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第一作者單位：
大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院
摘自《煤氣與熱力》2023年4月刊
吳歡歡，王海超，朱傳芝，
等
.
直接接觸式煙氣余熱回收換熱器研究及應(yīng)用
［J］.
煤氣與熱力，
2023，43（4）
：A15-A21.
1
概述
在我國雙碳目標(biāo)大背景下，將能源更加有效地利用是我國的重大課題之一。相關(guān)資料顯示：截至
2021
年底，全國集中供熱總面積為
98.78
×
10
8
m
2
，清潔能源消費(fèi)比例升至
25.5%
，煤炭消費(fèi)比例降至
56.0%
；可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量突破
10
×
10
8
kW
，占總發(fā)電裝機(jī)容量的
44.8%
。在熱電聯(lián)產(chǎn)中，大多數(shù)熱電廠的清潔能源供熱比例較低，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，近年來中國出臺(tái)了許多有關(guān)大力推進(jìn)清潔供熱的政策方針
［
1-2
］
。
熱電廠在熱、電生產(chǎn)過程中存在大量低品位余熱被浪費(fèi)的現(xiàn)象，燃料總熱量中約
60%
被直接排放至環(huán)境，大量的排煙余熱沒有得到充分利用，導(dǎo)致系統(tǒng)能源利用率較低，煤耗量大。由于熱電廠大多使用濕法脫硫工藝，經(jīng)過除塵器后的
130
℃煙氣進(jìn)入脫硫塔后，經(jīng)過與脫硫漿液充分傳質(zhì)換熱，煙氣含濕量接近飽和狀態(tài)，一方面說明脫硫塔的耗水量巨大，另一方面也說明經(jīng)過脫硫塔后的煙氣含有大量的汽化潛熱，直接從煙囪排出將會(huì)導(dǎo)致大量熱損失。據(jù)調(diào)研，采用直接接觸式
換熱器
和吸收式熱泵是煙氣余熱回收效果最好、最值得推廣的形式之一，因?yàn)闊煔夂蛧娏芤褐苯咏佑|傳熱，在這個(gè)過程中煙氣的水蒸氣冷凝，濕度降低，釋放的潛熱傳遞給噴淋液，使噴淋液溫度升高，在回收煙氣顯熱的同時(shí)回收潛熱，再利用吸收式熱泵充分轉(zhuǎn)換這部分熱能，能提高燃煤
鍋爐
的熱效率，達(dá)到環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。
在國外，直接接觸式換熱的概念最早于
1900
年被提出
［
3
］
。
1993
年
Guillet
等人發(fā)明的直接接觸式換熱器在美國獲得了專利
［
4
］
。在
Wanga
等人的
15 MW
全氧燃料試點(diǎn)項(xiàng)目
［
5
］
、
Faber
等人的
30 MW
試點(diǎn)項(xiàng)目
［
6
］
、
Liu
等人的
30 MW
試點(diǎn)項(xiàng)目
［
7
］
中，直接接觸式換熱器通常放置在干式脫硫系統(tǒng)過濾器之后，用于對(duì)排放前的煙氣進(jìn)行干燥和冷卻。
Takami
等人
［
8
］
進(jìn)行的模擬表明，煙氣和液體之間的傳熱系數(shù)主要隨著煙氣中水蒸氣含量增加而增加，這對(duì)冷凝器的溫度分布有很大影響。此外，煙氣水蒸氣對(duì)濕球溫度有積極影響。這意味著在相同的煙氣溫度下，在煙氣水蒸氣含量較高的情況下，噴淋水可以被加熱到更高的溫度。
Jeong
等人
［
9
］
建立了煙氣冷凝換熱器中傳熱傳質(zhì)過程的分析模型，以預(yù)測(cè)從煙氣到冷卻水的熱量傳遞和煙氣中水蒸氣的冷凝率。據(jù)此，當(dāng)管壁溫度與水蒸氣的露點(diǎn)接近時(shí)，水蒸氣在管壁表面發(fā)生冷凝。煙氣到冷卻水的傳熱既有顯熱又有潛熱。
Chantana
等人
［
10
］
研究了使用冷凝式直接接觸式
換熱器
從發(fā)電廠的煙氣中回收熱量，煙氣可以冷卻到
40
℃以下。
Lee
等人
［
11
］
研究了應(yīng)用燃?xì)忮仩t煙氣直接接觸式余熱回收系統(tǒng)，使供熱效率明顯提高。
在國內(nèi)，付林等人
［
12
］
將吸收式熱泵應(yīng)用于燃?xì)猓ㄓ停╁仩t煙氣余熱回收，并將回收熱量用于供暖回水加熱，可將
58
℃回水加熱到
74.3
℃。田貫三等人
［
13
］
分析了天然氣燃燒煙氣中水蒸氣汽化潛熱的節(jié)能潛力，并將換熱器和三級(jí)熱泵結(jié)合的系統(tǒng)應(yīng)用于煙氣余熱回收，使煙氣溫度從
100~200
℃降低到
20~30
℃。魏亦強(qiáng)等人
［
14
］
將冷卻塔和吸收式熱泵結(jié)合應(yīng)用于天然氣
鍋爐
煙氣余熱回收工程中，分析得出該系統(tǒng)的余熱回收率受到鍋爐過?？諝庀禂?shù)、冷卻塔進(jìn)出口水溫和流速影響。該系統(tǒng)余熱回收率最高可達(dá)
77%
。孫方田等人
［
15
］
以產(chǎn)品?
效率作為熱源站效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別分析了間壁式換熱器、吸收式熱泵、間壁式換熱器和直燃型吸收式熱泵結(jié)合應(yīng)用于燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收，并將回收熱量用于一級(jí)管網(wǎng)回水加熱，在相同熱負(fù)荷的條件下，間壁式換熱器和直燃型吸收式熱泵結(jié)合方案可以使
20
℃的回水加熱到
130
℃，且循環(huán)水流量減少了
32%
。張若瑜等人
［
16
］
提出采用吸收式熱泵應(yīng)用于熱電廠煙氣余熱回收和加熱熱網(wǎng)回水，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣余熱的梯級(jí)利用。劉效洲
［
17
］
將逆流式直接接觸式換熱器應(yīng)用于一種新型燃?xì)忮仩t尾部煙氣余熱回收，使煙氣溫度降低到
50
℃左右，節(jié)能率在原有基礎(chǔ)上提升
10%
以上。付林等人
［
18
］
在
2011
年獲得了將直接接觸式換熱器和吸收式熱泵組合應(yīng)用于煙氣余熱回收及加熱回水的發(fā)明專利。賈向東等人
［
19
］
將直接接觸式換熱器和吸收式熱泵應(yīng)用于煙氣冷凝余熱回收，使煙氣溫度從
60
℃降低到
25
℃，吸收式熱泵轉(zhuǎn)換的熱量將一級(jí)管網(wǎng)回水溫度由
44
℃提升至
64
℃，提高了系統(tǒng)的能源利用效率。
綜上所述，我國熱電聯(lián)產(chǎn)中低品位煙氣余熱存在較大的節(jié)能潛力，提高燃煤鍋爐的能源利用率，是減少能耗和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。根據(jù)上文及實(shí)際工程調(diào)研，目前效果最好、最值得推薦的方法之一是將吸收式熱泵與直接接觸式
換熱器
組合應(yīng)用于煙氣余熱回收系統(tǒng)
［
20-21
］
。國外對(duì)直接接觸式換熱器應(yīng)用于余熱回收的相關(guān)研究較早，而我國研究起步較晚。直接接觸式換熱器使高溫氣體和低溫液體直接接觸傳質(zhì)換熱，將高溫氣體中的熱能傳遞至低溫液體中。本文針對(duì)用于煙氣余熱回收的直接接觸式換熱器研究進(jìn)展和應(yīng)用進(jìn)行探討。
直接接觸式換熱器內(nèi)的流場(chǎng)分布會(huì)受到外殼形狀及煙氣入口角度的影響，流場(chǎng)越穩(wěn)定，傳質(zhì)換熱效率越高。韓升
［
22
］
對(duì)
SCR
反應(yīng)器的
CFD
模擬結(jié)果表明，對(duì)于反應(yīng)器的頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)先順序是圓弧頂、斜頂、平頂，煙氣進(jìn)出口采用弧形拐角和漸變形式，更加有利于提高反應(yīng)器的效率。為消除換熱器內(nèi)形狀結(jié)構(gòu)造成的換熱死區(qū)，張磊
［
23
］
在冷凝器拐角處進(jìn)行倒角并在內(nèi)部隔熱板上開孔改善了煙氣的流動(dòng)，傳熱系數(shù)明顯提高。
煙道入口向上成一定角度連接直接接觸式換熱器，一方面是為了換熱器內(nèi)氣液流場(chǎng)的穩(wěn)定性，另一方面是為了避免直接接觸式換熱器內(nèi)的持液底層液位變化異常導(dǎo)致持液進(jìn)入煙道。針對(duì)直接接觸式換熱器的煙道入口最佳角度設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)正交分析，目前可以借鑒脫硫吸收塔的相關(guān)研究成果，見表
1
。
對(duì)直接接觸式換熱器的外形結(jié)構(gòu)規(guī)范化設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求。頂部結(jié)構(gòu)：圓弧頂和斜頂優(yōu)于平頂；在換熱器內(nèi)煙氣拐角處進(jìn)行倒角，進(jìn)出口采用漸變形式；明確煙道入口最佳角度，以確保流場(chǎng)穩(wěn)定，消除換熱死區(qū)，充分傳質(zhì)換熱；操作平穩(wěn)，有適當(dāng)彈性，能適應(yīng)負(fù)荷變化；能耗物耗小，系統(tǒng)阻力小，運(yùn)行費(fèi)用少；使用壽命長，造價(jià)低；占用地面和空間少。
常見直接接觸式換熱器的接觸結(jié)構(gòu)形式主要為填料型、噴淋型、多孔鼓泡塔型。填料型直接接觸式換熱器（簡稱填料塔）適用于快速和瞬間反應(yīng)過程，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、造價(jià)低、便于檢修和清洗的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是液體在填料停留時(shí)間短，存在壁流和液體分布不均的情況。噴淋型直接接觸式換熱器（簡稱噴淋塔）屬于氣膜控制的反應(yīng)系統(tǒng)，適用于瞬間反應(yīng)過程，具有表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大、煙氣與低溫噴淋液充分換熱、便于檢修和清洗的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是液相傳質(zhì)系數(shù)小，霧滴在氣流中浮動(dòng)，氣液均返混嚴(yán)重。多孔鼓泡塔型直接接觸式換熱器（簡稱鼓泡塔）適用于速度慢和熱效應(yīng)大的反應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、易于控制及維修、防腐蝕問題易解決等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是效率低，氣泡易聚集，液體返混嚴(yán)重。通過分析可知，填料型和噴淋型直接接觸式換熱器更加適用于熱電廠煙氣瞬間處理的應(yīng)用場(chǎng)景。
噴淋
-
填料型直接接觸式換熱器綜合了噴淋型和填料型結(jié)構(gòu)形式且大大增強(qiáng)了傳質(zhì)換熱性能，是一種新型的直接接觸式換熱器結(jié)構(gòu)形式。汪霞等人
［
28
］
對(duì)噴淋
-
填料型直接接觸式換熱器進(jìn)行的工程試驗(yàn)表明，在噴淋塔內(nèi)加入填料后不僅增加了煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間，而且大幅降低了運(yùn)行功耗，顯著提高了煙氣余熱回收能力。對(duì)比
Siqueiros
等人
［
29
］
采用的多孔鼓泡塔型直接接觸式換熱器，余勝麟
［
30
］
采用噴淋
-
填料型直接接觸式換熱器顯著提高了傳熱系數(shù)。
對(duì)于相同工況的熱電廠，在直接接觸式換熱器的余熱回收效果方面，噴淋
-
填料型優(yōu)于噴淋型和多孔鼓泡塔型。筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種噴淋
-
填料型直接接觸式換熱器結(jié)構(gòu)，稱為余熱回收塔，主要包括持液底層、煙氣出入口、填料層、噴淋器、除霧器，結(jié)構(gòu)見圖
1
。
本節(jié)主要針對(duì)余熱回收塔結(jié)構(gòu)尺寸確定進(jìn)行探討。
煙道尺寸設(shè)計(jì)最主要的參數(shù)是煙道內(nèi)煙氣流速，煙道內(nèi)煙氣流速設(shè)計(jì)不僅要考慮風(fēng)機(jī)能耗，還要考慮經(jīng)濟(jì)性、煙道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及塔內(nèi)的最佳流速。劉磊
［
31
］
通過對(duì)流冷凝換熱影響因素實(shí)驗(yàn)研究分析得出，低煙道內(nèi)煙氣流速和大換熱面積換熱器有利于水蒸氣凝結(jié)。
Groff
等人
［
32
］
應(yīng)用數(shù)值解法討論了煙氣入口雷諾數(shù)、煙氣組成和煙氣入口到塔體內(nèi)壁溫差變化對(duì)溫度邊界層厚度和傳熱的影響。沈榮澍等人
［
33
］
結(jié)合工程實(shí)際和
CFD
數(shù)值仿真結(jié)果論述了煙道內(nèi)煙氣流速的設(shè)定原則。文獻(xiàn)［
34
］對(duì)煙道內(nèi)煙氣流速的限定范圍為
10
～
15 m/s
，國外規(guī)定煙道內(nèi)煙氣流速的最大值為
20 m/s
。
余熱回收塔入口煙道的設(shè)計(jì)要求：煙氣壓損小，進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣流場(chǎng)分布均勻；入口煙道的高寬比適當(dāng)，不影響塔的高度；使干濕界面遠(yuǎn)離入口煙道，避免入口煙道中累積沉積物。余熱回收塔入口煙氣分布的均勻性對(duì)發(fā)揮噴淋器和除霧器作用非常重要，因此通常要根據(jù)模擬或?qū)嶒?yàn)結(jié)果來設(shè)計(jì)入口煙道。
當(dāng)塔內(nèi)煙氣流速超過
6 m/s
時(shí)，噴淋水滴將會(huì)被煙氣從除霧器中夾帶出來?？紤]到除霧器的支撐結(jié)構(gòu)占據(jù)一部分空間和塔內(nèi)流速分布不均勻，實(shí)際最大塔內(nèi)煙氣設(shè)計(jì)流速約為
5 m/s
，因此逆流式噴淋塔內(nèi)的煙氣設(shè)計(jì)流速大約范圍為
2.5~5.0 m/s
。近些年逆流式噴淋塔設(shè)計(jì)趨勢(shì)向著大流量、大容積和緊湊型方向發(fā)展，塔內(nèi)煙氣設(shè)計(jì)流速趨向于該范圍的較高值
［
35
］
。李璐璐等人
［
36
］
對(duì)噴淋
-
填料型直接接觸式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，確定塔內(nèi)最佳煙氣流速為
3.5 m/s
。
確定余熱回收塔的高徑比需要預(yù)測(cè)噴淋水滴尺寸分布，以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱傳遞。小液滴下降速度受到煙氣影響較小，大液滴下降速度受到煙氣影響較大。小液滴的粒徑?jīng)Q定余熱回收塔直徑，大液滴的最大下降速度決定余熱回收塔高度
［
37
］
。
王文娜等人
［
38
］
通過對(duì)填料塔進(jìn)行
CFD
模擬，得出結(jié)論：當(dāng)填料塔高度大于
1.2 m
、高徑比大于
8
時(shí)，填料塔內(nèi)部流體流型呈現(xiàn)平推流。馬躍龍等人
［
39
］
在公稱直徑為
200 mm
、
400 mm
的鼓泡塔實(shí)驗(yàn)研究中分析得出，
400 mm
的鼓泡塔存在臨界高徑比，臨界高徑比范圍為
1.5~2.0
，若高徑比不大于臨界高徑比，則氣液混合時(shí)間隨高徑比增大而縮短；若高徑比大于臨界高徑比，則氣液混合時(shí)間隨高徑比增大而延長。文獻(xiàn)［
40-42
］認(rèn)為鼓泡塔傳熱傳質(zhì)與高徑比關(guān)系復(fù)雜，在高徑比為
3
時(shí)氣液混合時(shí)間最短。上述研究主要以提高填料塔的持液率和鼓泡塔的氣液混合時(shí)間為主要研究目的，并未研究同時(shí)考慮換熱效率的最佳高徑比。劉哲毅
［
43
］
應(yīng)用數(shù)值分析方法分析發(fā)現(xiàn)，余熱回收塔內(nèi)煙氣與水的換熱效率隨換熱器高徑比增加而提高，以投資最小為目標(biāo)函數(shù)確定余熱回收塔的最佳高徑比范圍為
4~5
，該理論數(shù)值模型是二維的，結(jié)論需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步論證。
冷源對(duì)于余熱回收塔的余熱回收率影響因素主要有液氣比、噴淋水溫度、噴淋水滴粒徑等
［
44
］
。
在余熱回收塔其他工況參數(shù)一定時(shí)，通常煙氣余熱回收量隨著液氣比增大而增大，但兩者不成線性關(guān)系，當(dāng)液氣比超過一定值以后，煙氣出口溫度和含濕量不再變化，說明噴淋水實(shí)際溫度已經(jīng)接近余熱回收塔煙氣出口溫度。噴淋水溫度是影響煙氣出口溫度的重要因素之一，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，出口煙氣和噴淋水之間的溫差可以控制在
5~10
℃。文獻(xiàn)［
45-47
］將吸收式熱泵制取的
20
℃低溫水作為噴淋型直接接觸式換熱器的噴淋冷源，使燃?xì)忮仩t排煙溫度降至
30
℃。劉華等人
［
48
］
選用溫度為
17~30
℃噴淋水作為噴淋型直接接觸式換熱器的冷源進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明噴淋水溫度每降低
1
℃，煙氣、水換熱效率提高
0.8%
左右，液氣比為
10
時(shí)，換熱效率可以達(dá)到極值
0.9
，液氣比大于
10
后，換熱效率不再增大。王遜等人
［
49
］
采用
Aspen Plus
流程模擬軟件，從降低氮氧化物排放和提高系統(tǒng)供熱能力的角度出發(fā)進(jìn)行分析，確定適宜的煙氣換熱器液氣比為
3.0
。陳閔葉等人
［
50
］
的研究結(jié)果表明，當(dāng)噴淋水溫為常溫、液氣比為
4.4
～
4.8
時(shí)，直接接觸式換熱器的效率可提升至
85
％以上。張群力等人
［
51
］
實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)噴淋型直接接觸式換熱器在液氣比為
13
、噴淋水溫度為
20
℃且噴淋高度為
1.26
ｍ時(shí)，能將排煙溫度從
102
℃降至
33
℃，使余熱回收效率達(dá)到
14
％。劉效洲
［
52
］
的研究表明，當(dāng)噴淋水溫度為常溫、噴淋水密度為8
~10 t/
（
m
2
·
h
）、塔內(nèi)煙氣速度在2
m/s
以下時(shí)，噴淋型直接接觸式換熱器能將排煙溫度降低至
40
℃。
較低的噴淋水溫度會(huì)增大煙氣和水換熱的溫差，有利于煙氣和水換熱。但噴淋水溫度降低對(duì)制冷機(jī)的制冷性能系數(shù)有影響。因此確定噴淋水溫度時(shí)，兩者要均衡考慮。在噴淋水溫度、流量一定時(shí)，隨著系統(tǒng)液氣比增大，余熱回收塔的余熱回收量與熱效率均有所提升。
減小噴淋水滴粒徑相當(dāng)于增加了接觸面積，減小了水滴速度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用得知，渦旋式和外螺旋式噴嘴均適用于煙氣
-
水噴淋換熱。渦旋式噴嘴（見圖
2
）不易堵塞，但噴嘴為非標(biāo)產(chǎn)品，大批量生產(chǎn)難度較大。外螺旋式噴嘴（見圖
3
）為成熟產(chǎn)品，但長期使用后容易存在噴嘴堵塞現(xiàn)象，需定期清洗。
李鋒等人
［
53
］
對(duì)渦旋式噴嘴和外螺旋式噴嘴的霧化特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，結(jié)果表明噴嘴水滴粒徑分布基本呈正態(tài)分布規(guī)律，確定了采用噴嘴的索太爾平均直徑進(jìn)行換熱計(jì)算的方法，其相對(duì)誤差一般不超過
2%
，典型渦旋式噴嘴和外螺旋式噴嘴不同壓力下的索太爾平均直徑見表
2
［
53
］
。當(dāng)其他條件保持不變時(shí)，當(dāng)噴淋水滴粒徑減小到
300
μ
m
時(shí)，排煙溫度甚至可以基本降低到噴淋水的進(jìn)口溫度
20
℃。
Li
等人
［
54
］
對(duì)噴淋
-
填料型直接接觸式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明針對(duì)低溫噴淋煙氣冷凝，噴淋水滴粒徑與煙氣冷凝出口溫度成非線性關(guān)系，噴淋水滴粒徑
210
μ
m
是出口煙氣含濕量變化的一個(gè)臨界點(diǎn)。
當(dāng)噴淋水滴粒徑大于
210
μ
m
時(shí)，隨噴淋水滴粒徑減小，煙氣含濕量不會(huì)明顯下降。而當(dāng)噴淋水滴粒徑小于
210
μ
m
時(shí)，隨噴淋水滴粒徑減小傳熱傳質(zhì)程度急劇增加，煙氣含濕量迅速下降，可使?jié)駸煔鈴?/span>
100
℃冷凝到
38.6
℃。
表
2
典型渦旋式噴嘴和外螺旋式噴嘴不同壓力下的索太爾平均直徑
因此針對(duì)本文提出的余熱回收塔的噴淋效果，一方面要控制霧化條件使噴淋水滴粒徑在對(duì)應(yīng)臨界點(diǎn)以下，使煙氣含濕量下降，進(jìn)而回收煙氣中的汽化潛熱；另一方面要通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬確定最佳噴淋水滴粒徑范圍，結(jié)合噴嘴壓力降、用水量和循環(huán)水泵能耗進(jìn)行全面經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。
與其他直接接觸式換熱器相比，余熱回收塔具有結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、造價(jià)低、便于檢修和清洗、壽命長、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高、壓力降小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。余熱回收塔在國內(nèi)的工程應(yīng)用，存在設(shè)計(jì)規(guī)范不具體、優(yōu)化余熱回收率參數(shù)不統(tǒng)一和經(jīng)濟(jì)評(píng)估不全面等問題，針對(duì)這些問題展望研究方向如下。
針對(duì)余熱回收塔的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，煙氣入口角度、煙道流速設(shè)計(jì)規(guī)范不具體的問題有待進(jìn)一步研究；優(yōu)化余熱回收塔余熱回收率的主要參數(shù)，有待結(jié)合不同工況，進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)，以及從設(shè)備投資及運(yùn)行能耗角度完善全面經(jīng)濟(jì)評(píng)估。
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