一种高效除湿燃气锅炉尾气处理装置的模拟分析

林真国孙铁林杰喻鸿李文静

1重庆大学城市建设与环境工程学院 2重庆热宜节能有限公司

目前，我国提倡使用清洁能源，减少对环境的污染。天然气以其高效、节能、污染小的优势在我国能源结构中的比重持续增高[1-2]。随着煤改气政策的推行，我国工业企业污染物排放量与去年同期相比下降10%左右[3]，但北方城市冬季雾霾现象严重。相关文献资料认为燃气锅炉尾气中含有的大量水蒸气，是促进雾霾形成的原因之一。当锅炉尾气被直接排放，会使局部空气中的水蒸气达到饱和状态，析出细小的水滴漂浮在空气中并与空气中的颗粒物相结合，为雾霾形成提供基础[4-5]。

目前，对于燃气锅炉尾气处理的研究方向主要集中在锅炉尾气余热回收方面，包括传统的板式换热，热管换热，冷凝换热技术等[6-8]，对燃气锅炉尾气中的水蒸气处理涉及较少。所以，本文在研究团队前期研发的新型锅炉尾气处理装置的基础上，通过CFD模拟软件，模拟锅炉尾气在该装置中的温度变化，探讨该装置的除湿效果及影响除湿效果的相关因素。

1 装置结构及原理

基于研究团队对燃气锅炉尾气的相关研究[9-11]，改变传统的烟囱排烟的形式，将燃气锅炉排烟通过烟道引入烟气处理装置中，利用其内部结构对烟气进行处理，降低污染物和水蒸气含量，装置内部结构如图1。

图1 装置结构示意图

该装置底部为烟气进口，烟气进入换热段，经过热管换热器余热回收，烟气温度由160℃降低到110℃附近[12]，随后排出换热段。该装置周围安装8个轴流风机向内部送风，室外空气与烟气在“云塔”底部混合后向上排出，经过挡烟板组成的通道后由顶部四周排烟口排出。挡烟板为3 mm厚镀锌钢板，外表面安装60 mm厚合成纤维过滤棉，利用碰撞吸附的原理净化烟气中的粉尘（如PM 2.5～PM5.0）。烟气流通的过程中既与室外冷空气混合降温，又通过外表面传热降温后达到水蒸气饱和分压力，烟气中的水蒸气凝结析出。凝结后的水会对烟气中的固体颗粒物、硫化物、氮氧化合物等污染物有吸收作用，强化对烟气的净化效果。

2 模拟内容及理论计算

本模拟主要研究装置中烟气的温度变化能否使水蒸气凝结析出并根据模拟装置中烟气温度高低及分布情况，判断该装置能否达到预计的除湿效果。

由于烟气是混合气体，没有固定的物性参数，无法得知其准确的露点温度，所以只能通过烟气中水蒸气的分压力是否达到该温度下饱和水蒸气的绝对压强来判断烟气是否发生冷凝过程。

水蒸气的绝对压强与温度的关系可参考Antoine公式[13-15]表示如下：

式中：P为水蒸气的绝对压强，mmHg；t0为水蒸气的温度，K。

水蒸气的绝对分压力与水蒸气和烟气的组分之比有关：

式中：P1、P2为混合烟气中水蒸气的绝对分压力、烟气的绝对压力，kPa；m1、m2为混合烟气中水蒸气的质量、混合烟气的质量，kg；M1、M2为水蒸气的摩尔质量、混合烟气的摩尔质量，g/mol。

要使混合烟气中的水蒸气凝结，需要使其分压力大于该温度下饱和水蒸气绝对压力，即p1＞p。

排出混合烟气的含湿量计算公式如下：

式中：d为含湿量，g/kg；m3为排出的水蒸气质量，kg。排出烟气中的水蒸气质量计算公式如下：

式中：P3为排出混合烟气温度下饱和水蒸气的绝对压强，kPa。

3 模拟工况及模拟验证

3.1 模拟工况

本文模拟共3组工况，主要研究其近内壁面烟气温度、挡板附近烟气温度及装置出口处烟气温度。

模拟一：该装置用于新疆乌鲁木齐，冬季12月份平均气温-9℃，锅炉尾气量为2800 m3/h，尾气经余热回收后温度为110℃，引入室外空气量为2000 m3/h。该工况为测试时实际工况，用以验证模型的正确性。

模拟二：室外温度设定为 -2℃、-5℃、-9℃、-12℃、-15℃。该工况用以研究不同室外温度下对该装置除湿效果的影响，确定该装置有除湿效果的室外环境温度范围。

模拟三：室外空气引入量为4400 m3/h、4000 m3/h、3600 m3/h、3200 m3/h、2800 m3/h、2400 m3/h、2000 m3/h、1600 m3/h和1200 m3/h。该工况用以研究不同引风量对该装置除湿效果的影响，确定理论最优引风量。

3.2 模拟验证

工况一出口模拟温度：四个出口以流通量加权平均温度分别为39.7℃、40.5℃、41.1℃、40.6℃，总平均温度40.5℃。

根据模拟温度 40.5 ℃及式（1）～（4），计算烟气出口含湿量为46.4 g/kg，除湿量40.23 kg/h，除湿效率14.6%。

在壁面中心位置距壁面0.03 m处取竖直方向直线，高度从0 m到4.8 m如图2，从点A到点B均分100个点，其温度曲线如图3所示。

图2 装置模型示意图

图3 近壁面温度延竖直高度温度分布

图4 烟气挡板附近平面温度低于43℃区域

由图3可以看出随着高度的升高越接近出口，近壁面温度逐渐降低。由式（1）、（2）可得，当温度低于43℃时，饱和水蒸气绝对压强低于计算饱和压强，能实现烟气中的水蒸气冷凝。图3中0.55 m处是底部进风口高度，处于室外冷空气引入段，温度近似等于室外温度，0.55 m以上烟气开始与空气混合，温度趋于平稳。在高度2.4 m、3.1 m、3.8 m处为三个挡板附近，挡板上部空气流动较弱，温度相对较低，挡板下部汇集高温烟气流动温度较高，所以在挡板附近随高度变化，温度呈陡降趋势。

由于高温烟气因浮升力多集中于挡板下部，不易产生水蒸气冷凝，所以取挡板上部0.1 m处的水平面为研究区域，其中温度低于43℃的区域如图4所示。

可以看出，一层挡板上部区域只有靠近壁面的地方温度才能达到冷凝温度，且温度较高，二层挡板上部部分区域同样具有实现水蒸气冷凝的条件，且温度比第一层区域低。三层挡板上部区域，基本可实现水蒸气的冷凝。

测试条件：室外温度-9℃，锅炉全负荷运行，运行稳定后进行测试。

测试结果：四个出口测点平均温度为：52℃，44℃，49℃和45℃，总平均47.5℃。相对湿度分别为82%，87%，94%和72%。

该测试结果与工况一模拟结果近似，可认为模拟具有可信性，该装置可实现对燃气锅炉尾气的除湿处理。

4 装置除湿效果模拟及分析

4.1 工况二模拟结果分析

随着室外温度的变化，烟气出口温度和装置的除湿量也随之变化，分别如图5，图6所示。

图5 室外温度与烟气出口温度曲线图

由模拟结果可得，当室外温度为-5℃以下时，该装置才具有一定的除湿能力，而乌鲁木齐地区12月、1月和2月最高气温均低于-5℃。而且随着室外温度的降低，出口温度也在降低，除湿量不断增大。

图6 室外温度与计算除湿量曲线图

4.2 工况三模拟结果分析

随着引入空气量的增大，出口烟气温度不断降低，如图7；装置计算除湿量也在不断增大，在引风量为4000 m3/h附近达到最大除湿量，如图8。

图7 引风量与烟气出口温度曲线图

图8 引风量与计算除湿量曲线图

分析原因：随着引入空气量增大，组分变化所引起的分压力降低的幅度要比由温度降低所引起的饱和分压力降低幅度小。组分分压力降低近似线性变化，而饱和蒸气压分压力变化呈指数变化，所以随着引入空气量不断增大，除湿量应呈现先增大后减小的趋势。但过大的引风量意味着较高的初投资，且容易造成烟气的回流状态，不利于锅炉排烟。

5 结论及展望

根据模拟及计算，对3种不同工况实验组进行分析，得到以下结论：

1）该装置在室外温度-5℃以下有较好的除湿效果，壁面和挡板附近均达到水蒸气冷凝所需的温度要求。冬季在新疆乌鲁木齐地区，该装置能实现对烟气的除湿效果。

2）随着室外温度的降低，装置壁面传热温差增大，传热效果增强，出口烟气温度随之降低，除湿量增加。

3）随着引入室外空气量的增大，出口烟气温度降低，装置的除湿量增大。当引入空气量与烟气量比值在1.4～1.6时，该装置的除湿量将达到最大，除湿效率约48%。但风量越大，成本越高，需要根据工程实际情况选择。