【论文精选】直接接触式烟气余热回收换热器研究及应用

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作 者： 吴欢欢，王海超，朱传芝，田国涛，王殿祥

第一作者单位： 大连理工大学  土木工程学院

摘自《煤气与热力》2023年4月刊

参考文献示例

吴欢欢，王海超，朱传芝， 等 .   直接接触式烟气余热回收换热器研究及应用 ［J］.    煤气与热力， 2023，43（4） ：A15-A21.

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换热设备

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锅炉

1    概述

在我国双碳目标大背景下，将能源更加有效地利用是我国的重大课题之一。相关资料显示：截至 2021 年底，全国集中供热总面积为 98.78 × 10 ⁸   m ² ，清洁能源消费比例升至 25.5% ，煤炭消费比例降至 56.0% ；可再生能源发电装机容量突破 10 × 10 ⁸   kW ，占总发电装机容量的 44.8% 。在热电联产中，大多数热电厂的清洁能源供热比例较低，为实现节能减排，近年来中国出台了许多有关大力推进清洁供热的政策方针 ^{［ 1-2 ］} 。

热电厂在热、电生产过程中存在大量低品位余热被浪费的现象，燃料总热量中约 60% 被直接排放至环境，大量的排烟余热没有得到充分利用，导致系统能源利用率较低，煤耗量大。由于热电厂大多使用湿法脱硫工艺，经过除尘器后的 130 ℃烟气进入脱硫塔后，经过与脱硫浆液充分传质换热，烟气含湿量接近饱和状态，一方面说明脱硫塔的耗水量巨大，另一方面也说明经过脱硫塔后的烟气含有大量的汽化潜热，直接从烟囱排出将会导致大量热损失。据调研，采用直接接触式 换热器 和吸收式热泵是烟气余热回收效果最好、最值得推广的形式之一，因为烟气和喷淋液直接接触传热，在这个过程中烟气的水蒸气冷凝，湿度降低，释放的潜热传递给喷淋液，使喷淋液温度升高，在回收烟气显热的同时回收潜热，再利用吸收式热泵充分转换这部分热能，能提高燃煤 锅炉 的热效率，达到环境效益和经济效益双赢。

在国外，直接接触式换热的概念最早于 1900 年被提出 ^{［ 3 ］} 。 1993 年 Guillet 等人发明的直接接触式换热器在美国获得了专利 ^{［ 4 ］} 。在 Wanga 等人的 15 MW 全氧燃料试点项目 ^{［ 5 ］} 、 Faber 等人的 30 MW 试点项目 ^{［ 6 ］} 、 Liu 等人的 30 MW 试点项目 ^{［ 7 ］} 中，直接接触式换热器通常放置在干式脱硫系统过滤器之后，用于对排放前的烟气进行干燥和冷却。 Takami 等人 ^{［ 8 ］} 进行的模拟表明，烟气和液体之间的传热系数主要随着烟气中水蒸气含量增加而增加，这对冷凝器的温度分布有很大影响。此外，烟气水蒸气对湿球温度有积极影响。这意味着在相同的烟气温度下，在烟气水蒸气含量较高的情况下，喷淋水可以被加热到更高的温度。 Jeong 等人 ^{［ 9 ］}   建立了烟气冷凝换热器中传热传质过程的分析模型，以预测从烟气到冷却水的热量传递和烟气中水蒸气的冷凝率。据此，当管壁温度与水蒸气的露点接近时，水蒸气在管壁表面发生冷凝。烟气到冷却水的传热既有显热又有潜热。 Chantana 等人 ^{［ 10 ］} 研究了使用冷凝式直接接触式 换热器 从发电厂的烟气中回收热量，烟气可以冷却到 40 ℃以下。 Lee 等人 ^{［ 11 ］} 研究了应用燃气锅炉烟气直接接触式余热回收系统，使供热效率明显提高。

在国内，付林等人 ^{［ 12 ］} 将吸收式热泵应用于燃气（油）锅炉烟气余热回收，并将回收热量用于供暖回水加热，可将 58 ℃回水加热到 74.3 ℃。田贯三等人 ^{［ 13 ］} 分析了天然气燃烧烟气中水蒸气汽化潜热的节能潜力，并将换热器和三级热泵结合的系统应用于烟气余热回收，使烟气温度从 100~200 ℃降低到 20~30 ℃。魏亦强等人 ^{［ 14 ］} 将冷却塔和吸收式热泵结合应用于天然气 锅炉 烟气余热回收工程中，分析得出该系统的余热回收率受到锅炉过剩空气系数、冷却塔进出口水温和流速影响。该系统余热回收率最高可达 77% 。孙方田等人 ^{［ 15 ］} 以产品㶲 效率作为热源站效率的评价指标，分别分析了间壁式换热器、吸收式热泵、间壁式换热器和直燃型吸收式热泵结合应用于燃气锅炉烟气余热回收，并将回收热量用于一级管网回水加热，在相同热负荷的条件下，间壁式换热器和直燃型吸收式热泵结合方案可以使 20 ℃的回水加热到 130 ℃，且循环水流量减少了 32% 。张若瑜等人 ^{［ 16 ］} 提出采用吸收式热泵应用于热电厂烟气余热回收和加热热网回水，实现对烟气余热的梯级利用。刘效洲 ^{［ 17 ］} 将逆流式直接接触式换热器应用于一种新型燃气锅炉尾部烟气余热回收，使烟气温度降低到 50 ℃左右，节能率在原有基础上提升 10% 以上。付林等人 ^{［ 18 ］} 在 2011 年获得了将直接接触式换热器和吸收式热泵组合应用于烟气余热回收及加热回水的发明专利。贾向东等人 ^{［ 19 ］} 将直接接触式换热器和吸收式热泵应用于烟气冷凝余热回收，使烟气温度从 60 ℃降低到 25 ℃，吸收式热泵转换的热量将一级管网回水温度由 44 ℃提升至 64 ℃，提高了系统的能源利用效率。

综上所述，我国热电联产中低品位烟气余热存在较大的节能潜力，提高燃煤锅炉的能源利用率，是减少能耗和实现可持续发展的重要途径。根据上文及实际工程调研，目前效果最好、最值得推荐的方法之一是将吸收式热泵与直接接触式 换热器 组合应用于烟气余热回收系统 ^{［ 20-21 ］} 。国外对直接接触式换热器应用于余热回收的相关研究较早，而我国研究起步较晚。直接接触式换热器使高温气体和低温液体直接接触传质换热，将高温气体中的热能传递至低温液体中。本文针对用于烟气余热回收的直接接触式换热器研究进展和应用进行探讨。

2    直接接触式换热器的结构

2.1   形状结构

直接接触式换热器内的流场分布会受到外壳形状及烟气入口角度的影响，流场越稳定，传质换热效率越高。韩升 ^{［ 22 ］} 对 SCR 反应器的 CFD 模拟结果表明，对于反应器的顶部结构设计的优先顺序是圆弧顶、斜顶、平顶，烟气进出口采用弧形拐角和渐变形式，更加有利于提高反应器的效率。为消除换热器内形状结构造成的换热死区，张磊 ^{［ 23 ］} 在冷凝器拐角处进行倒角并在内部隔热板上开孔改善了烟气的流动，传热系数明显提高。

烟道入口向上成一定角度连接直接接触式换热器，一方面是为了换热器内气液流场的稳定性，另一方面是为了避免直接接触式换热器内的持液底层液位变化异常导致持液进入烟道。针对直接接触式换热器的烟道入口最佳角度设计，还需要进行数值仿真和试验正交分析，目前可以借鉴脱硫吸收塔的相关研究成果，见表 1 。

表 1    脱硫吸收塔的烟道入口最佳角度

对直接接触式换热器的外形结构规范化设计应满足以下基本要求。顶部结构：圆弧顶和斜顶优于平顶；在换热器内烟气拐角处进行倒角，进出口采用渐变形式；明确烟道入口最佳角度，以确保流场稳定，消除换热死区，充分传质换热；操作平稳，有适当弹性，能适应负荷变化；能耗物耗小，系统阻力小，运行费用少；使用寿命长，造价低；占用地面和空间少。

2.2   接触结构形式

常见直接接触式换热器的接触结构形式主要为填料型、喷淋型、多孔鼓泡塔型。填料型直接接触式换热器（简称填料塔）适用于快速和瞬间反应过程，具有结构简单、加工制造方便、造价低、便于检修和清洗的优点；缺点是液体在填料停留时间短，存在壁流和液体分布不均的情况。喷淋型直接接触式换热器（简称喷淋塔）属于气膜控制的反应系统，适用于瞬间反应过程，具有表面传热系数较大、烟气与低温喷淋液充分换热、便于检修和清洗的优点，缺点是液相传质系数小，雾滴在气流中浮动，气液均返混严重。多孔鼓泡塔型直接接触式换热器（简称鼓泡塔）适用于速度慢和热效应大的反应，具有结构简单、造价低、易于控制及维修、防腐蚀问题易解决等优点；缺点是效率低，气泡易聚集，液体返混严重。通过分析可知，填料型和喷淋型直接接触式换热器更加适用于热电厂烟气瞬间处理的应用场景。

喷淋 - 填料型直接接触式换热器综合了喷淋型和填料型结构形式且大大增强了传质换热性能，是一种新型的直接接触式换热器结构形式。汪霞等人 ^{［ 28 ］} 对喷淋 - 填料型直接接触式换热器进行的工程试验表明，在喷淋塔内加入填料后不仅增加了烟气在塔内的停留时间，而且大幅降低了运行功耗，显著提高了烟气余热回收能力。对比 Siqueiros 等人 ^{［ 29 ］} 采用的多孔鼓泡塔型直接接触式换热器，余胜麟 ^{［ 30 ］} 采用喷淋 - 填料型直接接触式换热器显著提高了传热系数。

对于相同工况的热电厂，在直接接触式换热器的余热回收效果方面，喷淋 - 填料型优于喷淋型和多孔鼓泡塔型。笔者团队设计了一种喷淋 - 填料型直接接触式换热器结构，称为余热回收塔，主要包括持液底层、烟气出入口、填料层、喷淋器、除雾器，结构见图 1 。

图 1    余热回收塔结构

2.3   结构尺寸

本节主要针对余热回收塔结构尺寸确定进行探讨。

2.3.1  入口烟道

烟道尺寸设计最主要的参数是烟道内烟气流速，烟道内烟气流速设计不仅要考虑风机能耗，还要考虑经济性、烟道结构的稳定性及塔内的最佳流速。刘磊 ^{［ 31 ］} 通过对流冷凝换热影响因素实验研究分析得出，低烟道内烟气流速和大换热面积换热器有利于水蒸气凝结。 Groff 等人 ^{［ 32 ］} 应用数值解法讨论了烟气入口雷诺数、烟气组成和烟气入口到塔体内壁温差变化对温度边界层厚度和传热的影响。沈荣澍等人 ^{［ 33 ］} 结合工程实际和 CFD 数值仿真结果论述了烟道内烟气流速的设定原则。文献［ 34 ］对烟道内烟气流速的限定范围为 10 ～ 15 m/s ，国外规定烟道内烟气流速的最大值为 20 m/s 。

余热回收塔入口烟道的设计要求：烟气压损小，进入塔内的烟气流场分布均匀；入口烟道的高宽比适当，不影响塔的高度；使干湿界面远离入口烟道，避免入口烟道中累积沉积物。余热回收塔入口烟气分布的均匀性对发挥喷淋器和除雾器作用非常重要，因此通常要根据模拟或实验结果来设计入口烟道。

2.3.2  塔内烟气流速、高径比

当塔内烟气流速超过 6 m/s 时，喷淋水滴将会被烟气从除雾器中夹带出来。考虑到除雾器的支撑结构占据一部分空间和塔内流速分布不均匀，实际最大塔内烟气设计流速约为 5 m/s ，因此逆流式喷淋塔内的烟气设计流速大约范围为 2.5~5.0 m/s 。近些年逆流式喷淋塔设计趋势向着大流量、大容积和紧凑型方向发展，塔内烟气设计流速趋向于该范围的较高值 ^{［ 35 ］} 。李璐璐等人 ^{［ 36 ］} 对喷淋 - 填料型直接接触式换热器进行数值模拟，确定塔内最佳烟气流速为 3.5 m/s 。

确定余热回收塔的高径比需要预测喷淋水滴尺寸分布，以准确地预测热传递。小液滴下降速度受到烟气影响较小，大液滴下降速度受到烟气影响较大。小液滴的粒径决定余热回收塔直径，大液滴的最大下降速度决定余热回收塔高度 ^{［ 37 ］} 。

王文娜等人 ^{［ 38 ］} 通过对填料塔进行 CFD 模拟，得出结论：当填料塔高度大于 1.2 m 、高径比大于 8 时，填料塔内部流体流型呈现平推流。马跃龙等人 ^{［ 39 ］} 在公称直径为 200 mm 、 400 mm 的鼓泡塔实验研究中分析得出， 400 mm 的鼓泡塔存在临界高径比，临界高径比范围为 1.5~2.0 ，若高径比不大于临界高径比，则气液混合时间随高径比增大而缩短；若高径比大于临界高径比，则气液混合时间随高径比增大而延长。文献［ 40-42 ］认为鼓泡塔传热传质与高径比关系复杂，在高径比为 3 时气液混合时间最短。上述研究主要以提高填料塔的持液率和鼓泡塔的气液混合时间为主要研究目的，并未研究同时考虑换热效率的最佳高径比。刘哲毅 ^{［ 43 ］} 应用数值分析方法分析发现，余热回收塔内烟气与水的换热效率随换热器高径比增加而提高，以投资最小为目标函数确定余热回收塔的最佳高径比范围为 4~5 ，该理论数值模型是二维的，结论需要结合实验进行进一步论证。

3    冷源影响分析

冷源对于余热回收塔的余热回收率影响因素主要有液气比、喷淋水温度、喷淋水滴粒径等 ^{［ 44 ］} 。

3.1   液气比及喷淋水温度

在余热回收塔其他工况参数一定时，通常烟气余热回收量随着液气比增大而增大，但两者不成线性关系，当液气比超过一定值以后，烟气出口温度和含湿量不再变化，说明喷淋水实际温度已经接近余热回收塔烟气出口温度。喷淋水温度是影响烟气出口温度的重要因素之一，根据国内外相关工程经验，出口烟气和喷淋水之间的温差可以控制在 5~10 ℃。文献［ 45-47 ］将吸收式热泵制取的 20 ℃低温水作为喷淋型直接接触式换热器的喷淋冷源，使燃气锅炉排烟温度降至 30 ℃。刘华等人 ^{［ 48 ］} 选用温度为 17~30 ℃喷淋水作为喷淋型直接接触式换热器的冷源进行试验，结果表明喷淋水温度每降低 1 ℃，烟气、水换热效率提高 0.8% 左右，液气比为 10 时，换热效率可以达到极值 0.9 ，液气比大于 10   后，换热效率不再增大。王逊等人 ^{［ 49 ］} 采用 Aspen Plus 流程模拟软件，从降低氮氧化物排放和提高系统供热能力的角度出发进行分析，确定适宜的烟气换热器液气比为 3.0 。陈闵叶等人 ^{［ 50 ］} 的研究结果表明，当喷淋水温为常温、液气比为 4.4 ～ 4.8   时，直接接触式换热器的效率可提升至 85 ％以上。张群力等人 ^{［ 51 ］} 实验研究结果表明，当喷淋型直接接触式换热器在液气比为 13 、喷淋水温度为 20 ℃且喷淋高度为 1.26 ｍ时，能将排烟温度从 102 ℃降至 33 ℃，使余热回收效率达到 14 ％。刘效洲 ^{［ 52 ］} 的研究表明，当喷淋水温度为常温、喷淋水密度为8 ~10 t/ （ m ² · h ）、塔内烟气速度在2 m/s 以下时，喷淋型直接接触式换热器能将排烟温度降低至 40 ℃。

较低的喷淋水温度会增大烟气和水换热的温差，有利于烟气和水换热。但喷淋水温度降低对制冷机的制冷性能系数有影响。因此确定喷淋水温度时，两者要均衡考虑。在喷淋水温度、流量一定时，随着系统液气比增大，余热回收塔的余热回收量与热效率均有所提升。

3.2   喷淋水滴粒径

减小喷淋水滴粒径相当于增加了接触面积，减小了水滴速度。经过实验与工程应用得知，涡旋式和外螺旋式喷嘴均适用于烟气 - 水喷淋换热。涡旋式喷嘴（见图 2 ）不易堵塞，但喷嘴为非标产品，大批量生产难度较大。外螺旋式喷嘴（见图 3 ）为成熟产品，但长期使用后容易存在喷嘴堵塞现象，需定期清洗。

图 2    涡旋式喷嘴

图 3    外螺旋式喷嘴

李锋等人 ^{［ 53 ］} 对涡旋式喷嘴和外螺旋式喷嘴的雾化特性进行了实测分析，结果表明喷嘴水滴粒径分布基本呈正态分布规律，确定了采用喷嘴的索太尔平均直径进行换热计算的方法，其相对误差一般不超过 2% ，典型涡旋式喷嘴和外螺旋式喷嘴不同压力下的索太尔平均直径见表 2 ^{［ 53 ］} 。当其他条件保持不变时，当喷淋水滴粒径减小到 300 μ m 时，排烟温度甚至可以基本降低到喷淋水的进口温度 20 ℃。 Li 等人 ^{［ 54 ］} 对喷淋 - 填料型直接接触式换热器进行数值模拟，结果表明针对低温喷淋烟气冷凝，喷淋水滴粒径与烟气冷凝出口温度成非线性关系，喷淋水滴粒径 210 μ m 是出口烟气含湿量变化的一个临界点。

当喷淋水滴粒径大于 210 μ m 时，随喷淋水滴粒径减小，烟气含湿量不会明显下降。而当喷淋水滴粒径小于 210 μ m 时，随喷淋水滴粒径减小传热传质程度急剧增加，烟气含湿量迅速下降，可使湿烟气从 100 ℃冷凝到 38.6 ℃。

表 2    典型涡旋式喷嘴和外螺旋式喷嘴不同压力下的索太尔平均直径

因此针对本文提出的余热回收塔的喷淋效果，一方面要控制雾化条件使喷淋水滴粒径在对应临界点以下，使烟气含湿量下降，进而回收烟气中的汽化潜热；另一方面要通过试验和数值模拟确定最佳喷淋水滴粒径范围，结合喷嘴压力降、用水量和循环水泵能耗进行全面经济性评估。

4    结语

与其他直接接触式换热器相比，余热回收塔具有结构简单、加工制造方便、造价低、便于检修和清洗、寿命长、表面传热系数高、压力降小、成本低等优点。余热回收塔在国内的工程应用，存在设计规范不具体、优化余热回收率参数不统一和经济评估不全面等问题，针对这些问题展望研究方向如下。

针对余热回收塔的形状结构设计，烟气入口角度、烟道流速设计规范不具体的问题有待进一步研究；优化余热回收塔余热回收率的主要参数，有待结合不同工况，进行数值仿真和试验，以及从设备投资及运行能耗角度完善全面经济评估。

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（本文责任编辑：林国真）

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