烟气冷凝中SO 2行为分析及实验研究
摘要  本文采用Nusselt 凝结理论分析了套筒式冷却换热器内烟气冷凝过程中水蒸气的凝结机理，利用膜模型分析烟气冷凝过程中SO 2气体组分的行为。实验研究了烟气雷诺数、换热壁面温度及烟气中水蒸汽浓度等因素对脱硫效果的影响。 关键词  烟气，凝结过程，SO 2气体，脱硫
对于纯蒸汽凝结和含有少量不凝性气体的水蒸气的凝结，国外已利用Nusselt 凝结理论开展了大量有益的工作[1－2]。国内对循环流化床烟气脱硫[3-4]、湿法烟气脱硫[5-6]已进行了大量研究工作；对于液滴吸收SO 2的理论研究也取得很多有益的成果[7－10]。近年来，我们对锅炉烟气中凝结换热进行了大量研究工作，同时对烟气中二氧化硫气体组分的行为过程进行了分析。烟气的凝结换热属于含有大量不凝性气体的凝结过程，凝结液对二氧化硫的吸收使得这一过程变得复杂。本文采用Nusselt 凝结理论分析了套筒式冷却换热器内水蒸气的凝结过程，并利用修正的膜模型研究了烟气中二氧化硫气体组分的行为过程。
1．物理模型
竖直套筒内烟气的冷却换热过程如图1所示，烟气在内筒中自上而下流动，冷却水在内外筒之间夹层自下而上流动，烟气与冷却水进行逆流换热。如果内筒内壁面温度低于烟气的露点温度，烟气中水蒸气将会在该壁面凝结，致使烟气中部分水蒸汽在管内侧形成厚度为δ的凝结液膜。
图1  烟气冷凝过程物理模型示意图
在烟气与凝结液膜之间存在一个气-液分界面，根据膜模型理论，气-液界面附近存在气相和液相滞流膜层；烟气与气-液界面的换热为显热换热和凝结换热的复合；液膜内温度分布呈线性，烟气释放的热量以导热方式通过液膜层，显热换热以对流换热方式传递给气-液界面，凝结换热直接发生在气-液界面上。同时，烟气中的易溶性气体二氧化硫以分子扩散的方式通过气相和液相滞流膜层，被水吸收并发生水解反应：
该过程为可逆反应，主体的二氧化硫分压力与气-液界面处的二氧化硫分压力之差是SO 2气体传质的驱动势。
2．数学分析
2.1水蒸汽的凝结液量
由界面能量平衡可知，烟气显热换热量与水蒸气的凝结换热量等于通过液膜导热换热量，即：
主流烟气
δ
液膜
L m t t h t t k
i g g w i l
+-=-)()(δ                                    （1）
式中m
为水蒸气的质量流率，L 为水蒸气汽化潜热，g h 为烟气与液膜间对流换热系数，i t 为气-液界面处的温度，w t 为内筒内壁面温度，g t 为烟气主流平均温度，l δ为液膜厚度，k 为液膜导热系数。
水蒸气凝结液量：
⎰-=δ
πρ0
))((2dy y R y u M l                                      （2）
式中，ρl 为凝结液密度，R 为内筒半径。 2.2气膜中二氧化硫浓度分布
气膜中二氧化硫浓度微分方程：
2
2dy
c d D dy dc v s
s
s =                                        （3） 式中s c 为SO 2的摩尔份额，s D 为SO 2的扩散系数, SO 2气体扩散和水蒸汽凝结引起的诱导速度v ：
c
dy dc
D
v --=1                                                （4） 式中D 为水蒸汽的扩散系数。
边界条件为：s i s c y
c ==)0(；gs cs s c y c ==)(δreaction研究
整理方程（3）得：
0)11ln(2
2
=---dy
dc c c D D dy c d s i g S s δ                              （5） 令)11ln(i
g S c c D D ---
=δξ，得              02
2=+dy
dc dy c d s
s ξ                                          （6） 解得SO 2浓度的分布为          )1(1
y cs is gs is s e e c c c c ξξδ------
=                                      （7）
2.3二氧化硫的吸收量
二氧化硫的吸收过程根据亨利定理有：
p H
C so =2                                                  （8）
式中的2SO C 为二氧化硫的摩尔份额；H 为亨利常数【11】；p 为二氧化硫的分压力。
由轴向质量平衡可知：
s s s dM x M x x M +=∆+)()(                                  （9） 式中，M S 为二氧化硫吸收量。
凝结液内吸收的二氧化硫量应等于气相主流向界面扩散的二氧化硫量。根据微元段的凝结液量可求出二氧化硫气体的吸收量。
3．实验系统
本实验重点研究垂直管内湿烟气中水蒸汽冷凝与SO 2吸收共存的情况，水蒸汽浓度在8~30%，SO 2的浓度在1500~5000mg/Nm 3
图2实验系统图
1——锅炉出口烟道；2——烟气流量调节阀；3——碱液泵 4——竖直单管冷却换热器；5——引风机；6——凝结液接收器
本实验采用82KW 天然气锅炉产生烟气，使用SO 2标气罐在烟气道加入SO 2气体。与SO 2
气充分混合后的烟气进入竖直单管，烟气与冷却水进行非接触式逆流换热，烟气温度降低，烟气中水蒸汽凝结形成的凝结水进入凝结液收集器；被冷却后的烟气经引风机排出。实验过程中使用烟气分析仪测定冷却换热器前后烟气成分的变化。为了获得水蒸汽浓度较大的湿烟气，采用蒸汽加湿器对烟气增湿。为了对比研究碱液脱硫的情况，雾化碱液由反应段顶部喷嘴喷入，其中雾化风是由空压机提供的压缩空气。
4．实验结果与讨论
烟气在内筒中流过，烟气中的水蒸气凝结形成凝结液，烟气中的二氧化硫通过扩散进入凝结液，这一过程受多种因素影响，如烟气中水蒸气浓度、烟气雷诺数、内筒内壁面温度等。 4.1烟气雷诺数对脱硫效果的影响
实验过程中，通过调节进入内筒的烟气量来改变烟气在内筒的流速，从而使得雷诺数在较大范围内变化。实验结果见图3。
天然 气锅 炉
蒸汽加
湿器
SO 2钢瓶
1
2
碱液桶
4
5
冷却水流出
图3 沿无量纲长度x/d烟气雷诺数与二氧化硫吸收量的关系图3显示，雷诺数越大，脱硫效果越好。由于水蒸气冷凝在管壁形成液膜，烟气中的二氧化硫需要通过气膜层到达液膜表面，雷诺数越大，紊流越强，烟气流的扰动，有效地打破了气膜层的阻滞，使得烟气中二氧化硫分子接触液膜层的几率增大，因此对二氧化硫的脱除效果越好。
图3还显示，沿着无量纲长度x/d方向二氧化硫的吸收量不断增大，这同烟气中水蒸气的凝结过程[12]有关，在沿内筒换热内壁面上，水蒸气的凝结可以分为三个阶段：核化阶段、液膜生长阶段，聚合脱落阶段。核化阶段液膜还未形成，在每个核化核心同二氧化硫的接触几率很小，使得最初脱除二氧化硫的量较小；在液膜生长阶段，这是凝结的主阶段，管壁上形成了液膜并不断长大，此阶段对二氧化硫的脱除效果最好，表示为图3中曲线中段，中间阶段二氧化硫脱除量有很大增大幅度；在聚合脱落段，液膜在极短的时间内聚合成液滴落下，在这一阶段对二氧化硫的吸收量很少，同时在此阶段，烟气中二氧化硫
气体的浓度大大降低，也使得二氧化硫的扩散驱动力大大减弱。
4.2换热壁面平均温度的影响
烟气冷凝脱硫主要靠凝结液对烟气中的二氧化硫的吸收，凝结液量的多少对烟气冷凝脱硫的效果有很大的影响，而凝结液的形成同换热壁面平均温度直接相关，因此，考虑换热壁面平均温度对其的影响也是至关重要的。
图4  沿无量纲长度x/d的换热壁面温度对二氧化硫的吸收量的影响由图4可知，换热壁面平均温度越低，对二氧化硫的脱除效果越好。由于换热壁面平均温度降低，增大了同烟气饱和温度的差值，有利于烟气中水蒸汽的凝结，使得凝结液量增大，即二氧化硫的溶剂量增大，对二氧化硫的吸收量增大；同时，较低的壁面温度使得气液界面处的温度较低，二氧化硫的溶解与温度有关，温度越低溶解度越大，那么冷
凝液对二氧化硫的吸收量越大。
图5显示，随着换热壁面平均温度的增加，脱硫效果渐弱，在50℃时有较明显的降低，因为在烟气中水蒸气质量百分比为10%左右时，烟气的饱和温度约为60℃左右，水蒸气凝结的温度推动势较弱，凝结减弱造成的。在较大的雷诺数下，壁面温度越低时，对二氧化硫的吸收效果越突出。随着雷诺数的增加，二氧化硫的吸收变化越大，壁面温度对二氧化硫吸收
量的影响更为突出。
图5  雷诺数、换热壁面平均温度与脱硫量的关系
4.3烟气中水蒸气浓度的影响
烟气中水蒸气的浓度也是影响脱硫效果的一个重要因素。实验结果如图6所示。
图6  水蒸气浓度与二氧化硫吸收量的关系
(烟气中水蒸气质量百分含量Cw10=10%；Cw15=15%；Cw20=20%)
显然，烟气中水蒸气浓度的增加，对二氧化硫的吸收有增强作用。由于水蒸汽浓度的增大，使得烟气中水蒸气的分压力增大，烟气的饱和温度升高，有利于凝结形成，因而冷凝液量增加；同时，由于水蒸汽浓度大，水蒸汽向气液界面传质的驱动力增强，水蒸气凝结增强，由于水蒸气扩散而引起的诱导速度增强，强化了二氧化硫的传质。
5．结论
1．烟气冷凝脱硫过程中，二氧化硫靠扩散通过气膜而进入凝结液膜，由水蒸气扩散而引起的诱导速度对二氧化硫的扩散有重要影响；
2．烟气的雷诺数对二氧化硫的吸收有较大的影响，雷诺数增大，对二氧化硫的吸收效果有明显增强；
3．换热壁面平均温度、烟气中水蒸气浓度也对二氧化硫的吸收有很大影响，换热壁面平均温度越低，水蒸气浓度越大，对二氧化硫的脱除效果越好。
参考文献
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