李永田 吳平堂(東華大學(xué)，上海 200051)

熱管分體式氣—?dú)饧訜崞鲹Q熱試驗(yàn)研究

李永田 吳平堂
(東華大學(xué)，上海 200051)

熱管分體式氣—?dú)饧訜崞?Heat Pipe Gas-gas Heater，簡(jiǎn)稱HGGH)是一類應(yīng)用廣泛的氣體再熱設(shè)備。為驗(yàn)證HGGH的換熱能力，根據(jù)相似原理對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行換熱性能熱工測(cè)試及結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析與計(jì)算，得到受檢試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?duì)流換熱系數(shù)取值范圍，對(duì)理論模擬結(jié)果起到驗(yàn)證的作用，也為HGGH的市場(chǎng)推廣提供了可靠的技術(shù)支撐。

氣—?dú)饧訜崞鳎幌嗨评碚?；換熱系數(shù)

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界已經(jīng)投運(yùn)或正在計(jì)劃建設(shè)的脫硫系統(tǒng)中，濕法煙氣脫硫技術(shù)占 80% 左右[1]，經(jīng)濕法FGD(Flue gas desulfurization，脫硫煙氣)處理后，煙氣溫度低、流速大造成石膏雨現(xiàn)象明顯[2]，通常FGD需配套GGH(Heat pipe Gas-gas Heater，煙氣—煙氣加熱器)來(lái)保證煙氣合理擴(kuò)散[3]，市場(chǎng)對(duì)GGH有需求。GGH尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，存在造價(jià)高、漏風(fēng)系數(shù)大、維修維護(hù)不便等不足。為此，利用熱管技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)出一款熱管分體式氣—?dú)饧訜崞?Heat pipe Gas-gas Heater，簡(jiǎn)稱HGGH)替代進(jìn)口大有可為[4]。

HGGH是類似熱媒管式煙氣加熱器( Medium Gas-gas Heater，簡(jiǎn)稱 MGGH)，MGGH通過(guò)熱媒介質(zhì)將鍋爐原煙氣(原煙氣指從鍋爐排除未經(jīng)脫硫的煙氣，凈煙氣指經(jīng)過(guò)脫硫后的煙氣)和輔助蒸汽的熱量傳遞給脫硫塔出口的低溫?zé)煔?。而HGGH無(wú)需輔助蒸汽，具有相對(duì)節(jié)能優(yōu)勢(shì)，其核心結(jié)構(gòu)由蒸發(fā)管束、冷凝管束、上升管、下降管構(gòu)成。為了驗(yàn)證理論模擬結(jié)果，了解HGGH的換熱能力，對(duì)受檢試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行換熱性能熱工測(cè)試，并求得對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)是指當(dāng)流體與傳熱表面之間的溫度差為1℃時(shí)，單位壁面面積在單位時(shí)間內(nèi)所能傳遞的熱量，是換熱設(shè)備換熱能力的體現(xiàn)，反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱，所以，計(jì)算出HGGH的對(duì)流換熱系數(shù)即可判斷該受檢試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膿Q熱能力，驗(yàn)證理論模擬結(jié)果，并利用相似原理的知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)際工程所需的HGGH，達(dá)到試驗(yàn)的目的。

2 試驗(yàn)任務(wù)及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

為了計(jì)算出對(duì)HGGH的對(duì)流換熱系數(shù)k，列出計(jì)算所需的熱平衡方程：

式中：Φh為原煙氣放熱量，kW；ΦC為凈煙氣吸熱量，kW；Φ為平均換熱量，kW；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫度，℃。

為求得式(1)-(5)各平衡式中各參數(shù)得數(shù)值，需采用直接法與間接法獲取如下參數(shù)值：

2)原煙氣與凈煙氣的進(jìn)出口溫度th1、th2、tC1、TC2；

3)原煙氣與凈煙氣的實(shí)際流速υPh、υPC；

4)原煙氣與凈煙氣的體積比容CPh、CPC；

5)原煙氣與凈煙氣中O2、CO2、H2O、N2、SO2組份的濃度測(cè)定；

6)選取系統(tǒng)熱損失系數(shù)ηC，校準(zhǔn)對(duì)流換熱系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量方法

試驗(yàn)需要測(cè)定混合煙氣的流量、溫度，以及混合煙氣組分N2、O2、CO2、SO2、水分(水蒸汽)、灰分濃度。

2.3 測(cè)試工藝流程

利用相似原理的特性來(lái)指導(dǎo)?；囼?yàn)，模化試驗(yàn)是指不同于實(shí)物幾何尺度的模型來(lái)研究實(shí)際裝置中所進(jìn)行的物理過(guò)程的試驗(yàn)[6]。目前，未經(jīng)濕法煙氣脫硫裝置處理的煙氣溫度一般在120℃以上，經(jīng)過(guò)CFD后，日本和歐洲一些國(guó)家通常將排煙溫度加熱到80℃以上[8]。根據(jù)需要選擇試驗(yàn)流程。見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)流程

測(cè)試工藝流程系統(tǒng)由燃燒煙氣發(fā)生器、煙氣調(diào)節(jié)室、FDG吸收塔、氣-氣加熱器、煙道系統(tǒng)及所需的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備等部分構(gòu)成。

2.4 增量煙氣的計(jì)算

為獲得與FGD成分一致、溫度接近的模擬煙氣，以柴油與空氣通過(guò)燃燒器混和、霧化、燃燒并吹入未脫硫煙氣。根據(jù)柴油理論燃燒方程：

燃燒1mol柴油造成煙氣增量為：ΔV=22.4×(11+6-14)/1000=0.0672Nm3

式中：22.4為理想氣體摩爾體積，L/mol；C11H11為實(shí)測(cè)柴油混合物折合后化學(xué)分子式，近似分子量為144。

經(jīng)調(diào)試，獲得原煙氣模擬氣體，需混未脫硫煙氣體積約2000Nm3/h，柴油耗量約為15L/h。選用的柴油密度為0.84kg/L，得柴油耗量87.5mol/h，煙氣增量為5.88Nm3/h，增量百分比約為5.88/2000=0.294% (0.294%<0.5%，不考慮柴油燃燒引起的體積增量，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn))。

3 數(shù)據(jù)測(cè)量及整理

3.1 煙氣流量測(cè)定

3.2 煙氣流速

利用風(fēng)速儀直接測(cè)得煙道內(nèi)煙氣流速。測(cè)定結(jié)果顯示，煙氣流速狀況較為平穩(wěn)，測(cè)量值波動(dòng)在測(cè)量系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)。原煙氣平均流速為12.30m/s，根據(jù)HGGH幾何結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)(表3)計(jì)算得模型近似阻擋系數(shù)25/66=38%，則實(shí)際流速為υh=7.626m/s；凈煙氣平均流速為13.00m/s，近似阻擋系數(shù)25/66=38%，則實(shí)際流速為υC=8.06m/s。

3.3 煙氣各組分測(cè)定

3.3.1 SO2濃度測(cè)定

3.3.2 O2的測(cè)定

原、凈煙氣中的測(cè)量值則表現(xiàn)較為平穩(wěn)，對(duì)于O2濃度，均恒定在6%～7%范圍內(nèi)，其中：原煙氣中O2平均濃度為VhO2=6.2%；凈煙氣中O2平均濃度為。VCO2=6.15%。

3.3.3 水蒸汽測(cè)定

原煙氣因溫度較高，噴入煙道中的霧化水迅速被氣化，攜水能力較大，為未飽和煙氣，利用干濕球法測(cè)得含濕量約為104.46g/Nm3，換算成濃度為VhH2O=13%。

凈煙氣因經(jīng)過(guò)脫硫塔洗滌，煙氣為過(guò)飽和煙氣，采取冷凝法測(cè)得，懸浮液滴約為0.5g/Nm3，則含水汽量約為144.8g/Nm3，換算成濃度為VhH2O=18.02%[8]。

3.3.4 CO2的測(cè)定

脫硫煙氣中CO2的濃度為2.88%；根據(jù)式(6)可求得，柴油燃燒增加的CO2濃度為1.06%；求和得到原煙氣中CO2的濃度為VhCO2=3.94%；忽略溶解在脫硫塔混合液中的CO2，同理，求得凈煙氣中CO2的濃度為VCCO2=3.72%。

3.3.5 N2的測(cè)定

對(duì)于原煙氣而言，N2濃度為VhNO2=1-VhSO2-VhO2-VhH2O-VhCO2=76.755%；

對(duì)于凈煙氣而言，N2濃度為VCNO2=1-VVSO2-VCO2-VCH2O-VCCO2=72.068%。

3.4 溫度數(shù)據(jù)測(cè)定

3.4.1 HGGH進(jìn)出口煙氣溫度測(cè)定

在蒸發(fā)管束、冷凝管束進(jìn)口平穩(wěn)氣流段，設(shè)置4處每處3個(gè)，合計(jì)12個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，且每30分鐘記錄一次數(shù)值。 用T1—T12表示，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 測(cè)溫點(diǎn)分配表

3.4.2 環(huán)路單元壁溫度測(cè)定

對(duì)于蒸發(fā)管束，八組熱交換管上的溫度測(cè)點(diǎn)自上而下設(shè)置為B1-B8；對(duì)應(yīng)到冷凝管束，相應(yīng)環(huán)路單元的測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為A1-A8，且A5-B5、A8-B8為未充介質(zhì)的對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)中所記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度值，見(jiàn)表2。

該數(shù)據(jù)反映了熱量在換熱管環(huán)路單元傳熱時(shí)的損失情況，說(shuō)明除B1-A1、B6-A6及對(duì)照組各環(huán)路單元外，其余各環(huán)路單元可能存在不同程度缺陷，其中A2-B2組數(shù)據(jù)異常。

表2 壁溫及對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫差記錄表

4 求取換熱系數(shù)計(jì)算

4.1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

為便于查取數(shù)據(jù)，了解HGGH主要幾何結(jié)構(gòu)尺寸，將其結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)匯總，見(jiàn)表3。

表3 HGGH結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：16=8×2指縱向8組，每組2排，合計(jì)縱向16排。

4.2 對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算

4.2.1 求混合煙氣比熱

查取原煙氣、凈煙氣接近定性溫度(400k、300k)的各組分近似比熱[9](未計(jì)入粉塵與CO，實(shí)際存在，限于檢驗(yàn)儀器精度，未測(cè)出)，見(jiàn)表4。

表4 組分比熱容 kJ/kg/k

將章節(jié)2.3.1-2.3.5各步驟測(cè)得體積濃度進(jìn)行匯總，見(jiàn)表5。

表5 體積濃度 %

結(jié)合表4、表5數(shù)據(jù)，求取原煙氣的體積比容ChP為：

ChP=CPSO2×VhSO2+CPO2×VhO2+CPCO2×VhCO2+CPH2O×VhH2O+CPN2×VhN2=1.16kJ/(Nm3·k)

結(jié)合表4、表5數(shù)據(jù)，求取凈煙氣的體積比容為：

CCP=CPSO2×VCSO2+CCO2×VCO2+CPCO2×VhCO2+CPH2O×VCH2O+CPN2×VCN2=1.203kJ/(Nm3·℃)

4.2.2 求對(duì)流換熱系數(shù)

根據(jù)換熱平衡方程式(2) 、(3)、(5) ，并帶入相應(yīng)數(shù)值得：

=26.15kW；

=25.3066kW；

求對(duì)數(shù)溫差：

根據(jù)式(1)，并帶入數(shù)值得：

℃)

5 試驗(yàn)結(jié)論

(1)要保證HGGH各環(huán)路單元工作性能穩(wěn)定，須要在制造過(guò)程中，對(duì)真空度、介質(zhì)成分、介質(zhì)充裝量、配比等影響質(zhì)量的各個(gè)因素進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(2)在試驗(yàn)給定的特征數(shù)下，換熱系數(shù)取值可接近65.63W/(m2·℃)取值。

(3)實(shí)際流速為7.626m/s與8.06m/s，符合換熱設(shè)備選用的實(shí)際流速7～12m/s取值范圍。

(4)一定程度上，解決了酸腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題，更適合濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，且HGGH可實(shí)現(xiàn)分體安裝，相對(duì)蓄熱式GGH具備技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[10]。

(5)A2-B2組數(shù)據(jù)異常，經(jīng)檢查為溫度傳感器損壞。

(6)若通過(guò)改變流量、煙氣進(jìn)口溫度，測(cè)定多組換熱系數(shù)k1，k2，…，kn，可擬合出該特征數(shù)下的努塞爾數(shù)準(zhǔn)則方程中Nu=CRemPRn的C、m、n。

[1]魏書洲，張國(guó)新，郝劍，等.脫硫吸收塔流場(chǎng)優(yōu)化及研究[J]華北電力技術(shù)，2016，(2)：65-70.

[2]李付曉，潘衛(wèi)國(guó)，丁紅蕾，等.石膏雨危害及其控制技術(shù)[J].電站系統(tǒng)工程，2015，(3)：55-56.

[3]姜正雄，魏宇.燃煤電廠石灰石 - 石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)概述[J].裝備機(jī)械，2012，(2)：60-65.

[4]李永田.濕法脫硫煙氣組分測(cè)定與比熱容計(jì)算[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2016，3(5)：937-940.

[5]孫玉芳，李國(guó)堂.淺析熱媒管式煙氣加熱器系統(tǒng)的設(shè)置方案[J].節(jié)能技術(shù)，2016，34(4)：377-381.

[6]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2010：238-239.

[7]張華，何強(qiáng)，陳振宇，陳玉樂(lè).濕法煙氣脫硫中GGH對(duì)污染物擴(kuò)散影響初探[J].電力環(huán)境保護(hù)，2005，21(2)：1-3.

[8]陳詠城.火電廠排放煙氣含濕量軟測(cè)量方法研究[J].發(fā)電設(shè)備，2005，30(1)：61-63.

[9]胡芃，陳則韶.量熱技術(shù)和熱物性測(cè)定[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，合肥，2009，6：225-230.

[10]張杰，梁慧敏，任艷，李佩濤.熱管換熱器與回轉(zhuǎn)式換熱器在濕法脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用比較[J].能源與環(huán)境，2010，(2)：68-69.

Study of Split-Type Heat Pipe of Gas-Gas Heater Heat Transfer Experiment

LI Yongtian WU Pingtang
(Dong Hua University，shanghai 200051，China)

Split-type heat pipe gas - gas heater (HGGH in abbreviation) is a widely applied type of gas reheat. In order to verify the heat transfer ability of HGGH ，according to the Similar Principle，to test the model of its heat transfer performance and to analyze the results. Base on the analysis and calculation of test data，the heat transfer coefficient value range of test model is been calculated，The purpose of verifying the theoretical calculation these results will give a reliable technical support for HGGH's market promotion.

HGGH；similarity theory；heat transfer coefficient

李永田，高級(jí)職稱，主要從事工業(yè)節(jié)能、能效分析及工程管理

X773/TK39

A

1673-288X(2017)01-0098-04

引用文獻(xiàn)格式：李永田.熱管分體式氣—?dú)饧訜崞鲹Q熱試驗(yàn)研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(1)：98-101.