天然气燃烧烟气的冷凝传热特性
责任编辑：液化天然气 浏览：2960次 时间： 2008-04-15 19:21:32
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摘要:随着我国能源结构的调整和环境保护要求的日益提高，燃气锅炉的应用得到了较快的发展，天然气的燃烧应用进一步得到普及。然而，目前燃气锅炉的运行效率仍未达到应有的水平，主要原因是燃气锅炉的排烟温度过高，一般在150℃左右，有的高达200℃。如此高的排烟温度，使..
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随着我国能源结构的调整和环境保护要求的日益提高，燃气锅炉的应用得到了较快的发展，天然气的燃烧应用进一步得到普及。然而，目前燃气锅炉的运行效率仍未达到应有的水平，主要原因是燃气锅炉的排烟温度过高，一般在150℃左右，有的高达200℃。如此高的排烟温度，使烟气中的水蒸气不能凝结，排烟热损失较高[1]。 采用天然气作为燃料时燃烧后烟气中的水蒸气比燃煤约高20％。烟气中携带的水蒸气越多，潜热损失就越大。研究表明，若将烟气温度降低到露点以下，使烟气中的水蒸气冷凝，回收烟气显热和潜热后，可使锅炉热效率提高10％～15％[2]。 1 烟气冷凝传热机理 1．1 烟气冷凝传热过程 烟气是由不凝气体(氮气、二氧化碳、氧气、一氧化碳等)和可凝气体(水蒸气、二氧化硫等)组成的混合物。由于含有不凝气体，其冷凝传热过程与纯蒸汽相比，除有传热外，同时进行着传质，且传热和传质又相互影响，使得传热过程极其复杂。在理论分析时，常采用的方法是在冷凝液膜附近假想一个虚拟的含不凝气体的气态传质边界层，并假定气相中所有的传热传质阻力都会出现在该层。 图1为烟气冷凝传热过程示意图。烟气中的不凝部分基于主流温度Tg与冷凝液膜温度Ti的温度差进行热交换，这是一个以温差为推动力，从烟气向管壁的传热过程。在微元面dA上，其传热量为： hg—烟气对冷凝液膜的对流表面传热系数，kW／(m2·K) Tg—烟气主流温度，K Ti—冷凝液膜温度，K A—传热面积，m2  图1 烟气冲矗传热过程示意图  hm—传质系数，m／s r—水的气化潜热，取2501 kJ／kg Mv—水蒸气的摩尔质量，kg／mol Pv、Pi—水蒸气在主流及界面上的分压力，Pa R—摩尔气体常数，J／(mol·K) TL—液相温度，K 这样，通过烟气向冷凝液膜表面总的传热量dφ为显热传热量dφconv，和冷凝传热量dφcond之和， 即： 由于不凝气体分子的运动及冷凝液膜边界层的存在，使上述两个传热过程交互作用，从而使整个传热过程变得复杂。 1．2 烟气冷凝传热准则 烟气的冷凝传热特性与含有空气的蒸汽类似，国内外研究者对烟气冷凝传热准则的推导大多基于对含有空气的蒸汽冷凝传热特性的研究而进行。 熊孟清等以混合气体(烟气)与不渗透壁面之间的对流表面传热系数hgo为基础建立传热模型，通过大量实澜传热数据给出了主流静止的混合气体在水平光滑外表面上的冷凝传热准则[3]。  hgo—对流表面传热系数，kW／(m2·K) ξ—系数 Le—路易斯数 Ln—温度特征数 wa—主流混合气体中不凝气体的质量分数 Cp，v—水蒸气的比定压热容，kJ／(kg·K) Tw，o—烟气侧壁面温度，K ξ按下式计算：  Pp，a—不凝气体的比定压热容，kJ／(kg·K)Ln按下式计算：  实践证明，该式在较宽的范围内与试验数据吻合，且应用方便。 而笪耀东等则将烟气冷凝传热的显热传热和潜热传热看成一个整体的传热过程，井根据Colbum Hougen模型，建立了复合传热的无量纲准则式[4]，即 a、b、c、d—特定系数 Re—雷诺数 Pr—普朗特数 通过对测得传热数据的多元回归拟合，得出烟气横向掠过单排管束时，待定系数a=0．182 3、b=0．770 7、c=1／3、d=0．2615。 虽然国内外学者对烟气冷凝传热特性进行了不少研究，但由于目前仍缺少不凝气体含量恒定条件下的传热数据，所以对于烟气的冷凝传热系数^多表示为如下形式[5]： hNu—努塞尔冷凝传热系数 2 烟气在不同工况下的冷疑传热特性 2．1 烟气流过管束的冷凝传热特性 烟气流过水平管束时，其传热模型与单管不同。在管束中凝结时，上排管的疑结液流至下排各管上。一方面，使下排各管液膜加厚，热阻加大；另一方面，凝结液在滴落过程中，对下层管液膜周围不凝气体边界层具有扰动作用，这种扰动作用能加速不凝气体的流动，从而增强冷凝传热。综合考虑液膜热阻及液流漓落产生的扰动影响，文献[6]通过理论分析给出下排各管的冷凝传热系数hn与第一排管的冷凝传热系数h1的关系式如下： 由上式可知，随着管排数的增加，下排管的传热系数将减小。 然而，由于凝结液在管束中的流动较为复杂，实际的情况并不如此。文献[5]通过试验证实在烟气高速绕流管束的情况下，不凝气体存在时的液膜热阻对传热的影响极小。对管排中的某一排管，若上排管液膜滴落对该排管的边界层的扰动作用超过了其液膜增厚的影响，该排管的冷凝传热就会得到强化，出现冷凝传热大于上排管的情况。 图2是在一个双排管的传热中，第一排管段与第二排管段各自的总传热量(包括潜热传热和显热传热)及冷凝传热量(只含潜热传热)随平均壁面温度的变化曲线(烟气流速为3．5m／s,Re为2100)[7]。 图2中的实线和虚线分别代表单位面积总传热量和单位面积冷凝传热量的理论值。可以看出，试验测得两排管段各自的单位面积总传热量以及单位面积冷凝传热量与理论值几乎完全吻合，其中第二排管的单位面积总传热量大于第一排管的单位面积总传热量，原因是第一排管凝液的滴落对第二排管扰动的影响，使传热得到强化。  图2 低流速下烟气单位面积总传热量、冷凝传热量与平均壁面温度tw，ava的关系 2．2 烟气在高流速下的冷凝传热特性 提高烟气流速，即雷诺数增加，可以使烟气的冷凝传热得到强化。图3是烟气流速为15 m／s，雷诺数Re为13500时，实验测得的单位面积总传热量和单位面积冷凝传热量与平均壁面温度的关系[7]。与图2中烟气流速为3．5m／s、Re为2100时测得的数据相比，高烟气流速下的冷凝传热特性的变化趋势与低烟气流速下相类似。在接近露点时，高烟气流速下的单位面积总传热量接近低烟气流速下的单位面积总传热量。随着平均壁面温度的降低，高烟气流速的单位面积总传热量及单位面积冷凝传热量迅速增加，其增长幅度高于低烟气流速。当平均壁面温度为0℃时，图3所示的最大单位面积总传热量为36 kW／m2，最大单位面积冷凝传热量为23．8kW／m2；图2所示的最大的单位面积总传热量为18kW／m2，最大单位面积冷凝传热量为9．2 kW／m2。造成这种现象的原因是较高的烟气流速使冷凝液膜减薄，减少传热热阻，强化了传热。 雷诺数Re与烟气冷凝传热Nu的关系如图4所示[8]。可见，烟气冷凝传热努塞尔数Nu随雷诺数Re的增大而增大。  图3 在高流速下烟气单位面积总传热量、冷凝传热量与平均壁面温度tw，ava的关系  图4 烟气冷凝传热Nu与Re的关系 空气系数。和燃料燃烧的状况直接相关，而且会影响烟气的露点以及烟气中水蒸气的相对含量。L．Jia得出，空气系数α越大，烟气的露点越低，且烟气中水蒸气的相对含量也越低[9]。当露点降低时，烟气须在较低的温度下才能冷凝，因此用户在较高采暖温度下所获得的冷凝热会减少，使采暖效率降低。烟气中水蒸气的相对含量降低，使水蒸气分压亦降低，烟气的传质推动力也会相应降低，烟气的冷凝传热量随之降低，因而总传热量减少。 图5[8]反映了不同空气系数α下，烟气冷凝传热Nu与反映烟气中的水蒸气的含量对传热影响的修正雅各布数J的关系。随着空气系数α的增加，烟气的努塞尔数Nu单调减少。在J相同的情况下，冷凝传热系数的减少幅度为38％～55％[8]。  图5 在不同空气系数下烟气Nu。与J的关系 烟气中若含有SO2，会进一步氧化成SO3，SO3与烟气中水蒸气结合成为硫酸蒸气。当烟温降低使之达到硫酸蒸气露点时，硫酸蒸气会凝结，从而对传热设备产生腐蚀作用，SO2体积分数越高，则腐蚀性越强。 从传热角度讲，SO2体积分数的增加不会对冷凝传热产生影响。图6给出了SO2体积分数分别为3．2×10-4和0．6×10-4时，测得的单位面积总传热量随平均壁面温度的变化隋况[7]。图中实线是理论预测值。由图可知，在不同的SO2体积分数下，测得的单位面积总传热量基本相同，即SO2体积分数对烟气的冷凝传热特性基本没有影响。  图6 SO2体积分数对烟气冷凝传热的影响 ① 当烟气流过管束时，由于液膜滴落对液膜周围不凝气体扰动的作用，使得下排管的传热得到强化，其传热系数将大于上排管； ② 提高烟气流速可以强化冷凝传热，从而提高烟气冷凝传热系数； ③ 烟气的冷凝传热系数将随空气系数的增大而减少，因此过大的空气系数不利于烟气的冷凝传热； ④ 烟气中SO2体积分数不同时，其冷凝传热系数基本不变，因此SO2体积分数对烟气冷凝传热基本无影响。 参考文献： [1] 徐生荣，降低燃气锅炉排烟热损失方法探讨[J]．能源研究与利用，2002，(2)：35-37． [2] 车得福，亢艳滨，刘卫东，等天然气锅炉极限热效率及排烟热损失分析[J]．能源研究与信息，2001，(4)：217-224． [3] 熊孟清，林宗虎，刘威定．含不凝气体的蒸汽冷凝换热系数的关联式[J]．热能动力工程，1997，(9)：377-380． [4] 笪耀东，车得福，庄正宁，等高水分烟气对流冷凝换热模拟试验研究[J]．工业锅炉，2003，(1)：12-15 [5] 庄正宁，唐桂华，朱常新．不凝气体存在时水平管束冷凝换热特性的试验研究[J] 西安交通大学学报，2000，(7)：35-38 [6] Kem D Q．Mathematical development of loading in horizontal condensers[J]．AIChEJ，1958，(4)：157-160． [7] Masahiro O，Kazuhiko I，Kiyoyuki Y，et al，Condensation heat transfer on tubes in actual foue gas[J]．Heat Transfer-Asian Research，2003．32(2)：153-166． [8] 吕照．冷凝式燃气热水炉冷凝换热及防腐研究(硕士学位论文)[D]．北京：北京建筑工程学院，2001 [9] Jia L，Peng X F，Sun J D，et al．An experimental study on vapor condensation of wet flue gas in a plastic heat exchanger[J]．Heat Transfer-Asian Research，2001，30(7)：571-580． |
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