大连理工大学 刘哲毅 王海超 李祥立 端木琳
【摘要】燃煤锅炉排烟温度过高导致锅炉热效率低，从而浪费大量的能源。喷淋塔与吸收式热泵相结合的余热回收系统能使排烟温度得到显著降低，充分利用燃煤烟气的余热用于供暖。本文对逆流烟气喷淋塔的换热机理进行研究，基于双膜理论建立了相关数学模型，可指导烟气喷淋塔的设计。最后通过某实例对其进行相关设计计算和技术经济性分析。结果表明该余热回收系统具有节能潜力巨大，回收期较短，具有较好的经济性，同时也具有很高的推广应用价值。
【关键词】喷淋塔；余热回收系统；换热机理；节能性
【基金项目】政府间国际科技创新合作重点专项（编号：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
随着我国城镇化速度加快、经济的飞速发展，建筑能耗已占到社会总能耗的20%，而北方城镇冬季供暖又占了其中的22%左右，该地区的建筑大部分采用集中供热的方式供暖，基本以热电厂或者锅炉房作为热源，其中燃煤锅炉约占锅炉总量的80%[1] 。因此，在面临着能源紧缺、环境污染等问题上，如何充分发掘燃煤烟气的节能潜力以及提高热源供热效率，已成为我国节能工作的重点任务之一。
通过锅炉热平衡可知烟气带走的热量可以占到锅炉出力的8%左右，与此同时，烟气热损失也占到了锅炉热损失的绝大部分，可达70%以上。因此降低烟气温度对提高锅炉热效率有重要的作用，当烟气温度降低到低于其露点温度，水蒸气中的大量潜热得到释放，此时烟气中所含的热量非常可观，而目前这部分热量基本都排放到大气中浪费掉了。
目前国内外烟气余热回收技术主要有：冷凝锅炉、热管技术、热泵技术和换热器回收烟气余热技术。付林等[2-3]提出使用吸收式热泵制取低温水作为冷源用来回收烟气余热量。许克[4]提出了基于直接接触式换热器与吸收式热泵相结合的燃气锅炉烟气余热回收系统，进而大幅度提高烟气换热效果，实现烟气显热和潜热的回收。目前国内对燃气锅炉的烟气余热回收做了较多的研究，但对于燃煤锅炉的余热回收研究较少，其中包括烟气与水热质传递的理论研究[5-7] 、实验研究[8] 、和相关的一些工程应用研究[9] 。燃气锅炉排放较为清洁，无需考虑污染物处理和冷凝物处理，理论分析较为方便，工程设计也较为简单，在技术经济性上容易实现。而燃煤锅炉烟气成分复杂，腐蚀性更强，其排放带来的污染也是采暖季雾霾频发的诱因之一，而且燃煤锅炉毕竟占主导地位，因此有必要专门研究针对燃煤锅炉的烟气余热回收技术。
本文研究对象是基于喷淋塔和吸收式热泵的直接接触式烟气余热回收供热系统。喷淋塔中包含烟气与水传热传质、两相流动等复杂的作用机理问题，掌握其机理对于烟气余热回收系统设计具有重大意义。在现有的研究基础上，本文对于逆流烟气喷淋塔建立了烟气-水滴热质交换模型，并对大连某燃煤热电厂进行相关的理论计算，得到不同月份烟气露点温度、可回收最大余热量及其节能性、经济性，从而指导实际工程的建设。
1 燃煤烟气余热回收系统及喷淋塔模型建立
1.1 余热回收系统
热电厂燃煤锅炉余热回收技术的基本流程如图1所示。锅炉房产生的烟气在经过除尘器之后进入烟气余热回收塔，烟气在塔内与循环水进行直接接触传热传质，采用逆流喷淋式直接接触式换热装置，使系统排烟降温至露点温度以下，烟气中的水蒸汽凝结放热，达到回收烟气余热的目的。该过程中烟气中的SO2气体也将溶解在回收塔循环水中与NaOH发生反应从而达到脱硫的目的，烟气中的剩余的细小颗粒物也将在水流冲刷下滞留在回收塔内，从而进一步净化了烟气。该技术形式通过吸收式热泵降低进入余热回收塔内的循环水温度，最低可以降至25℃左右，此时烟气温度为30℃左右，从而提高余热回收塔的工作效率，在任何情况下都可以实现高效的余热回收。热网回水经过板换加热后进入热网加热器进一步加热，达到运行要求后送至热网。将烟气喷淋塔与吸收式热泵相结合，解决了金属面腐蚀以及低温冷源的问题，大幅度提升了换热效果。
1.2 烟气-水热质交换模型
1.2.1 基本原理及模型假设
在喷淋塔中，烟气与水滴的直接接触式热交换过程是非常复杂的全热交换过程，质量交换与热量交换同时进行。随着烟气被冷却，大量显热得到释放，当烟气温度降低到露点温度以下时，烟气中的水分析出释放出大量汽化潜热，因此烟气的余热得到充分的利用。目前对于烟气和水的传热传质理论计算一般都是根据薄膜理论模型或双膜理论模型。双膜理论将传质过程的机理大大简化，它认为两相间的界面两侧各存在一定厚度的薄膜，各自形成有效浓度边界层，在界面处的两相处于稳定的平衡状态。双膜理论是基于薄膜理论之上的，它相比薄膜理论更精确，因此本文采用双膜理论，并进行如下假设：（1）液滴为球形且液滴在系统内均匀分布；（2）刘易斯数Le=1；（3）烟气与水滴表面的传质速率比较小，因此可以不考虑传质对传热的影响；（4）烟气和水蒸汽都是理想气体，烟气与水的传热、传质界面相同。
1.2.2 喷淋塔内逆流烟气与水热质交换模型
将喷淋塔沿着塔高方向分为若干段，选取其中一微元段k作为研究对象，如图2所示。
由质量守恒可得：
dmg=madX (1)
dmw=dmg (2)
水侧能量平衡：
d(mwhw)+dqw=dmw+hwf (3)
烟气侧能量平衡：
dmghvf=madhg+dqg (4)
系统能量守恒：
mw,k+1hw,k+1+ma,khg,k=mw,khw,k+ma,k+1hg,k+1 (5)
联立求解可得：
dqg-dqw=dmg(hvf-hwf) (6)
由传质系数的定义：
dmg=ρgβg(Xf-X)Afdz (7)
烟气到液膜的显热传热量为：
Qconv=hf(Tg-Twf)A0 (8)
其中烟气对冷凝液膜换热系数为：
hf=c(λ/d)ReaPrb (9)
烟气到液膜潜热传热量为[10] ：
因此，烟气与水表面的总传热量为：
式中：ma和mw、mg分别表示烟气和水、湿空气质量流量，kg/s；hw和hv、hg分别为水和水蒸气、湿空气的焓值，J/kg；qw和qg为水侧和烟气侧的对流换热量，J/s；X为烟气含湿量，kg/（kg干烟气）；下角标f表示界面处的值； βg为烟气主体与界面间的对流传质数，m/s；ρg 为烟气的密度，kg/m3；Af 为单位高度下液滴的表面积，m2/m；Tg为烟气温度，℃；Twf 为水滴表面温度，℃；A0为热交换面积，m2；hf 为烟气到液膜的对流传热系数，W/（m2·K）；KG为烟气到液膜的传质系数，m/s。
1.2.3模型求解方法
该模型由诸多非线性方程组成，耦合性很强，无法直接求解。沿着喷淋塔高度方向划分为n个计算子区域，每个子区域的高度为△z，从而共得到n+1个节点。相邻两个节点的中点便是各节点的控制容积。然后利用有限差分法使得控制方程离散，先假设各节点的烟气含湿量、温度、喷淋水温度及流量，代入差分方程进行迭代求解，大于相对误差时需重新假定，直至最后收敛。
对于各控制容积，将控制方程离散为差分方程。对于第k个控制体，任意变量α在第i次迭代时的差分表达式如下：
边界条件:
Tig,1=Tgo Ti w,n+1=Two Xi g,1=Xgo (15)
mi a,1=mao mi w,n+1=mwo
2 烟气余热回收量的计算与经济性分析
2.1 烟气余热回收量的计算
利用本文提出的烟气余热回收系统在大连市某热电厂进行了初步设计。该热电厂内拥有2×25 MW机组和1×50 MW机组总计3台机组，4台220 t/h的煤粉炉和2台调峰炉。供热面积为756.9万m2。该市采暖期为152天，采暖季室外平均气温为0.37 ℃，平均相对湿度为57.7 %，空气平均含湿量为2.48 g/kg干空气。该热电厂燃煤成分及热值如表1所示。
在计算燃煤烟气的余热回收量时，烟气的露点温度是一个关键性参数，它与过量空气系数、室外气象条件等有关。当燃煤锅炉排烟温度高于烟气露点温度时，回收的烟气余热只有显热，而排烟温度降低到露点温度以下，此时水蒸汽的大量潜热得到释放，回收的余热既包括显热也包括潜热，锅炉热效率得到大幅度提升。现以过量空气系数为1.2为计算条件，得到典型气象年条件下烟气露点温度逐月变化情况，如图3所示。由图3可知，在相同燃煤成分和过量空气系数条件下，逐月气象条件对烟气露点温度所造成的影响可达到3.7℃。
根据该热电厂用煤成分和在设计工况下运行参数，可计算得出当烟气温度降低30℃时，系统可回收的最大余热12.3 MW，整个采暖季可回收余热回收量为103615 GJ（28782 MWh），因此该余热回收系统具有明显的节能效果。表2列出了余热回收系统的设计参数。
图4给出了在不同锅炉排烟温度下，最大可回收余热与喷淋塔烟气出口温度的关系。
由图可知在相同锅炉排烟温度下，喷淋塔烟气出口温度越低，回收的余热更多。当锅炉初始排烟温度为162 ℃时，将烟气温度降低至30 ℃所回收的热量转化为当量锅炉吨位为16.7t/h，占锅炉出力的7.6%，可回收热量显著。
2.2 经济性分析
在现有的系统上新增余热回收系统一方面增加了初投资，但与此同时回收的余热也会带来很大的收益。初步经济性分析主要考虑设备费用的增加，余热回收的运行费用以及余热回收的收入。
若将脱硫塔改建为余热回收塔，只需要加上换热器、必要的管道、各类循环水泵、风机、中和系统和吸收式热泵等。脱硫塔改造费用涉及换热器、管道、水泵、各类储罐容器、风机、中和系统、控制系统等投资，初步可行性分析中上述费用按照余热回收塔投资（国内生产和组装）的50%计算，则为700万元。吸收式热泵设计容量为14 MW，经计算其成本为350万元。运行费用见表3。
注：发电上网价格为0.4293元/（kW·h），锅炉平均负荷率按65%计算。
整个供暖期回收的余热为51807 GJ，系统总供热量116250 GJ，大连热价按50元/GJ计算，则增加的收益为581万元。表4给出了每年的净收益、运行费用及静态投资回收期。
由此可见，需要在4年左右回收投资，改建项目热回收项目投资回收期较短，在经济上是可行的，其投资回收期比新建进口余热回收塔的回收期短，具有较好的经济性。当然，至于全寿命期内的总体经济性仍需要进一步分析。
3 结论
本文建立了喷淋塔内的烟气与水热质交换模型，有助于烟气与水直接接触式换热的机理研究。通过对某热电厂的设计计算，可知一个采暖季该余热回收系统最大可回收余热量103615 GJ，具有明显的节能效益。
虽然安装余热回收系统后导致初投资增加，但是回收余热后年净收益为264万元，只需4年时间便可达到回收期，经济性较好。同时，该套系统也能减少污染物排放，具备良好的经济效益和社会效益，前景十分广阔。
参考文献
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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