出，最终通过排烟管排入大气。烟气在冷凝换热器中由凝结产生的冷凝液通过换热器箱体底部的锥形排液槽收集。

实验过程中，实验段进出口烟气温度、进出口水温、管壁温度均小于100℃，因此本文采用T 型热电偶进行各类温度测量，精度为±0.004|t|。实验中烟气流量通过Testo 425 热敏风速仪测量烟气流速获得，最大量程20m/s，精度±(0.03m/s +5% 测量值)。给水由给水箱储存，通过给水泵和泵前球阀对流量进行控制。水流量由转子流量计读出，最大量程为40L/min，精度1.0级。

烟气成分使用GA-21plus 烟气分析仪进行分析。经过冷凝换热器冷凝下来的液体通过冷凝液收集装置收集后称量，称量仪器采用赛多利斯（Sartorius）公司生产的BS210S 型精密电子天平，最大称重210g，测量精度0.1mg。已收集的冷凝液使用RPIC-2017离子色谱仪测量SO2-4浓度，进而计算出H2SO4冷凝脱除率。

2 凝结传热实验结果及数据处理

2.1 数据处理方法

实验所用天然气为燃气公司提供的管道天然气，其组分和热值如表1所示。由于本文主要针对凝结换热，因此所用热值均取其高位热值。表2给出了烟气的物性参数计算方法，按照烟气中各气体组分的体积/质量分数进行加权平均。

表1 实验用天然气组分

表2 烟气物性计算方法

冷凝液量是指在一段时间内烟气经过冷凝换热器时，水蒸气凝结下来的凝结水量。冷凝率表示一段时间内冷凝水质量与流经冷凝换热器的总水蒸气量的比值，是凝结换热强弱的直观表现，计算见式(1)。

式中，ω为冷凝率，%；mw为进入冷凝换热器的全部水蒸气质量，kg/s。

烟气中的水蒸气分压力主要由过量空气系数α和炉内压力p决定。过量空气系数与水蒸气露点温度的关系如图3所示，且空气相对湿度也对水蒸气露点温度存在影响。

图3 过量空气系数和水蒸气露点温度的关系曲线

本文使用水蒸气分压力研究其对凝结换热过程的影响。量纲为1压力参数ξ定义见式(2)。

式中，pH2O为烟气中水蒸气分压力，MPa；p为炉内总压，MPa。

同时定义量纲为1温度系数τ如式(3)。

式中，tl为水蒸气露点温度，℃；tw为换热管壁面平均温度，℃；tg为烟气主流平均温度，℃。

根据量纲分析法，总结了量纲为1水蒸气分压力系数ξ和量纲为1 温度系数τ对冷凝换热器凝结传热的影响规律，得到水蒸气冷凝率ω计算准则关系式，见式(4)。

式中，a1为锅炉运行过程中其他因素对水蒸气冷凝率的影响系数；m1、n1为冷凝相关指数。

2.2 过量空气系数的影响

在保持给水温度和流量不变的情况下，实验研究了过量空气系数α对两种冷凝换热器凝结换热性能的影响。图4 给出了在燃烧器功率为33kW、给水温度为15℃和40℃时，过量空气系数α对两种换热器各换热系数和水蒸气冷凝率的影响。

图4 过量空气系数与两种换热器换热系数的关系曲线

从图4可以看出，在相同的给水温度下，随着过量空气系数从1.1增大到1.2，两种换热器的总换热系数和凝结换热系数均呈现减小趋势，而显热对流换热系数无明显变化。给水温度越高，过量空气系数对凝结换热系数的影响越大。给水温度15℃时，过量空气系数每增大0.05，2205冷凝换热器凝结换热系数减小约11%；给水温度为40℃时，过量空气系数每增大0.05，2205冷凝换热器凝结换热系数减小约13%。过量空气系数与水蒸气冷凝率的关系曲线如图5所示，两种换热器水蒸气冷凝率均随着过量空气系数的增大而减小。

图5 过量空气系数与水蒸气冷凝率的关系曲线

因此，对于两种换热器，较低的过量空气系数均有利于凝结传热的发生。在实验范围内，相同的给水温度时，过量空气系数为1.1 时，两种换热器的凝结换热系数最大，换热效果最好。

在给水温度15℃、过量空气系数为1.1 时，2205冷凝换热器水蒸气冷凝率最大，达到85.57%，氟塑料冷凝换热器水蒸气冷凝率最大为42.04%。

2.3 给水温度的影响

在保持过量空气系数不变的情况下，实验研究了给水温度Tc对两种冷凝换热器凝结换热性能的影响。图6 给出了燃烧器功率33kW，过量空气系数分别为1.1和1.2时，给水温度Tc对两种冷凝换热器换热系数和水蒸气冷凝率的影响。可以看出，在相同的过量空气系数下，随着给水温度的升高，两种换热器的总换热系数和凝结换热系数均呈现明显的减小趋势。给水温度为15℃、过量空气系数为1.1时，2205 冷凝换热器凝结换热系数达到实验范围内最大值250.68W/(m2·K)，氟塑料冷凝换热器最大凝结换热系数131.09W/(m2·K)；给水温度为40℃、过量空气系数为1.2时，2205冷凝换热器凝结换热系数最小为80.76W/(m2·K)，氟塑料冷凝换热器凝结换热系数最小为18.8W/(m2·K)。总换热系数和凝结换热系数下降是因为随着给水温度的升高，水温逐渐逼近露点温度，换热温差和传质驱动力逐渐减小，凝结过程更难发生。

图6 给水温度与两种换热器换热系数的关系曲线

图7给出了不同给水温度下，两种换热器水蒸气冷凝率的变化。从图中可以看出，给水温度对两种换热器的凝结换热效果均有着非常重要的影响。当给水温度Tc小于等于35℃时，2205 不锈钢换热器能够拥有较好的冷凝效果，水蒸气冷凝率ω基本可以实现接近或大于40%；当给水温度Tc小于等于15℃时，氟塑料冷凝换热器能够具有较高的水蒸气冷凝率，ω接近或大于40%。相对而言，在给水温度相同时，2205不锈钢换热器具有更高的冷凝率。究其原因，2205不锈钢的热导率要高于PTFE氟塑料，相同的给水温度下管壁温度更低，因此水蒸气温度和管壁温的温差就大，更易于冷凝过程的发生。

图7 给水温度与两种换热器水蒸气冷凝率的关系曲线

2.4 凝结传热实验关联式

基于上述实验结果，并结合式(4)可建立实验关联式，将a1τn2=C代入上式，得ω=Cξm1。对其两边求对数得：lnω=lnC+m1lnξ，m1即为曲线斜率。将m1代入式(4)可依次求解a1、n1。

求解可得，2205 冷凝换热器的实验关联式为ω=120.12ξ1.992τ1.276，适用范围：0.11≤τ≤0.33，0.16≤ζ≤0.176。氟塑料冷凝换热器的实验关联式为ω=1412.23ξ3.067τ2.206，适用范围：0.11≤τ≤0.29，0.16≤ζ≤0.176。

拟合结果如图8所示，计算值与实验值之间的相对误差均在10%以内。

图8 冷凝率实验值与拟合公式结果比较

3 SO3/H2SO4冷凝脱除

为研究不同冷凝工况对SO3/H2SO4冷凝脱除的影响因素及作用规律，本文在前述冷凝换热实验系统的基础上增加H2SO4雾化蒸发系统。该雾化蒸发系统通过超声雾化机产生H2SO4蒸气，并随原烟气充分混合后进入冷凝换热器。经过冷凝换热器时，一部分H2SO4会冷凝成硫酸雾滴或亚微米气凝胶。运行一段时间后，收集通过U 形烟道底部的冷凝液，并通过离子色谱仪测量SO2-4浓度，进而计算出H2SO4冷凝脱除率。

3.1 给水温度影响

图9给出了SO3/H2SO4浓度分别为8μL/L、20μL/L、30μL/L、60μL/L 时，冷凝换热器给水温度对SO3/H2SO4冷凝脱除率的影响规律。通过实验数据可以发现，SO3/H2SO4浓度一定时，在实验给水温度范围内，冷凝脱除率随着冷凝温度的升高而增加。在浓度8μL/L时，冷凝脱除率达到18%以上。这是因为在较低的给水温度下，冷凝换热器换热管壁温度较低，携带SO3/H2SO4气体的烟气在进入冷凝换热器后温度会发生明显降低，SO3凝结会形成硫酸雾滴，但与此同时很多SO3在温度降低时会凝结形成硫酸气溶胶，其粒径为亚微米级，倾向于跟随烟气排出。因此在给水温度较高时，SO3/H2SO4冷凝脱除率反而比较低。

图9 不同SO3/H2SO4浓度下冷凝脱除率随给水温度的变化

3.2 H2SO4浓度改变

本实验通过雾化蒸发不同浓度的稀硫酸溶液以改变烟气中SO3/H2SO4浓度，进而分析不同SO3/H2SO4浓度对SO3/H2SO4冷凝脱除率的影响。从图10可以看出，SO3/H2SO4冷凝脱除率随着浓度的增加而减小，但随着浓度的增加，这种趋势在减弱。

图10 SO3/H2SO4冷凝率随SO3/H2SO4浓度的变化曲线

从图11 可以看出，SO3/H2SO4的绝对冷凝量随其浓度的增加而增加。当给水温度为40℃、H2SO4浓度从最小增加到最大60μL/L 时，SO3/H2SO4冷凝脱除率大约减少了53%。分析其原因，SO3/H2SO4浓度增大会使烟气酸露点升高，在给水温度不变的情况下，会凝结产生更多的硫酸雾滴，因此，一定时间内的H2SO4绝对冷凝量在增加。与此同时，SO3/H2SO4浓度的增加会使得极速冷却效果加剧，导致生成更多粒径较小的硫酸气溶胶，使得硫酸雾滴的增量小于烟气携带的SO3/H2SO4气体的增量，冷凝脱除率反而出现减小趋势。SO3/H2SO4浓度较小时，浓度的变化对烟气酸露点温度的影响比较大，随着SO3/H2SO4浓度逐渐增大，其作用趋缓。

图11 SO3/H2SO4冷凝量随SO3/H2SO4浓度的变化曲线

4 结论

本文利用自行搭建的天然气凝结换热协同脱硫实验平台，对两种2205双相不锈钢和PTFE氟塑料小细管换热器的烟气凝结换热性能和SO3/H2SO4随冷凝脱除特性进行了实验研究，得到如下主要结论。

（1）随着过量空气系数的增大，烟气中的水分压降低，2205不锈钢/PTFE氟塑料冷凝换热器的总换热系数、凝结换热系数及水蒸气冷凝率均呈现减小趋势，而显热对流换热系数无明显变化。过量空气系数为1.1 时，两种换热器的凝结换热系数达到最大，换热效果最好。

（2）2205 不锈钢换热器在给水温度相同时具有比PTFE 氟塑料换热器更高的冷凝率和凝结换热系数。在实验工况条件下，2205 冷凝换热器的冷凝率为19.53%～85.57%，最大凝结换热系数为250.68W/(m2·K)；氟塑料冷凝换热器冷凝率为4.92%～42.04%，凝结换热系数最高为131.09W/(m2·K)；随着给水温度不断增加，两种换热器的潜热凝结换热系数均逐渐减小，且在相同给水温度下，2205 不锈钢换热器的潜热凝结换热系数明显优于PTFE 氟塑料换热器。当给水温度进一步增加超过35℃时，凝结换热系数在数值上逐渐与对流换热系数接近。

（3）烟气中水蒸气分压力、烟气平均温度、水蒸气露点温度以及换热壁面平均温度都会影响凝结换热过程。基于文中所提出的量纲为1水蒸气分压力系数ξ和量纲为1 温度系数τ，对实验数据进行线性拟合，整理得到了2205 不锈钢换热器的水蒸气冷凝率量纲为1 准则关联式为ω=120.12ξ1.992τ1.276，适用范围：0.11≤τ≤0.33，0.16≤ζ≤0.176。PTFE 氟塑料换热器水蒸气冷凝率量纲为1准则关联式为ω=1412.23ξ3.067τ2.206，适用范围：0.11≤τ≤0.29，0.16≤ζ≤0.176。

（4）在实验条件下，SO3/H2SO4气体冷凝脱除率随着给水温度的升高而增大，随着SO3/H2SO4气体浓度的增大而减小，但一定时间内H2SO4绝对冷凝量在增加，SO3/H2SO4最大冷凝脱除率达到18%以上。