水泥工業(yè)窯尾煙氣脫白技術(shù)分析

大氣網(wǎng)訊:摘要：目前，我國有一部分水泥廠采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝進(jìn)行煙氣脫硫，脫硫后的飽和濕煙氣排入大氣后，水蒸氣冷凝形成白色煙羽對環(huán)境造成了一定的污染。該文結(jié)合水泥工業(yè)窯爐濕法脫硫的特點(diǎn)，對白色煙羽的治理機(jī)理和工藝路線進(jìn)行了闡述，對目前水泥廠煙氣脫白和治理二次污染具有一定的參考價(jià)值。

引言

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，自2015年7月1日起，國內(nèi)新建水泥窯生產(chǎn)線執(zhí)行SO2排放限值200mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)企業(yè)執(zhí)行SO2排放限值100mg/m3，現(xiàn)國內(nèi)SO2超標(biāo)較多的水泥生產(chǎn)線主要采用煙氣濕法脫硫系統(tǒng)，但由于濕法脫硫系統(tǒng)出口處煙氣中含有大量水蒸氣，當(dāng)溫度較高的煙氣與溫度較低的冷空氣接觸后，煙氣降溫將導(dǎo)致煙氣中的水蒸氣冷凝析出，在煙氣中形成小液滴，而小液滴對光線的折射、散射作用，使煙囪出口的煙羽呈現(xiàn)灰白色，產(chǎn)生視覺污染。小液滴中除了凝結(jié)水以外，還有許多硫酸鹽、灰塵等雜質(zhì)，對環(huán)境造成一定污染。

1 煙氣脫白技術(shù)方案的比選

煙氣脫白技術(shù)是一個(gè)綜合治理的工程，具體治理方案可以從以下幾方面著手：1）降低煙囪相對濕度。2）降低煙囪絕對濕度。3）增加有效煙囪高度。4）煙囪的合理設(shè)計(jì)。

煙氣冷凝技術(shù)是以降低煙囪絕對濕度為機(jī)理，降低煙氣溫度后，煙氣中的飽和蒸汽量減少。但由于降溫后的煙氣還是飽和濕煙氣，當(dāng)煙氣進(jìn)入大氣環(huán)境后繼續(xù)降溫，會有小液滴析出。因此，煙氣冷凝技術(shù)從理論上不能完全避免白色煙羽的形成。同時(shí)由于在冷凝過程中，水蒸氣相變?yōu)樗枰尫糯罅康南嘧儩摕幔瑢淠O(shè)備要求較高。

煙氣再熱技術(shù)是以降低煙囪相對濕度為機(jī)理，提高煙氣溫度即增加了濕煙氣的不飽和度，煙氣在與大氣環(huán)境接觸后降溫即不會凝結(jié)成小液滴。煙氣再熱技術(shù)只涉及到煙氣的升溫，而不牽涉到相變，所以整個(gè)過程所需要的熱量比煙氣冷凝技術(shù)釋放的潛熱要少得多，對設(shè)備要求較低。從理論上來說，煙氣再熱技術(shù)可以完全避免白煙的產(chǎn)生，但要完全避免，對設(shè)備的投資也會相對較大。

在前兩種技術(shù)不能完全避免白煙的產(chǎn)生時(shí)，可以通過調(diào)整煙囪的有效高度來抑制白煙的聚集。由于有效煙囪高度直接影響煙氣的湍流擴(kuò)散，確定有效煙囪高度，對污染濃度和煙囪高度計(jì)算都有重要意義。如煙囪位于低洼地區(qū)時(shí)，直排煙囪的煙氣不易擴(kuò)散，易造成嚴(yán)重的白色煙羽聚集。

如果煙囪流通通道中形成大量蒸汽和一些液體攜帶（沒有伴熱系統(tǒng)的煙囪比裝有再熱系統(tǒng)的煙囪發(fā)生上述情況的幾率更大），煙氣內(nèi)的液相僅通過重力作用與氣相分離，如果液相內(nèi)液滴顆粒不夠大，在下落過程中，很可能再次被煙氣抬升。因此要考慮煙囪的集液裝置來收集煙道和煙囪表面所有沉積的液體和冷凝液。

比較煙氣冷凝技術(shù)和煙氣再熱技術(shù)工藝，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上來看，煙氣再熱技術(shù)比較適合水泥廠現(xiàn)有條件。本文以某廠4000 t/d及2000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線煙氣脫硫項(xiàng)目為例說明煙氣再熱技術(shù)，不闡述有關(guān)煙囪的相關(guān)內(nèi)容。

2“白色煙羽”處理機(jī)理

從圖1可以看出，當(dāng)煙氣溫度從A點(diǎn)降低至C點(diǎn)時(shí)，曲線ADFC和直線AC之間的區(qū)域?yàn)榘谉煯a(chǎn)生區(qū)域，如果將煙氣溫度從A點(diǎn)加溫至B點(diǎn)，煙氣溫度再從B點(diǎn)降低至C點(diǎn)，則不會產(chǎn)生白煙區(qū)域。

主要有兩個(gè)因素影響是否白煙產(chǎn)生，一是煙氣溫度，二是煙氣壓力。吸收塔內(nèi)煙氣壓力和外界環(huán)境壓力差別不大，不影響白煙的產(chǎn)生；當(dāng)濕煙氣排出煙囪與外界空氣混合時(shí)，隨著煙氣溫度的下降，煙氣中水蒸氣的飽和度降低，從而產(chǎn)生大量小液滴，并形成白煙。

圖1 煙氣飽和含濕量和溫度的關(guān)系

從圖1可看出，減少“白色煙羽”的處理機(jī)理是增加煙氣溫度，提高脫硫塔出口濕煙氣的不飽和度，使得在降溫的過程中，濕煙氣始終處于不飽和狀態(tài)，即可不產(chǎn)生白煙。

3 項(xiàng)目背景

某廠4000 t/d及2000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線煙氣脫硫項(xiàng)目煙氣總量為800000Nm3/h，兩條生產(chǎn)線共用一臺脫硫塔，經(jīng)脫硫改造后，脫硫塔出口煙氣溫度為50℃，經(jīng)過直排煙囪排煙后出現(xiàn)“白色煙羽”并伴隨石膏雨?，F(xiàn)擬定上一套MGGH系統(tǒng)，減輕甚至消除“白色煙羽”和石膏雨的現(xiàn)象。

4 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

脫硫塔出口煙氣溫度為50℃，根據(jù)煙囪出口處煙氣溫度的經(jīng)驗(yàn)算法：

在本項(xiàng)目中，吸收塔為煙塔合一結(jié)構(gòu)，吸收塔出口高度為30米，煙囪出口高度為100米。

圖2夏季煙氣飽和含濕量和溫度的關(guān)系

從圖2可以看出，夏季，煙囪出口外界溫度約20℃，煙氣從C點(diǎn)（43℃）先加熱到D點(diǎn)（約60℃），再降溫至A點(diǎn)（20℃），煙氣溫度依次經(jīng)過CDBA時(shí)，不會產(chǎn)生“白色煙羽”。

煙氣加熱時(shí)換熱量的計(jì)算公式如下：

圖3冬季煙氣飽和含濕量和溫度的關(guān)系

從圖3可以看出，冬季，煙囪出口外界溫度約0℃，煙氣從B點(diǎn)（43℃）先加熱到C點(diǎn)（約80℃），再降溫至A點(diǎn)（0℃），煙氣溫度依次經(jīng)過BCA時(shí)，不會產(chǎn)生“白色煙羽”。

煙氣加熱時(shí)換熱量的計(jì)算公式如下：

本項(xiàng)目采用MGGH（煙氣換熱器），換熱器中的換熱介質(zhì)熱媒水在脫硫塔前原煙道上的降溫?fù)Q熱器中被加熱后，送至脫硫塔后凈煙道或煙囪上的升溫?fù)Q熱器加熱凈煙氣。采用熱媒水循環(huán)泵輸送熱媒水，考慮熱媒水在升溫時(shí)會產(chǎn)生膨脹，在循環(huán)管路上設(shè)置一個(gè)膨脹罐。

MGGH結(jié)構(gòu)形式如圖4。

圖4 MGGH系統(tǒng)示意圖

MGGH與傳統(tǒng)GGH不同點(diǎn)在于，MGGH采用熱媒水傳熱，煙氣降溫側(cè)與煙氣升溫側(cè)完全分開，不存在煙氣泄露而產(chǎn)生的相互影響，原煙氣中的SO2和飛灰不會因設(shè)備密封問題而泄露到凈煙氣中。MGGH不采用其他熱源對煙氣進(jìn)行加熱，因此有很好的經(jīng)濟(jì)性?？梢酝ㄟ^循環(huán)熱媒水的流量來調(diào)節(jié)熱量，來控制在不同外界溫度下所需要的煙氣溫度，同時(shí)保持煙道溫度高于酸露點(diǎn)溫度以防止SO2的腐蝕。

同樣，根據(jù)，可計(jì)算出降溫?fù)Q熱器處煙氣降溫后溫度，同時(shí)由于熱量損失，考慮1.1倍的系數(shù)。

夏季，原煙氣經(jīng)過降溫?fù)Q熱器，溫度從150℃降至130℃；

冬季，原煙氣經(jīng)過降溫?fù)Q熱器，溫度從150℃降至110℃。

煙氣酸露點(diǎn)的計(jì)算公式如下：

經(jīng)核算，水泥窯尾煙氣中SO3含量很低，原煙氣酸露點(diǎn)小于100℃，故在原煙氣降溫過程中不會達(dá)到酸露點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)MGGH時(shí)，要考慮如下幾個(gè)方面：

1）考慮到煙氣中有一定的粉塵含量，在MGGH換熱管的迎風(fēng)面需安裝防磨裝置。

2）為了提高換熱率，MGGH換熱管采用翅片結(jié)構(gòu)。

3）為避免MGGH內(nèi)部產(chǎn)生積灰，故需要安裝清灰輔助手段，本項(xiàng)目中采用聲波吹灰器。

4）高溫區(qū)段換熱管可選擇中厚壁、20 號鋼材，低溫區(qū)段的換熱管可選擇ND鋼等優(yōu)質(zhì)的抗腐蝕材料，以提升抗腐蝕性能。

采用MGGH技術(shù)在脫白的同時(shí)，還具有如下作用：

1）減輕尾部煙道和煙囪的腐蝕。凈煙氣溫度被加熱到高于水露點(diǎn)以后，減輕了煙囪內(nèi)部水分的結(jié)露附著，防止形成稀硫酸。

2）煙氣溫度升高可以提高煙氣的抬升高度，降低污染物落地濃度。

3）進(jìn)入脫硫塔內(nèi)的原煙氣溫度降低，減少了脫硫塔內(nèi)水分的蒸發(fā)，減少脫硫耗水量。

5 結(jié)束語

水泥廠濕法脫硫后產(chǎn)生的脫白問題，可以通過煙氣再熱技術(shù)解決。在濕法脫硫后安裝MGGH（煙氣換熱器），可以有效控制白色煙羽及石膏雨的產(chǎn)生。相對于GGH，MGGH沒有漏風(fēng)、腐蝕、堵塞的情況。同時(shí)MGGH采用熱媒水在原煙氣和凈煙氣之間傳熱，不需要額外提供熱源，經(jīng)濟(jì)效益明顯，是未來水泥窯系統(tǒng)脫硫改造的必然發(fā)展方向。