解 鳴1 茆春俊1 呂 雯 高文忠

(1 國網(wǎng)上海市電力公司閘北發(fā)電廠 上海 200070； 2 上海海事大學(xué)商船學(xué)院 上海 201306)

燃煤機組濕法脫硫后排放的濕煙氣中含有大量水蒸氣，攜帶量約為80 g/(kg干空氣)，是電廠水資源消耗的重要組成部分，同時以潛熱的形式排放大量低溫余熱，引起煙囪腐蝕、“白煙”視覺污染、煙囪雨等一系列問題。隨著節(jié)水降耗工作的逐步深入，煙氣除濕技術(shù)的研究得到越來越多的關(guān)注。溶液除濕技術(shù)基于除濕溶液與濕煙氣中水蒸氣分壓力之差，推動水蒸氣在氣相與液相間的遷移，在濕煙氣除濕領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，不僅除濕效率高、有效濾除殘余的氮氧化物和硫化物，還可以利用電廠的大量廢熱驅(qū)動除濕溶液再生。除濕溶液再生是實現(xiàn)溶液重復(fù)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即除濕后的稀溶液從外界吸收熱量而使其中的水分蒸發(fā)，逐漸變濃的過程。對于常用的除濕溶液，如氯化鋰、溴化鋰和氯化鈣等鹽溶液，當其溫度升高而使表面水蒸氣分壓力大于空氣中水蒸氣分壓力時，水蒸氣進入空氣中，溶液質(zhì)量分數(shù)變大，即可實現(xiàn)再生過程。

針對常壓下不同除濕溶液再生過程與空氣實現(xiàn)熱質(zhì)交換的再生過程，已有諸多學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬及實驗等研究法對其傳熱傳質(zhì)規(guī)律進行了大量深入的研究。W. Y. Saman等[1-2]應(yīng)用理論推導(dǎo)得出了再生量的一個通用表達式，該表達式主要涉及到溫度、蒸發(fā)壓力和濃度。Yin Yonggao等[3]對溶液除濕冷卻空調(diào)的系統(tǒng)進行了研究，分析了溶液再生塔的性能。G. I. Sultan等[4]用62.8～112.6 ℃的熱空氣為熱源實現(xiàn)氯化鈣溶液的再生。結(jié)果表明，空氣的體積流量和溶液溫度對再生過程影響較大。A. S. Rattner等[5]以氯化鋰溶液為再生溶液，建立了熱驅(qū)動的平板蒸汽膜溶液除濕再生器的模型，構(gòu)造了詳細的蒸汽膜條件下溶液再生的傳熱傳質(zhì)模型，分析了模擬結(jié)果，提出可有效改善再生器性能的設(shè)計原則。

以上研究均在常壓下通過采取一定措施，均在一定范圍內(nèi)提高了溶液再生效率，然而為取得較高的除濕溶液再生率，所需驅(qū)動熱源的溫度較高，通常高于80 ℃，甚至在100 ℃以上，因此難以高效利用電廠的大量溫度在40～80 ℃的低品位熱量。

本文采用熱管吸收40～80 ℃熱水內(nèi)的熱量，在真空下將熱量傳遞給噴淋降膜的氯化鈣稀溶液，并對質(zhì)量分數(shù)為30%～45%的氯化鈣除濕溶液進行再生實驗，以水分一次分離率作為衡量溶液再生性能的指標。

圖1 熱傳遞原理

1 相變傳熱及溶液中水分分離過程

熱量傳遞是維持再生器內(nèi)部溶液沸騰蒸發(fā)的關(guān)鍵因素，實驗中采用熱管吸收低品位熱源的熱能，經(jīng)過內(nèi)部兩次相變，傳遞到放熱段，使熱管外部溶液中的水分在真空下沸騰分離，原理如圖1所示。整個傳熱過程比較復(fù)雜，涉及導(dǎo)熱、相變傳熱、對流換熱等多種過程。由于熱管的研究已經(jīng)比較成熟，一般應(yīng)用場合的傳熱量計算方法和公式也較為完善，熱管加熱段和放熱段的簡單換熱計算如式(1)和式(2)所示。

恒溫水域加熱槽為熱管提供的熱量：

Q1=A1α1ΔT1

(1)

冷凝段外表面的換熱：

Q2=A2α2ΔT2

(2)

相對于一般應(yīng)用場合的熱管傳熱，當熱管放熱段處于真空環(huán)境之中，溶液降膜蒸發(fā)，溶質(zhì)濃度隨著蒸發(fā)越來越高?，F(xiàn)有文獻中還沒有關(guān)于計算此類傳熱過程的采用半理論半實驗公式。其中較為接近的計算放熱段泡態(tài)沸騰的經(jīng)驗公式如式(3)所示。

(3)

由于氯化鈣熔點高，難以揮發(fā)，溫度超過飽和溫度后，部分溶劑水在受熱表面空穴中長大，而溶質(zhì)殘留在氣泡表面，于是氣泡表面上溶質(zhì)濃度很快達到飽和。此時，即使傳導(dǎo)足夠的熱量也不能使表面溶劑再繼續(xù)汽化。氣泡繼續(xù)長大是靠液體內(nèi)部溶劑分子不斷向氣泡內(nèi)表面擴散而汽化。這時氣泡表面溶質(zhì)為飽和濃度，而溶劑濃度則很低。在液體內(nèi)部，所含溶質(zhì)即本體濃度，而溶劑濃度比氣泡表面處大得多。即存在濃度梯度和一個不穩(wěn)定的傳質(zhì)邊界層。在邊界層中濃度場分布與溫度場是相互制約。因為單位面積氣泡表面上傳導(dǎo)的熱量應(yīng)當正好提供由液體內(nèi)部擴散到表面的溶劑分子蒸發(fā)所需的汽化潛熱。

本文通過實驗獲得數(shù)據(jù)后，與計算所得熱管放熱段泡態(tài)沸騰結(jié)果進行對比，分析放熱段處于真空環(huán)境的放熱特殊性；再利用水分一次分離率判斷宏觀參數(shù)對分離過程的影響。

水分一次分離率τ定義為在既定體積流量下，單次流過熱管表面的溶液中，因吸熱沸騰而蒸發(fā)的水蒸氣的比例：

τ=m/M

(4)

2 實驗裝置及原理

2.1 實驗裝置設(shè)計

根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗裝置如圖2所示。

實驗裝置包括稀溶液罐、真空再生器、模擬裝置、冷凝器、冷卻水系統(tǒng)等。真空再生器是整個系統(tǒng)的核心部件，是水分從溶液中分離的熱質(zhì)傳遞空間，主要由熱管、上下盲板及其之間的可視玻璃桶組成，其中可視玻璃內(nèi)徑為135 mm、高為450 mm、熱管尺寸為外徑×壁厚×長度為12.7 mm×0.5 mm×500 mm。盲板與玻璃桶通過凹槽、輔以O(shè)型密封圈密封，盲板上涂有環(huán)氧樹脂，以減少除濕溶液對它的腐蝕。

部分工況下熱管外壁包裹紗布，用于延緩液滴下降速度，增加與熱管表面的接觸時間。熱管的結(jié)構(gòu)為純銅燒結(jié)芯，表1所示為熱管結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，圖3所示為熱管表面溫度測點分布。冷卻水系統(tǒng)的進出口與冷凝器中的盤管連接，保證冷卻水的循環(huán)，為進入冷凝器中的水蒸氣冷凝提供冷量。

圖2 實驗裝置

表1 熱管結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

圖3 熱管表面溫度測點分布

2.2 實驗原理及工況

研究主要關(guān)注小流量再生過程的微觀機理，溶液中水分蒸發(fā)吸熱量較小，熱源溫度范圍為40～80 ℃，冷凝段溫度隨加熱段溫度浮動，大小與熱管性能及冷卻條件有關(guān)；冷卻水由可調(diào)溫度冷水機組提供的，供水溫度范圍為10～30 ℃；真空再生器內(nèi)初始壓力由真空泵抽極限壓力為2 kPa，選常用的除濕溶液之一氯化鈣溶液，其溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)C范圍為30%～45%進行再生實驗。以τ作為衡量除濕溶液再生性能的指標，實驗主要測試真空壓力、冷卻水溫度、熱源溫度、溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)等對除濕溶液中τ規(guī)律的影響規(guī)律，分析利用40～80 ℃的低品位熱源再生除濕溶液的可行性和控制參數(shù)，為除濕溶液再生的發(fā)展提供更節(jié)能有效的數(shù)據(jù)參考。

實驗中溫度的測量選用銅-康銅(T型)熱電偶；真空再生器內(nèi)壓力測量采用真空壓力傳感器等，主要實驗儀器及其測量精度詳如表2所示。溫度、真空壓力等數(shù)據(jù)的采集選用Agilent34 970 A在線數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)定其每次采集的時間間隔為2 s。

表2 實驗儀器及測量精度

實驗測試工況如表3所示。工況1～工況5分別測試冷卻水供水溫度為10、15、20、25、30 ℃時，熱源溫度變化對τ的影響。工況6為測試溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對溶液再生性能的影響。另設(shè)置一組對照實驗，實驗工況按工況2進行，一組是熱管表面有無紗布降膜蒸發(fā)的對比。所有實驗工況溶液流量均為0.02 mL/s。

表3 實驗工況

為了減少氯化鈣溶液對不銹鋼的腐蝕性，實驗前在溶液中加入按150 mg/L用量的苯駢三氮唑BTA緩蝕劑。實驗時首先利用真空泵將再生器及與之連通的系統(tǒng)抽至極限真空，絕對壓力約 2 kPa，然后將電加熱系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)開啟，分別調(diào)試熱源溫度及冷卻水溫度至相應(yīng)試驗工況的溫度，并開始利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)記錄，待所測試值達到設(shè)定值，并維持約5 min。打開稀溶液出口的真空閥門，質(zhì)量分數(shù)為30%的氯化鈣溶液因真空再生器內(nèi)負壓被吸入，通過針閥控制其流速，形成微流量，在出口處形成微細液滴，液滴因瞬間失壓表面水分發(fā)生閃蒸[6]；剩余部分因失去熱量溫度急劇下降，并掉落至熱管頂部在外壁形成一層薄膜，并浸潤最外層的紗布自上而下流動。由于紗布的阻尼作用，液膜流動非常緩慢。在此過程中，液膜充分吸收熱管冷凝段釋放的熱量而再次過熱沸騰蒸發(fā)，即形成降膜蒸發(fā)[7-11]。溶液經(jīng)閃蒸、降膜蒸發(fā)而分離出的水蒸氣經(jīng)波紋管進入冷凝室，被冷卻水冷凝成液態(tài)的水，未蒸發(fā)部分留于再生器底部，即為濃溶液。

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

通過Agilent34970A直接讀取的數(shù)據(jù)有熱源溫度、冷卻水溫度和體積流量、溶液體積流量、真空室絕對壓力、熱管表面溫度等，液體密度計可直接讀取被測溶液密度。

實驗系統(tǒng)采用雙層保溫設(shè)計，認為系統(tǒng)內(nèi)多次換熱均在絕熱條件下進行，即熱水傳熱量和冷卻水傳熱量均可代表實際傳熱量。即通過熱水溫差及流量或通過單位時間內(nèi)冷凝水的焓差計算獲得，數(shù)據(jù)代入式(4)可計算得到一次分離率。

2.3.2 誤差和不確定度分析

為了減少因?qū)嶒灉y量儀器測量精度和現(xiàn)場讀取操作等原因產(chǎn)生的測量誤差，利用Agilent34970A采集的溫度和壓力，在實驗前對采集參數(shù)嚴格矯正，通過多次記錄穩(wěn)定工況數(shù)值，并分析其標準偏差；溶液密度則通過直接多次讀取獲取其平均值。

測量數(shù)據(jù)的誤差采用式(5)標準偏差計算：

(5)

計算值f如果由多個獨立的變量YI組成，則：

f=f(Y1,Y2,Y3)

(6)

f的計算不確定度則由獨立變量的不確定通過式(7)獲得：

(7)

通過計算可得實驗直接測量數(shù)據(jù)的標準偏差范圍(多個值)和二次計算結(jié)果的不確定度分別如表4和表5所示。

表4 測量數(shù)據(jù)的標準偏差

表5 計算結(jié)果的不確定度

3 結(jié)果和討論

實驗表3所列的6種工況，通過分析穩(wěn)定時采集數(shù)據(jù)的規(guī)律，獲得影響再生過程的因素，并探討其產(chǎn)生影響的內(nèi)在機理。

按表3工況2穩(wěn)定運行30 min后，根據(jù)式(1)～式(3)計算熱管理論傳熱量，并與實際傳熱量進行對比，所得結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，實際傳熱量在大部分區(qū)域均與計算傳熱量差異較大，誤差范圍在6%～23.4%。因此，式(3)中的傳熱系數(shù)α2不能直接按理論值計算熱管傳熱量，故必須對比理論與實際傳熱量修正傳熱系數(shù)α2后使用。誤差產(chǎn)生的原因較多，與放熱段處于常壓純水中沸騰相比，負壓導(dǎo)致溶液沸點降低，有利于其傳熱，但溶質(zhì)在熱管表面的聚集又影響了換熱強度，其微觀變化仍需進一步研究。

圖4 熱管理論傳熱量與實際傳熱量的對比

實驗中還存在管道、容器壁等造成熱量損失以及冷凝水體積讀數(shù)的誤差等因素。以上多維因素疊加導(dǎo)致計算值與實驗測試值差異尚在合理范圍[12-15]。但該結(jié)果尚不能得出此類系統(tǒng)可以直接使用式(3)用于工程計算的結(jié)論。

3.1 真空再生器內(nèi)的壓力及熱管表面溫度變化

真空再生器內(nèi)的壓力是決定液滴閃蒸過熱度及強度的關(guān)鍵因素。圖5所示為表2中工況1～工況5時真空再生器內(nèi)壓力變化曲線。由圖5可知，隨著熱源溫度的逐漸升高，各實驗工況的平衡壓力均有所提高，但幅度并不明顯，特別是當冷凝溫度高于20 ℃時，壓力幾乎與熱源溫度無相關(guān)性。這與課題組[16]前期對氯化鈉溶液大流量真空閃蒸分離實驗時的結(jié)果有明顯的區(qū)別，其變化情況為壓力隨著熱源溫度顯著上升，主要原因在于本實驗中再生器內(nèi)溶液流量非常小，熱管熱量足以在很短時間內(nèi)將大部分水分沸騰蒸發(fā)，并在冷凝器內(nèi)迅速冷凝，壓力并未完全達到相應(yīng)溫度下的飽和平衡狀態(tài)。因此，即使高溫熱源使再生器過熱度高，也不能明顯改變壓力。

圖5 真空再生器內(nèi)壓力變化

壓力隨冷卻水溫度的提高而升高這一現(xiàn)象與前期實驗相似。由于溶液噴入前并未進行不凝性氣體的排除，再生器內(nèi)壓力的逐漸提高也與不凝性氣體量的積累有關(guān)，實驗對比發(fā)現(xiàn)，即使實驗前將真空抽至絕對壓力100 Pa，且實驗開始后，熱源溫度和冷卻水溫度不變，系統(tǒng)平衡壓力也逐漸升高，與溶液中不凝性氣體的逐漸連續(xù)釋放密切相關(guān)。高吸力真空泵不宜長期直接抽取，否則容易因水蒸氣而使其潤滑油乳化失效。

圖6所示為工況2條件下，熱管表面8個測點溫度分布。由圖6可知，不同工況下的熱管表面溫度分布規(guī)律基本類似，即熱管蒸發(fā)段溫度與熱源溫度近似相同，冷凝段溫度比蒸發(fā)段溫度低6～10 ℃，個別測點的溫度波動偏大主要由測量誤差引起。

圖6 不同熱源溫度下熱管表面測點溫度分布

測點5與測點6轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)明顯的溫度驟降，是因熱管與不銹鋼盲板的接觸形成側(cè)向?qū)?，損失部分熱量。以上現(xiàn)象說明，熱源溫度僅影響熱管表面溫度大小，而與分布規(guī)律幾乎無關(guān)。冷卻水為水蒸氣冷凝提供冷量，直接影響真空再生器內(nèi)壓力大小，從而影響溶液的蒸發(fā)，但溶液蒸發(fā)對熱管表面的溫度影響可忽略不計，因此可忽略冷卻水溫度對熱管表面溫度的影響。

3.2 熱源溫度和冷卻水溫度對水分一次分離率的影響

圖7所示為實驗工況1～工況5條件下，熱源溫度和冷卻水溫度對溶液中τ的影響。由圖7可知，隨著熱源溫度由40 ℃逐漸升至80 ℃，溶液中τ均隨之提高，特別是當冷卻水溫度低于20 ℃，熱源溫度由60 ℃升至70 ℃，τ呈現(xiàn)跳躍式顯著增加，增幅達20%，原因在于當熱源溫度較低時，溶液沸騰溫差較小，溶液處于自然對流沸騰階段，換熱量有限。隨著熱源溫度由60 ℃升至70 ℃，同時冷卻溫度低于20 ℃的工況下，溶液快速進入泡態(tài)沸騰階段，吸收大量熱量，強化了換熱能力，提高了溶液的τ。而當冷卻水溫度高于20 ℃時，使整個真空再生器的飽和壓力顯著提高，明顯降低了溶液過熱度，水分一次分離率減小。因此40～80 ℃熱源可以在控制真空壓力的條件下，可實現(xiàn)氯化鈣鹽溶液的水分高效分離，熱源溫度越高，分離率越高。為了更充分利用更低品位的熱源，還可通過降低冷卻水溫度來強化。

圖7 熱源及冷卻水溫度對水分一次分離率的影響

3.3 溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對τ的影響

對溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為30%、35%、40%、45%的溶液按工況6分別進行實驗，得到氯化鈣質(zhì)量分數(shù)對τ的影響如圖8所示。

圖8 溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對水分一次分離率的影響

由圖8可知，τ與溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)成反比，質(zhì)量分數(shù)越大，τ越低。理論上當水中溶有非吸濕性溶質(zhì)時，會在沸騰表面附近形成濃度梯度，進而導(dǎo)致表面張力梯度。根據(jù)Marangoni效應(yīng)，表面張力梯度對沸騰換熱效應(yīng)具有強化作用。而且溶液濃度越高，強化效果越明顯。但由于氯化鈣的吸水性分子結(jié)構(gòu)，當溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)越高時，表面張力越大，分子間作用力越強，其對應(yīng)的飽和溫度也越高，過熱度變小，水分蒸發(fā)所需能量增加，導(dǎo)致τ降低。

3.4 溶液降膜流動速度對真空沸騰換熱的影響

管外降膜蒸發(fā)是溶液經(jīng)成膜裝置均勻分配到熱管外壁，在重力作用下，以一定的速度呈膜狀自上而下流動，流動過程中，溶液吸收熱管冷凝段釋放的熱量沸騰而使水分蒸發(fā)。液膜流動速度是影響熱管外壁溶液中τ的關(guān)鍵因素之一。因此，在熱管外壁包裹紗布，起阻尼作用，延緩溶液在管壁上的流速，重復(fù)表3中工況2的實驗，并與無阻尼作用時的結(jié)果對比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 溶液降膜流動速度對水分一次分離率的影響

由圖9可知，曲線S1(有阻尼時)的τ始終高于曲線S2(無阻尼時)，尤其當熱源溫度高于60 ℃后，溶液流速降低對τ的影響非常顯著，具有明顯的促進作用。這是由于熱源溫度40～60 ℃時，溶液處于自然對流沸騰階段，流速降低雖然增加了蒸發(fā)量，但并不顯著；但當熱源溫度超過60 ℃時，溶液流動過程處于泡態(tài)沸騰，雖然由于水分蒸發(fā)，濃度升高而弱化了沸騰強度，但沸騰時間的增加顯然起到了主導(dǎo)作用，實驗過程中，當熱源溫度80 ℃時，溶液流到熱管底端時已出現(xiàn)溶液飽和，溶質(zhì)結(jié)晶析出的現(xiàn)象。因此，在通過控制流動速度及熱源溫度可以實現(xiàn)溶液的一次流動過程中，完成再生。但要防止結(jié)晶附著于傳熱表面及阻尼層內(nèi)，以免影響換熱及沸騰。

4 結(jié)論

基于高效利用40～80 ℃電廠低溫熱源的設(shè)想，本文提出了一種利用該低品位熱源，在真空下驅(qū)動氯化鈣除濕溶液再生的新方法。利用熱管傳遞熱量，實驗測試了影響溶液中水分一次分離率的主要因素，得出如下結(jié)論：

1)利用熱管將40～80 ℃低位熱源的熱量傳遞到真空環(huán)境，可實現(xiàn)對除濕溶液氯化鈣的高效再生，但不宜利用既有半經(jīng)驗半理論公式計算其換熱量。

2)氯化鈣除濕溶液微小流量做降膜沸蒸發(fā)時，平衡壓力與熱源溫度關(guān)聯(lián)性不強，但與冷卻水溫度呈正相關(guān)性，冷凝溫度可作為平衡壓力的決定因素。

3)溶液中水分一次分離率均隨熱源溫度的提高而提高，特別是當冷卻水溫度低于20 ℃，熱源溫度由60 ℃升至70 ℃，由于溶液進入泡態(tài)沸騰階段而呈現(xiàn)跳躍式顯著增加。

4)氯化鈣溶液特殊的吸水性分子結(jié)構(gòu)，濃度逐漸升高會明顯減弱水分一次分離率的速度；控制降膜速度也可以顯著改善其水分一次分離率。

本文受上海市自然科學(xué)基金(16ZR1414700)項目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Shanghai(No. 16ZR1414700).)

符號說明

A1、A2——吸熱段、放熱段表面積，m2

α1、α2——吸熱段、放熱段表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)

ΔT1、ΔT2——對流換熱的溫差，℃

Q1、Q2——熱管吸熱段、放熱段換熱量，kJ

pc——液體的熱力學(xué)臨界壓力，Pa

q——加熱面的熱流密度，W/m2

R——沸騰壓力與臨界壓力之比

τ——水分一次分離率

m——冷凝水質(zhì)量，g

M——稀溶液質(zhì)量，g

s——標準偏差

δ——不確定度