大連理工大學 劉哲毅 王海超 李祥立 端木琳

      【摘要】燃煤鍋爐排煙溫度過高導致鍋爐熱效率低，從而浪費大量的能源。噴淋塔與吸收式熱泵相結合的余熱回收系統能使排煙溫度得到顯著降低，充分利用燃煤煙氣的余熱用于供暖。本文對逆流煙氣噴淋塔的換熱機理進行研究，基于雙膜理論建立了相關數學模型，可指導煙氣噴淋塔的設計。最后通過某實例對其進行相關設計計算和技術經濟性分析。結果表明該余熱回收系統具有節能潛力巨大，回收期較短，具有較好的經濟性，同時也具有很高的推廣應用價值。

      【關鍵詞】噴淋塔；余熱回收系統；換熱機理；節能性

      【基金項目】政府間國際科技創新合作重點專項（編號：2016YFE0114500）

Abstract:Excessive exhaust temperature of coal-fired boilers leads to lowering thermal efficiency of the boiler and wasting a lot of energy. The residual heat recovery system combined with the spray tower and absorption heat pump can significantly reduce the exhaust gas temperature, and fully utilize the waste heat of the coal-fired flue gas for heating. In this paper, the heat transfer mechanism of the countercurrent smoke spray tower is studied and the relevant mathematical model is established based on the two-film theory,which can guide the design of the smoke spray tower. Finally, the relevant design calculation and technical economic analysis were carried out through an example. The results show that the waste heat recovery system has a huge potential for energy saving, a shorter payback period, and better economic performance. It also has a high value for promotion and application.
Key words:spray tower; waste heat recovery system; heat transfer mechanism; energy saving

0 引言

      隨著我國城鎮化速度加快、經濟的飛速發展，建筑能耗已占到社會總能耗的20%，而北方城鎮冬季供暖又占了其中的22%左右，該地區的建筑大部分采用集中供熱的方式供暖，基本以熱電廠或者鍋爐房作為熱源，其中燃煤鍋爐約占鍋爐總量的80%^[1] 。因此，在面臨著能源緊缺、環境污染等問題上，如何充分發掘燃煤煙氣的節能潛力以及提高熱源供熱效率，已成為我國節能工作的重點任務之一。

      通過鍋爐熱平衡可知煙氣帶走的熱量可以占到鍋爐出力的8%左右，與此同時，煙氣熱損失也占到了鍋爐熱損失的絕大部分，可達70%以上。因此降低煙氣溫度對提高鍋爐熱效率有重要的作用，當煙氣溫度降低到低于其露點溫度，水蒸氣中的大量潛熱得到釋放，此時煙氣中所含的熱量非常可觀，而目前這部分熱量基本都排放到大氣中浪費掉了。

      目前國內外煙氣余熱回收技術主要有：冷凝鍋爐、熱管技術、熱泵技術和換熱器回收煙氣余熱技術。付林等^[2-3]提出使用吸收式熱泵制取低溫水作為冷源用來回收煙氣余熱量。許克^[4]提出了基于直接接觸式換熱器與吸收式熱泵相結合的燃氣鍋爐煙氣余熱回收系統，進而大幅度提高煙氣換熱效果，實現煙氣顯熱和潛熱的回收。目前國內對燃氣鍋爐的煙氣余熱回收做了較多的研究，但對于燃煤鍋爐的余熱回收研究較少，其中包括煙氣與水熱質傳遞的理論研究^[5-7] 、實驗研究^[8] 、和相關的一些工程應用研究^[9] 。燃氣鍋爐排放較為清潔，無需考慮污染物處理和冷凝物處理，理論分析較為方便，工程設計也較為簡單，在技術經濟性上容易實現。而燃煤鍋爐煙氣成分復雜，腐蝕性更強，其排放帶來的污染也是采暖季霧霾頻發的誘因之一，而且燃煤鍋爐畢竟占主導地位，因此有必要專門研究針對燃煤鍋爐的煙氣余熱回收技術。

      本文研究對象是基于噴淋塔和吸收式熱泵的直接接觸式煙氣余熱回收供熱系統。噴淋塔中包含煙氣與水傳熱傳質、兩相流動等復雜的作用機理問題，掌握其機理對于煙氣余熱回收系統設計具有重大意義。在現有的研究基礎上，本文對于逆流煙氣噴淋塔建立了煙氣-水滴熱質交換模型，并對大連某燃煤熱電廠進行相關的理論計算，得到不同月份煙氣露點溫度、可回收最大余熱量及其節能性、經濟性，從而指導實際工程的建設。

1 燃煤煙氣余熱回收系統及噴淋塔模型建立

      1.1 余熱回收系統

      熱電廠燃煤鍋爐余熱回收技術的基本流程如圖1所示。鍋爐房產生的煙氣在經過除塵器之后進入煙氣余熱回收塔，煙氣在塔內與循環水進行直接接觸傳熱傳質，采用逆流噴淋式直接接觸式換熱裝置，使系統排煙降溫至露點溫度以下，煙氣中的水蒸汽凝結放熱，達到回收煙氣余熱的目的。該過程中煙氣中的SO₂氣體也將溶解在回收塔循環水中與NaOH發生反應從而達到脫硫的目的，煙氣中的剩余的細小顆粒物也將在水流沖刷下滯留在回收塔內，從而進一步凈化了煙氣。該技術形式通過吸收式熱泵降低進入余熱回收塔內的循環水溫度，最低可以降至25℃左右，此時煙氣溫度為30℃左右，從而提高余熱回收塔的工作效率，在任何情況下都可以實現高效的余熱回收。熱網回水經過板換加熱后進入熱網加熱器進一步加熱，達到運行要求后送至熱網。將煙氣噴淋塔與吸收式熱泵相結合，解決了金屬面腐蝕以及低溫冷源的問題，大幅度提升了換熱效果。

      1.2 煙氣-水熱質交換模型

      1.2.1 基本原理及模型假設

      在噴淋塔中，煙氣與水滴的直接接觸式熱交換過程是非常復雜的全熱交換過程，質量交換與熱量交換同時進行。隨著煙氣被冷卻，大量顯熱得到釋放，當煙氣溫度降低到露點溫度以下時，煙氣中的水分析出釋放出大量汽化潛熱，因此煙氣的余熱得到充分的利用。目前對于煙氣和水的傳熱傳質理論計算一般都是根據薄膜理論模型或雙膜理論模型。雙膜理論將傳質過程的機理大大簡化，它認為兩相間的界面兩側各存在一定厚度的薄膜，各自形成有效濃度邊界層，在界面處的兩相處于穩定的平衡狀態。雙膜理論是基于薄膜理論之上的，它相比薄膜理論更精確，因此本文采用雙膜理論，并進行如下假設：（1）液滴為球形且液滴在系統內均勻分布；（2）劉易斯數Le=1；（3）煙氣與水滴表面的傳質速率比較小，因此可以不考慮傳質對傳熱的影響；（4）煙氣和水蒸汽都是理想氣體，煙氣與水的傳熱、傳質界面相同。

      1.2.2 噴淋塔內逆流煙氣與水熱質交換模型

      將噴淋塔沿著塔高方向分為若干段，選取其中一微元段k作為研究對象，如圖2所示。

      由質量守恒可得：  

      dm_g=m_adX    (1)

      dm_w=dm_g     (2)

      水側能量平衡：

      d(m_wh_w)+dq_w=dm_w+h_wf     (3)

      煙氣側能量平衡：

      dm_gh_vf=m_adh_g+dq_g     (4)

      系統能量守恒：

      m_w,k+1h_w,k+1+m_a,kh_g,k=m_w,kh_w,k+m_a,k+1h_g,k+1     (5)

      聯立求解可得：

      dqg-dq_w=dmg(h_vf-h_wf)    (6)

      由傳質系數的定義：

      dm_g=ρ_gβ_g(X_f-X)A_fdz    (7)

      煙氣到液膜的顯熱傳熱量為：

      Qconv=h_f(T_g-T_wf)A₀    (8)

      其中煙氣對冷凝液膜換熱系數為：

       hf=c(λ/d)Re^aPr^b      (9)

      煙氣到液膜潛熱傳熱量為^[10] ：
     

      因此，煙氣與水表面的總傳熱量為： 式中：m_a和m_w、m_g分別表示煙氣和水、濕空氣質量流量，kg/s；h_w和h_v、h_g分別為水和水蒸氣、濕空氣的焓值，J/kg；q_w和q_g為水側和煙氣側的對流換熱量，J/s；X為煙氣含濕量，kg/（kg干煙氣）；下角標f表示界面處的值； βg為煙氣主體與界面間的對流傳質數，m/s；ρg 為煙氣的密度，kg/m³；Af 為單位高度下液滴的表面積，m²/m；T_g為煙氣溫度，℃；T_wf 為水滴表面溫度，℃；A₀為熱交換面積，m²；h_f 為煙氣到液膜的對流傳熱系數，W/（m²·K）；K_G為煙氣到液膜的傳質系數，m/s。

      1.2.3模型求解方法

      該模型由諸多非線性方程組成，耦合性很強，無法直接求解。沿著噴淋塔高度方向劃分為n個計算子區域，每個子區域的高度為△z，從而共得到n+1個節點。相鄰兩個節點的中點便是各節點的控制容積。然后利用有限差分法使得控制方程離散，先假設各節點的煙氣含濕量、溫度、噴淋水溫度及流量，代入差分方程進行迭代求解，大于相對誤差時需重新假定，直至最后收斂。

      對于各控制容積，將控制方程離散為差分方程。對于第k個控制體，任意變量α在第i次迭代時的差分表達式如下：

     

      邊界條件:

      Tⁱ_g,1=T_go  Tⁱ _w,n+1=T_wo  Xⁱ _g,1=X_go       (15)

      mⁱ _a,1=m_ao  mⁱ _w,n+1=m_wo

2 煙氣余熱回收量的計算與經濟性分析

      2.1 煙氣余熱回收量的計算

      利用本文提出的煙氣余熱回收系統在大連市某熱電廠進行了初步設計。該熱電廠內擁有2×25 MW機組和1×50 MW機組總計3臺機組，4臺220 t/h的煤粉爐和2臺調峰爐。供熱面積為756.9萬m²。該市采暖期為152天，采暖季室外平均氣溫為0.37 ℃，平均相對濕度為57.7 %，空氣平均含濕量為2.48 g/kg干空氣。該熱電廠燃煤成分及熱值如表1所示。

      在計算燃煤煙氣的余熱回收量時，煙氣的露點溫度是一個關鍵性參數，它與過量空氣系數、室外氣象條件等有關。當燃煤鍋爐排煙溫度高于煙氣露點溫度時，回收的煙氣余熱只有顯熱，而排煙溫度降低到露點溫度以下，此時水蒸汽的大量潛熱得到釋放，回收的余熱既包括顯熱也包括潛熱，鍋爐熱效率得到大幅度提升。現以過量空氣系數為1.2為計算條件，得到典型氣象年條件下煙氣露點溫度逐月變化情況，如圖3所示。由圖3可知，在相同燃煤成分和過量空氣系數條件下，逐月氣象條件對煙氣露點溫度所造成的影響可達到3.7℃。

      根據該熱電廠用煤成分和在設計工況下運行參數，可計算得出當煙氣溫度降低30℃時，系統可回收的最大余熱12.3 MW，整個采暖季可回收余熱回收量為103615 GJ（28782 MWh），因此該余熱回收系統具有明顯的節能效果。表2列出了余熱回收系統的設計參數。

      圖4給出了在不同鍋爐排煙溫度下，最大可回收余熱與噴淋塔煙氣出口溫度的關系。

      由圖可知在相同鍋爐排煙溫度下，噴淋塔煙氣出口溫度越低，回收的余熱更多。當鍋爐初始排煙溫度為162 ℃時，將煙氣溫度降低至30 ℃所回收的熱量轉化為當量鍋爐噸位為16.7t/h，占鍋爐出力的7.6%，可回收熱量顯著。

      2.2 經濟性分析

      在現有的系統上新增余熱回收系統一方面增加了初投資，但與此同時回收的余熱也會帶來很大的收益。初步經濟性分析主要考慮設備費用的增加，余熱回收的運行費用以及余熱回收的收入。

      若將脫硫塔改建為余熱回收塔，只需要加上換熱器、必要的管道、各類循環水泵、風機、中和系統和吸收式熱泵等。脫硫塔改造費用涉及換熱器、管道、水泵、各類儲罐容器、風機、中和系統、控制系統等投資，初步可行性分析中上述費用按照余熱回收塔投資（國內生產和組裝）的50%計算，則為700萬元。吸收式熱泵設計容量為14 MW，經計算其成本為350萬元。運行費用見表3。

      注：發電上網價格為0.4293元/（kW·h），鍋爐平均負荷率按65%計算。

      整個供暖期回收的余熱為51807 GJ，系統總供熱量116250 GJ，大連熱價按50元/GJ計算，則增加的收益為581萬元。表4給出了每年的凈收益、運行費用及靜態投資回收期。

 

      由此可見，需要在4年左右回收投資，改建項目熱回收項目投資回收期較短，在經濟上是可行的，其投資回收期比新建進口余熱回收塔的回收期短，具有較好的經濟性。當然，至于全壽命期內的總體經濟性仍需要進一步分析。

3 結論

      本文建立了噴淋塔內的煙氣與水熱質交換模型，有助于煙氣與水直接接觸式換熱的機理研究。通過對某熱電廠的設計計算，可知一個采暖季該余熱回收系統最大可回收余熱量103615 GJ，具有明顯的節能效益。

      雖然安裝余熱回收系統后導致初投資增加，但是回收余熱后年凈收益為264萬元，只需4年時間便可達到回收期，經濟性較好。同時，該套系統也能減少污染物排放，具備良好的經濟效益和社會效益，前景十分廣闊。

參考文獻

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      備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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