气冷冷凝相变脱白法系统计算研究

李文超,尚辰洋,杜帅奎,张光鹏,齐 健,李立州

(中北大学航空宇航学院,山西 太原 030051)

目前我国大部分发电机组采用湿法脱硫工艺[1],脱硫后的烟气为温度较高的饱和湿烟气,其进入大气环境后遇冷凝结成小液滴,产生白色或灰色的湿烟羽,是雾霾、酸雨等现象产生的重要原因[2],对周围环境产生了极大的危害,因此研究烟气脱白具有十分重要的意义。

常见的烟气脱白方法包括混风脱白法、混合冷凝脱白法、冷凝脱白法、烟气升温脱白法、烟气冷凝再热脱白法[3]等,这些方法通过改变烟气温度、调整烟气的含湿量达到烟气脱白的目的[4-5]。王麒麟[6]综述了目前消除白烟的主要工艺方法;张军等[7]采用喷淋冷凝+混风工艺流程,成功实现了75 t流化床锅炉的改造;刘晨[8]提出了混合冷凝与混风结合的脱白方法;李伟[9]将混风脱白法用于山东某热电厂烟气脱白,使烟气排放达标。现有的对烟气脱白方法的研究主要集中在喷淋冷凝和混风方面。为了提高脱白设备的寿命和可靠性,可以采用气冷冷凝相变脱白方法。本文针对气冷冷凝相变脱白系统的设计需求开发了排放气体温度、湿度的计算程序,在此基础上研究不同条件下干冷空气温度、湿度和流量对脱白效果的影响。

1 风冷冷凝相变脱白系统计算方法

风冷烟气冷凝相变脱白技术的工作原理如图1所示。湿热烟气B和干冷空气A在换热系统中经过热交换后,干冷空气A温度上升,含湿量不变,相对湿度降低,进入C状态。湿热烟气B的温度降低,相对湿度不变,含湿量降低,析出液滴,对其脱雾进入D状态。D状态烟气与C状态空气在气室中混合,烟气的温度、湿度进一步降低,干冷空气的温度、湿度上升,最终达到混合气体状态E。对于给定的湿热烟气和干冷空气,可以通过控制干冷空气的流量让混合气体处于不饱和状态,使其在与环境空气混合时不会出现白烟。这种冷凝相变脱白系统设计方法需要计算干冷空气的流量。

图1 冷凝相变脱白法

干冷空气A的温度、质量和含水率分别为TA、MA和WA,湿热烟气B的温度、质量和含水率分别为TB、MB和WB。风冷烟气冷凝相变脱白法直接用空气A对烟气B进行冷却。为简单起见,假设烟气B和空气A经过充分的热量交换最终温度相等,则经过热交换后两种气体的温度TE可由式(1)计算:

(1)

这时,两种气体的质量和含水率不变。对烟气B进行脱水则可能存在以下两种情况:如果烟气的含水率WB不大于TE温度下的饱和含水率WB,F(TE),则无需脱水;如果烟气的含水率WB大于TE温度下的饱和含水率WB,F(TE),则需要脱水。脱水后烟气的含水率WD可由式(2)计算:

(2)

式中WB,F(TE)根据温度-含水率表插值得到。

空气A没有进行脱水,因此空气A的含水率WC保持不变:

WC=WA

(3)

将烟气和空气混合,则混合气体的含水率WE为:

(4)

这时将混合气体排放到大气中,可能出现两种情况:如果混合气体的含水率WE小于温度TA下的环境饱和含水率WF(TA),不产生白雾;如果混合气体的含水率WE大于温度TA下的环境饱和含水率WA,F(TA),则产生白雾。WA,F(TA)可以根据温度-含水率表插值得到。需要注意的是,混合气体排放时与环境空气混合可以进一步降温降湿,这一过程能进一步减小白雾出现的概率,然而这与排气的状态有关,难以统一确定。为简单起见,本文忽略这一有利现象,因此这样设计的计算结果是偏于保守的。烟气冷凝相变脱白计算流程如图2所示。

图2 烟气冷凝相变脱白计算流程

根据以上流程和模型公式编写计算程序,以烟气的流量、温度、含水率和冷却空气的流量、温度、含水率为设计变量,以文献[10]中的温度-含水量数据表为参考,计算各种工况下不产生白雾的最低风量。以某种给定工况为例,程序如下:

Wf=[-100,8.7E-09;-90,0.00000006;-80,0.00000034;…];%温度-饱和含水量数据表[10]

TA=-20; MA=50; WA=spline(Wf(:,1),Wf(:,2),TA)*0.6; %风机进口空气温度、流量、含水率

TB=300; MB=1.67; WB=0.08; %烟气温度、流量、含水率

TE=(TB*MB+TA*MA)/(MB+MA);%降温后烟气温度

WBF=spline(Wf(:,1),Wf(:,2),TE);%样条插值计算降温后烟气的饱和含水率

if WB>WBF

WD=WBF; %如果烟气含水率大于尾气的饱和含水率,则水分析出

else

WD=WB;

end

WAF=spline(Wf(:,1),Wf(:,2),TA) ;%插值计算环境空气温度的饱和含水率

WE=(MB*WD+MA*WA)/(MB+MA);%出口含水率

if WE>=WAF

index=1;%如果混合气体含水率大于空气饱和含水率,则该进风量不可行,记为1

else

index=0;%如果混合气体含水率小于空气饱和含水率,则该进风量可行,记为0

end

2 烟气冷凝相变脱白系统设计算例

某工厂需要对某烟气排放装置设计冷凝相变脱白系统。已知烟气温度为300 ℃,流量为1.67 kg/s,含水率为8%。采用上述冷凝相变脱白系统计算程序计算其脱白效果。图3所示为空气的相对含水率分别为20%、40%、60%、80%时混合气体含水率与环境空气饱和含水率的比较结果。由图可以看出,混合气含水率曲面和空气饱和含水率曲面存在一条交线,是白雾产生与否的临界条件,由空气温度、湿度和风量共同控制。混合气含水率曲面有一个台阶,说明冷凝相变脱白装置存在一个除雾启动风量,低于该风量,冷凝相变脱白装置起不到除雾作用。

根据除雾效果,绘出环境空气温度、湿度和风量对白雾的影响,如图4所示。从图中可以看出,在环境温度低于-10 ℃或高于20 ℃时,空气量需求较小,在-10～20 ℃环境温度时空气量需求较大。分析可知,空气温度高于20 ℃时,空气的饱和含水率较高,不容易形成白雾;空气温度低于-10 ℃时,冷空气温度较低,只需要较少的空气就能实现烟气的冷却和除湿。

图4 气冷冷凝相变脱白法的效果

为了对比,图5给出了烟气只与冷空气混合的混风脱白法的除雾效果,图6给出了烟气先与冷空气混合然后再除雾的混合冷凝脱白法的除雾效果。从图5和图6可以看到,采用混风脱白法和混合冷凝脱白法除雾所需要的冷空气量较大,有些温度下甚至达不到除雾要求。

图5 混风脱白法的除雾效果

图6 混合冷凝脱白法的效果

3 结束语

本文针对气冷冷凝相变尾气脱白装置的设计要求开发了计算程序,在此基础上研究了环境空气温度、湿度和流量对系统脱白效果的影响,研究发现冷凝相变脱白装置存在临界风量线,环境温度高于20 ℃时,空气的饱和含水率较高,不容易形成白雾;环境温度低于-10 ℃时,只需较少的冷空气就能实现烟气的冷却和除湿。冷凝相变脱白法比混风脱白法和混合冷凝脱白法效果好。