研究團隊在高溫含塵煙氣濾層內流動傳熱特性研究獲進展

　　冶金、化工、建材等高能耗行業能耗占工業總能耗約70%。余能占工業總能耗48%，其中煙氣余熱占余能35%，煙氣余熱回收率目前僅為29%，相當于2.4億噸標煤未得到回收利用，與國外平均水平存在15-20%差距，煙氣余熱回收節能潛力巨大。含凝塵高溫煙氣在有色、鋼鐵、化工、建材等領域的爐窯中廣泛存在，例如銅冶煉閃速爐、轉爐、電石爐、玻璃窯等。其粉塵成分復雜，煙氣溫度高，在過濾時部分粉塵處于熔融態，高溫余熱直接回收困難，目前也沒有有效解決此問題的好技術。針對高溫含凝塵煙氣，要實現高品位熱量回收，必須在高溫條件下對煙氣進行除塵，解決換熱裝置粘附、堵塞、腐蝕等問題。而現有的除塵技術像布袋除塵、電除塵不適宜于高溫煙氣（800℃），陶瓷過濾耐高溫，但當有凝塵存在時，會發生堵塞現象，一旦堵塞后過濾裝置無法清灰。顆粒床過濾對于高溫黏結性凝塵煙氣凈化是唯一的選擇。

　　在國家重點研發計劃的支持下，中國科學院工程熱物理研究所項目團隊在顆粒床孔隙流道高溫含塵煙氣流動傳熱特性研究方面，針對含凝塵相變過程的高溫煙氣與過濾床間的特殊傳熱特性，進行了凝塵處于不同狀態時的對比實驗研究。通過調節顆粒床入口溫度和出口溫度來控制凝塵的相變過程，獲得了不同條件下的含塵煙氣與濾層換熱Nu數，結果如圖1所示，圖1中所對比的計算公式為該項目中采用數值分析獲得的含固態粉塵高溫煙氣與顆粒床的換熱計算關系式。結果表明，在凝塵處于固態時（圖1中Temperature 1），其傳熱特性與采用數值分析獲得的流動傳熱Nu計算關系式吻合較好，最大誤差小于7%；當凝塵處于相變過程時（圖1中Temperature 2），由于凝塵的凝結放熱，強化了顆粒床內的流動傳熱，Nu數高出約20%以上，且該強化過程同凝塵的質量流量和凝塵熔化熱有關；當凝塵處于液態時（圖1中Temperature 3），會減弱顆粒床內的流動傳熱，該弱化過程同凝塵的濃度有關。基于實驗研究數據修正了粉塵處于固相時含塵煙氣與濾層間的換熱Nu數計算公式，獲得了粉塵處于不同條件下的Nu數計算關聯式。基于相關研究揭示了凝塵不同狀態時的高溫含塵煙氣濾層內流動傳熱特機制，所擬合的計算關聯式最大誤差＜10%，可用于處于不同狀態的含凝塵高溫煙氣過濾過程傳熱設計計算，為含凝塵高溫煙氣高效除塵調控顆粒床熱設計提供計算經驗關聯式。

　　在顆粒床內置換熱管余熱回收技術方面，研究人員研究了氧化鋁空心濾料與實心濾料在高溫條件下含輻射特性的有效熱導率特性，在溫度高于約100℃后，輻射對有效熱導率的影響比重逐漸增強，空心顆粒床有效熱導率隨著溫度升高快速升高，其有效熱導率升高速度高于實心顆粒床有效熱導率隨溫度的升高速度，在溫度高于約800℃后，空心濾料內部輻射能量高于同粒徑下實心濾料內部導熱量，空心濾料顆粒床有效熱導率開始高于實心濾料顆粒床有效熱導率，因此，高溫下采用空心濾料不但可以提高顆粒床單位質量容塵量，降低排料熱損失，而且強化了顆粒床有效熱導率，更利于余熱回收。根據實驗結果擬合了實心顆粒床與空心顆粒床有效熱導率計算關聯式，擬合誤差＜10%，為高溫顆粒床余熱回收傳熱設計提供了計算方法，拓展了現有顆粒床有效熱導率計算關聯式適用溫度范圍上限，并填補了空心球顆粒床有效熱導率計算的空白。

　　根據以上研究設計了高溫含塵煙氣顆粒床過濾與余熱回收一體化結構，研究了不同參數對余熱回收系數的影響規律，如圖2所示，與含固態粉塵的高溫煙氣余熱回收過程相比，凝塵主要粘附于第一排換熱管道，導致換熱系數下降，但后幾排換熱管換熱系數上升，綜合作用提高了余熱回收效率；過濾開始時，由于粉塵的加入強化了煙氣與換熱管間的換熱系數，粉塵含量越高換熱系數強化率越大，但隨著過濾的進行，粉塵在換熱管表面粘結阻礙了煙氣與換熱管間的換熱，換熱系數逐漸降低，且入口粉塵含量高的條件下換熱管表現粘結粉塵更多，換熱系數下降更快，總體效果導致了入口粉塵含量越高反而余熱回收效率越低，但在研究范圍內余熱回收效率均高于70%，滿足課題考核指標要求。凝塵粘附導致換熱系數最低衰減50%左右，考慮粉塵粘結在設計內置余熱回收換熱結構時采用0.5的校正系數修正煙氣與濾層內換熱管間的傳熱計算關系式，保證余熱回收效率滿足設計要求，為顆粒床內余熱回收換熱結構的設計提供了計算經驗關聯式，指導高溫含凝塵煙氣除塵凈化與余熱回收結構設計。

　　基于相關研究成果，該項目在國內外會議及學術期刊上共發表學術論文11篇，其中SCI檢索3篇，EI檢索4篇；申請發明ZL6項，其中授權1項，所參與課題順利結題并獲得優的評價。

圖1 凝塵不同狀態時含塵煙氣與濾層換熱Nu數變化特性

圖2-1 凝塵及入口粉塵濃度對余熱回收率的影響規律

圖2-2 凝塵及入口粉塵濃度對余熱回收率的影響規律