文章信息
燃煤烟气水分回收和颗粒物同时脱除的实验和数值模拟
吴盛源1，杨富鑫1，谭厚章1，杜君文2，李升2
1西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049；2长安石门发电有限公司，湖南 常德 415000
引用本文
吴盛源, 杨富鑫, 谭厚章, 等. 燃煤烟气水分回收和颗粒物同时脱除的实验和数值模拟[J]. 化工进展, 2024, 43(10): 5932-5941.
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1655
摘要
我国水资源匮乏、环保要求日益增强，开展燃煤烟气水分回收与颗粒物协同脱除具有十分重要的意义。本文搭建了烟气水分回收实验系统并建立了数值模拟模型，研究了不同因素对收水率和传热系数的影响，发现影响收水率的主要因素为烟气速度和烟气温差，烟气速度3m/s、烟气温差13.2℃时，收水率为51.77%；影响传热系数的主要因素为烟气速度和烟气与换热管壁面的过冷度，烟气速度9.6m/s、冷却水温度35℃时，传热系数为274.84W/(m2·K)。搭建了颗粒物协同脱除实验系统，发现当过冷度从0℃增加到4℃时，颗粒物脱除效率从3.07%增大到29.28%；烟气速度从1.4m/s增大到6.4m/s时，颗粒物脱除效率从29.28%降低至7.40%。
“双碳”背景下中国煤炭产量总体虽呈下降趋势，但未来很长一段时间，燃煤机组仍将是电力行业的“压舱石”。燃煤电厂采用的湿法脱硫技术消耗大量的水资源，而西部地区干旱缺水；同时燃煤电厂颗粒物排放对环境和人类健康有很大影响。因此，研究脱硫塔后湿烟气水分回收和颗粒物的协同脱除具有十分重要的意义，本文将对冷凝法中的间接冷凝开展实验与数值模拟研究。
烟气水分回收技术主要包括冷凝法、膜分离法和溶液吸收法，其中冷凝法分为直接接触冷凝和间接冷凝。直接接触冷凝，通过烟气与喷淋水直接接触，使烟气中的水蒸气冷凝成液态水并回收，传热系数较大，但会造成喷淋水的污染。相比之下，间接冷凝可分离冷凝水和冷却水，实现烟气降温、冷凝和颗粒物的协同脱除，具有环保、适用范围广和改造成本低等特点。
国内研究方面，脱硫塔烟气间接冷凝主要包括金属换热器和氟塑料换热器。笪耀东等、雷承勇等和杨建国等以金属换热器为对象，研究了不同工况下的冷凝传热特性。西安交通大学进行了氟塑料换热器小型实验和中试实验，发现氟塑料换热器相比金属换热器，具有良好的耐腐蚀性，且不易沾污和结垢，长时间运行传热系数高于一般金属换热器。徐钢等通过风洞实验系统，发现氟塑料换热管的管外热阻占比到达65%，增大风速可显著增大对流传热系数。
国外研究方面，从1965年起，美国杜邦公司率先在工业领域使用氟塑料来制造换热器。在20世纪90年代开始被应用于烟气余热回收利用领域，目前市场上主流产品是沃斯坦公司和杜邦公司联合研发的氟塑料换热器。Shamsi等实验得到氟塑料换热器的收水率可达到51.68%。Cevallos等综述了氟塑料聚合物应用于换热器，提升了换热器传热系数。He等向氟塑料中添加10%~50%的石墨，热导率提高了2~14倍。Cierpisz等将氧化铝、SiC和氮化硼等材料填充至氟塑料中以增强其附着力，并且使用该复合材料作为涂层覆盖在金属换热器表面，降低了烟气对金属的低温腐蚀。
数值模拟方面，满孝增和赵国春利用模拟方法研究了氟塑料换热器在干烟气条件下的换热特性，模拟结果与实验结果一致。李健等对实际电厂相变凝聚装置的烟气冷凝过程编写自定义函数，对水蒸气在烟气中传热传质的方法进行模拟，考虑了水蒸气在不凝结气体环境下的冷凝问题，模拟结果与实验结果基本一致。陈增桥基于金属换热器进行实验和模拟，考虑了含不凝结气体的水蒸气凝结换热过程，发现在金属换热器上涂覆涂层，会增强其表面疏水性，可以增加其对流传热系数。
然而，相关的研究中缺乏烟气曳力对收水率和冷却水温度对传热系数的影响分析。杨建国等研究了烟气曳力对冷凝液滴的携带，增设分离器后不锈钢蛇形光管换热器的收水率从25%增加到35%，但实验工况点较少，且相关研究中缺乏分析热泳力对细微颗粒物脱除的影响。
综上所述，基于本文作者课题组实验平台，深入研究氟塑料换热器应用于烟气节水领域的影响因素，并结合模拟结果找到与实际值最接近的工况，为后续的换热器设计优化提供依据。同时，对烟气水分回收过程中的细微颗粒物协同脱除的影响因素进行深入研究。相关研究结果将有助于深化对烟气处理技术的理解，并促进该领域的进一步发展。
1
实验系统与模拟方法
1.1
实验系统搭建
烟气在脱硫塔中SO2、SO3、HCl、HF被吸收，释放出CO2。脱硫塔后烟气中的主要成分为N2、O2、CO2、H2O(g)和少量SO2、脱硫塔后50℃的燃煤烟气中N2的体积分数为80.37%，O2的体积分数为5.74%，CO2的体积分数为13.88%，烟气含湿量为81.28g/kg。脱硫塔后未去除的气体污染物占比很小，故可通过空气和水蒸气模拟脱硫塔后的湿烟气，进行烟气水分回收实验。烟气水分回收实验系统主要包括湿烟气生成装置、冷凝装置和测量装置。湿烟气生成装置用于加热和加湿烟气，包括水箱、加热棒、温度控制柜、水泵、风机和蒸汽发生器。冷凝装置用于冷凝和收集湿烟气中的水分，包括冷水机、氟塑料换热器和除雾器。测量装置用于测量烟气温度、烟气湿度、冷却水温度、冷却水流量和冷凝水量，如图1所示。颗粒物脱除实验系统主要包括风机、蒸汽发生器、MODEL 9306气溶胶发生器、SMPS 3938扫描电迁移粒径谱仪，如图2所示。烟气水分回收实验系统用于分析不同工况对收水率和传热系数的影响，定义过冷度为主流烟气温度和换热管壁面温度的差值，收水率的计算根据式(1)得到，传热系数根据式(2)得到。冷凝装置中的氟塑料换热器参数如表1所示。
图1 烟气水分回收实验系统示意图
图2 颗粒物脱除实验系统示意图
式中，η表示收水率，%；mcond表示实验回收冷凝水质量流量，kg/s；min表示入口烟气携带水蒸气质量流量，kg/s；k表示传热系数，W/(m2·K)；Q表示热量，W；Δt表示对数平均温差，℃；A表示换热面积，m2。
表1 烟气水分回收实验系统氟塑料换热器参数
1.2
模拟模型
本文利用ANSYS进行模拟并编写自定义函数（user-defined function，UDF）。为了保证源项计算准确，第一层网格高度为0.02mm。在Fluent中，使用组分输运模型，并设置入口为速度边界条件，烟气温度为50℃，水蒸气质量分数为7.96%。出口边界条件为压力出口，工作压力为大气压101.325kPa。管壁为无滑移定温边界条件，设置管壁为薄壁管，厚度为0.7mm，设置管壁的热导率为0.26W/(m·K)。
为了模拟水蒸气在不凝结气体中的传质，编写了自定义函数，计算传质通量并将其存储在内存中，若发生冷凝，则加入源项移除烟气中的水蒸气，加入汽化潜热，模拟烟气冷凝过程。传质通量由式(3)和式(4)得到，源项包括质量源项、组分源项和能量源项，质量源项和组分源项由式(5)得到，能量源项为水蒸气冷凝时放出的汽化潜热由式(6)得到。为了判断壁面是否发生了冷凝，用ADJUST宏在每次迭代前进行条件判断，判断壁面温度是否低于饱和烟气中水蒸气分压对应的露点温度，水蒸气分压对应的露点温度由式(7)得到，由式(8)计算模拟收水率。
(3)
(4)
式中，mi为水蒸气向冷凝壁面的复合传质通量；D0为标准状态下水蒸气在空气中的扩散系数，取2.56×10-5m2/s；ωi为水蒸气质量分数；n为冷凝壁面法向方向；ρ为烟气密度；Dij为水蒸气在烟气中的扩散系数，m2/s；T为烟气温度；P0为标准状态下压力，101325Pa；Sm为质量源项；Sv为组分源项；Sh为能量源项；Acell为网格面积，m2；Vcell为网格体积，m3；Hlg为水蒸气的汽化潜热，W/m3；T0表示标准状态下温度，273.15K；Tv为水蒸气分压力Pv下的露点温度，℃；μ为收水率，%；Ns为源项移除的水蒸气质量流量，kg/s；Nin为入口烟气中的水蒸气质量流量，kg/s。
2
结果与讨论
2.1
烟气水分回收实验
2.1.1 烟气速度对收水率和传热系数的影响
本文探究了在不同实验工况下烟气的冷凝和传热特性。实验中，烟气速度为3m/s、烟气温度为50℃、冷却水流量为0.52kg/s、冷却水温度为30℃和35℃，实验结果如图3和图4所示。其中，理论值是进出口均为饱和烟气时进出口烟气中水蒸气含量之差，基于进出口烟气温度对应的饱和水蒸气分压计算得到。实验中由于烟气曳力携带，导致部分冷凝液滴未被收集，故烟气速度较大时，除雾器占比增大，收水量的理论值比实验值大，如图5所示。
图3 不同烟气速度对收水率影响（冷却水30℃）
图4 不同烟气速度对收水率影响（冷却水35℃）
图5 不同烟气速度对除雾器冷凝水量占比影响
换热器尺寸不变时，随着烟气速度的增大，烟气在换热器内停留的时间缩短，烟气进出口温差降低，收水率减小。烟气的流速增大会增强其对冷凝液滴的携带作用，从而影响除雾器的除雾效率。研究表明，随着烟气速度的增大，除雾效率先增加后减小，因此烟气速度不宜过大。实验利用烟气侧的热量和冷却水侧的热量分别计算了传热系数，发现烟气速度越大，传热系数越大。如图6所示，烟气速度9.6m/s、冷却水温度35℃时，传热系数达到了274.84W/(m2·K)。当烟气速度较高时，烟气侧和冷却水侧热量不平衡，这也证明烟气速度大时，部分冷凝液滴没有被收集。随着烟气速度的增加，烟气在换热器内停留时间将缩短，烟气温差变小，更多冷凝液滴被烟气曳力携带出冷凝装置，故在相同尺寸的换热器中，烟气速度增大时，收水率下降。当冷却水温度较低时，实验值与理论值相近，主要原因是壁面过冷度大时，氟塑料换热器内形成“雨室效应”，对于大质量液滴有一定的拦截作用，而对于小质量液滴则有凝并和捕获的作用，逃逸的冷凝液滴减少。
实验得到，在冷却水温度30℃和35℃、烟气速度小于6m/s时，无除雾器实验收集到的冷凝水占理论冷凝水的70%以上。此外，在实验工况范围内，传热系数随烟气速度线性增加，烟气速度较低时传热系数较小，当烟气速度为3m/s、冷却水温度为30℃时，传热系数低于200W/(m2·K)，传热效果相对较差。因此，基于工程实际情况，综合考虑传热系数和冷凝液滴的逃逸情况，建议选择烟气流速在4~6m/s。
图6 不同烟气速度对传热系数影响
2.1.2 烟气温度对收水率和传热系数的影响
冷却水流量为0.52kg/s，循环冷却水温度设置为35℃，烟气速度为3m/s，仅改变烟气入口温度来探究烟气温度对收水率和传热系数的影响。如图7和图8所示，烟气温度增大，收水率和传热系数均有所提升。湿烟气在换热器内降温理论上分为无相变部分和有相变部分，其中有相变的对流传热系数大于无相变的对流传热系数。未饱和烟气在经过降温达到饱和状态时，属于无相变的对流换热过程；烟气达到饱和状态后发生降温析湿，此时为有相变的对流换热过程。烟气水分回收实验系统采用喷淋设计加湿烟气，喷淋水量一定的情况下，适当增加入口烟气温度，烟气仍处于饱和状态，饱和烟气中水蒸气分压更大，质量分数更大。而烟气温度较高时，喷淋水不能使烟气达到饱和状态，水蒸气质量分数不变，但烟气相对湿度下降，换热器入口区域未饱和烟气与换热器发生无相变的对流换热。
图7 不同烟气温度对收水率影响
图8 不同烟气温度对传热系数影响
为了进一步探究实验规律，增大烟气温度范围进行实验，结果如表2所示。结果表明，在所有实验烟气温度工况下，最佳的收水率和传热系数出现在烟气入口温度为55.4℃左右。烟气温度升高会增加水蒸气在不凝结气体中的传质能力。王剑飞等实验发现随着烟气中水蒸气含量的增加，换热器的传热系数增大。
表2 不同烟气入口温度收水率和传热系数
2.1.3 冷却水流量对收水率和传热系数的影响
设置烟气温度为50℃、烟气速度为9.6m/s、循环冷却水温度为30℃，改变循环冷却水流量，来探究冷却水流量对收水率和传热系数的影响，定义相对流量为冷却水质量流量比烟气质量流量。如图9和图10所示，随着相对流量的增加，收水率和传热系数先增大后基本保持不变，与杨建国等的研究结果相似，冷却水流量增大到一定值后，继续增大冷却水流量对收水率和传热系数的影响较小。
图9 不同冷却水流量对收水率影响
图10 不同冷却水流量对传热系数影响
2.1.4 冷却水温度对收水率和传热系数的影响
设置烟气速度为3m/s、烟气入口温度为50℃、冷却水相对流量为2.47kg/kg，改变冷却水温度，来探究不同冷却水温度对收水率和传热系数的影响。如图11所示，随冷却水温度降低，收水率升高，除雾器占比下降。实验发现烟气温差与收水率线性相关，冷却水温度为27.45℃时，烟气进出口温差为9.7℃，收水率为36.92%；冷却水温度为15.65℃时，烟气温差为13.2℃，收水率为51.77%，与许明路的研究结论一致。如图12所示，当烟气入口温度相同时，冷却水温度越低，壁面过冷度越大，换热管壁面凝结情况发生变化，传热系数随冷却水温度的降低而降低，与徐煦、彭越宇和于琦的研究结论一致。
图11 不同冷却水温度对收水率影响
图12 不同冷却水温度对传热系数影响
2.2
烟气水分回收模拟
2.2.1 模拟与实验结果比较
图13和图14为冷却水温度30℃时模拟值和有除雾器实验值的收水率和传热系数。收水率和传热系数的模拟值与实验值趋势相同，随着烟气速度增大，收水率降低，传热系数增大。如图15和图16所示，收水率随冷却水温度降低而增大，模拟收水率和实验收水率趋势相同，因为没有对液膜进行建模，收水率的模拟值较实验值增长更快。冷却水温度对实验传热系数影响较大，随冷却水温度降低而降低，而模拟传热系数几乎不发生变化，这是由于不同壁面过冷度和换热管表面的冷凝情况不同，而在模拟模型中进行简化，认为换热管壁面为膜状凝结，故模拟传热系数变化小。表3对比了不同冷却水温度时实验值与模拟值的误差，对比实验结果和模拟结果，在冷却水温度31.3~36.25℃时，模型较为可靠。张经伟等模拟锅炉烟气的相变冷凝情况，发现表面热通量的误差在20%左右。Zschaeck等在冷却水温度31℃左右进行了烟气冷凝的实验和模拟，发现模拟模型对表面热通量和收水率的预测不足，误差均在20%左右。模拟存在误差主要因为常用的组分输运模型没有考虑冷凝液膜，仅通过源项移除冷凝的水蒸气，而不同冷却水温度下换热管表面的冷凝情况不同，冷却水温度较低时，壁面冷凝液滴覆盖较多，换热管与烟气直接接触面积减少，传热系数降低，故在不同冷却水温度下误差不同。
图13 不同烟气入口速度的收水率模拟和实验对比
图14 不同烟气入口速度的传热系数模拟和实验对比
图15 不同冷却水温度的收水率模拟和实验对比
图16 不同冷却水温度的传热系数模拟和实验对比
表3 不同工况收水率和传热系数实验值和模拟值误差
改变入口烟气温度进行实验和模拟，如图17和图18所示，收水率随温度的升高而增加，而传热系数的变化不大。模拟收水率与实验收水率之间的偏差在10.32%~13.04%之间，模拟传热系数与实验传热系数的偏差在3.89%以内。
图17 不同烟气入口温度的收水率模拟和实验对比
图18 不同烟气入口温度的传热系数模拟和实验对比
2.2.2 烟气入口相对湿度变化对收水率的影响
本文通过模拟不同入口烟气相对湿度工况，研究相对湿度对收水率的影响。烟气入口相对湿度选取50%~100%。如图19所示为模拟得到的水蒸气质量分数云图，入口烟气相对湿度越大，冷凝水量越大；相对湿度由50%增加100%时，冷凝水质量流量由9.52kg/h增加至17.45kg/h。图20所示为不同烟气相对湿度对收水率影响，烟气入口相对湿度约70%时，收水率较高。其原因主要是，在增大相对湿度时，烟气中水蒸气质量分数增大，水蒸气的传质增加，从而使冷凝水的质量流量更大；同时，增大相对湿度，会增大入口水蒸气的质量流量，两者同时增大，收水率取决于两者增长速度；模拟结果显示，相对湿度小于70%时，增大相对湿度可以增大收水率，而相对湿度大于70%时，增大相对湿度，收水率不会继续增大，反而呈现下降趋势。Levy等研究得到类似结论，通过改变入口烟气水蒸气浓度，发现入口水蒸气体积分数从13.2%增加到14.5%时，收水率从67%增加到72%，而入口水蒸气体积分数从14.5%增加到15.5%时，收水率从72%下降到68%左右。
图19 不同烟气相对湿度时的水蒸气质量分数云图
图20 不同烟气相对湿度对收水率的影响
2.2.3 换热器参数对收水率和传热系数的影响
冷却水温度在31.3~36.25℃时的实验值和模拟值误差较小，所以选择31~37℃进行换热器参数的模拟优化，研究换热管间距和换热器热导率对收水率和传热系数的影响。模拟中将换热管的纵向节距从9.5mm增大至19mm，其他参数保持不变。如表4所示，纵向节距增大一倍，收水率增大2%~3%，传热系数变化较小。主要原因是纵向节距增大，涡流区发展充分，换热管尾部由单涡变为双涡，换热管背风侧烟气速度较慢，烟气在换热管背风侧停留时间更长，收水率增大。改变换热管的热导率，模拟结果如表5所示，热导率从0.26W/(m·K)增大到0.50W/(m·K)时，收水率和传热系数均明显增大，收水率从28.98%增大到37.69%。Trojanowski等模拟得到，热导率从0.25W/(m·K)增加到2.50W/(m·K)时，换热器的传热性能显著改善，传热系数接近金属换热器。
表4 换热器纵向节距对收水率的影响
表5 管壁不同热导率对传热系数的影响
2.3
颗粒物协同脱除实验研究
本文采用SMPS 3938扫描电迁移粒径谱仪测量颗粒物的粒径分布，颗粒物通过气溶胶发生器产生。研究了不同管壁过冷度和不同烟气速度对颗粒物脱除的影响（烟气温度为环境温度21℃），如图21和图22所示。烟气颗粒物由气溶胶发生器产生，温度为环境温度21℃，速度为1.4m/s。循环冷却水温度为21℃和17℃，过冷度为0℃和4℃。过冷度为0℃时，颗粒物仅在湍流作用下凝并和脱除，细微颗粒物凝并长大，导致部分粒径下颗粒物脱除效率出现负值；过冷度为4℃时，颗粒物在湍流和热泳力协同作用下凝并和脱除，细微颗粒物脱除效率明显增大；脱硫后粒径峰值向小粒径偏移，热泳力作用增强了细微颗粒物的脱除效率。如图21所示，过冷度从0℃增加到4℃时，颗粒物平均脱除效率从3.07%增大到29.28%。烟气速度增大时，一方面颗粒物受烟气曳力增大，换热管对颗粒物的拦截作用和惯性脱除作用下降；另一方面颗粒物撞击换热管壁面速度增大，当速度大于颗粒物沉积的临界速度时，颗粒物会在换热管壁面发生反弹而不是在换热管壁面沉积，故烟气速度增大，颗粒物脱除效率降低。如图22所示，烟气速度从1.4m/s增大到6.4m/s，颗粒物的平均脱除效率从29.28%降低到7.40%。相变凝聚对可溶性颗粒物有良好的脱除效果，这与刘林虎等的研究结论相一致。研究显示，相变冷凝对可凝结颗粒物具有明显的脱除作用，而且随着冷凝温度的降低，脱除效率会增大。
图21 不同过冷度对颗粒脱除效率影响
图22 不同烟气速度对颗粒脱除效率影响
3
结论
针对湿法脱硫烟气水分回收和颗粒物协同脱除开展了实验和模拟研究，主要结论如下。
（1）氟塑料换热器的收水率主要受烟气温差和烟气速度影响，传热系数主要受壁面过冷度和烟气速度影响。烟气速度较大时，大量冷凝液滴没有得到收集，不利于水分回收。烟气速度较低时，传热系数较小。在实验工况范围内，烟气速度为3m/s，烟气温差为13.2℃时，收水率最大，达到51.77%；烟气速度为9.6m/s时，传热系数最大，达到274.84W/(m2·K)。
（2）相对湿度、换热管排布和换热管热导率对收水率影响较大。当相对湿度从50%增加到100%时，冷凝水的质量流量从9.52kg/h增加到17.45kg/h；在入口相对湿度70%左右时，收水率达到最高为44.26%；在入口烟气相对湿度小于70%时，适当增加烟气的相对湿度可以提高收水率。换热管纵向节距增大一倍，收水率增大2%~3%。换热管导热系数从0.26W/(m·K)增大到0.50W/(m·K)时，收水率从28.98%增大到37.69%。
（3）壁面过冷度和烟气速度对细微颗粒物脱除效率有显著影响；在相同壁面过冷度的情况下，烟气速度越大，颗粒物脱除效率越低。当壁面过冷度从0℃增加到4℃时，颗粒物的平均脱除效率从3.07%增大到29.28%。当烟气速度从1.4m/s增大到6.4m/s时，颗粒物的平均脱除效率从29.28%降低到7.40%。
作者简介
第一作者：吴盛源，硕士研究生，研究方向为燃煤烟气水分回收。
通信作者：杨富鑫，博士，副教授，博士生导师，研究方向为燃料清洁利用、热力学。
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