脫白工程技術(shù)在濕法脫硫煙氣中的應用

張志斌

(山西綠標環(huán)保科技有限公司，山西 太原 030000)

在燃煤機組生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的煙氣需要經(jīng)過濕法脫硫設備進行處理并排放，在排放階段會形成白色煙羽，所謂白色煙羽就是攜帶了極細微顆粒物與氣溶膠的污染物質(zhì)，它對環(huán)境所造成的負面影響極大。雖然目前國內(nèi)已經(jīng)提出了有關(guān)治理燃煤機組濕法脫硫的相關(guān)規(guī)范，并對機組煙氣脫白提出了環(huán)保標準，但實際上其執(zhí)行操作還是存在一定的難度，需要通過冷凝方法有效降低濕法脫硫中煙氣的含濕量，并提高排煙溫度，如此可有效消除白色煙羽部分。

1 煙氣脫白治理的基本背景與必要性

1.1 基本背景

一般來說，利用煙氣脫白治理可有效遏制工業(yè)排放中所產(chǎn)生的大量白色煙羽。在燃煤機組生產(chǎn)過程中是會產(chǎn)生較高含量的煙氣，這種煙氣在排放溫度低于煙氣霧點時會導致生成白色煙羽，而白色煙羽則是一種重度污染物。雖然截止到2019年上半年，我國超過80%的燃煤機組已經(jīng)完成了超低排放改造，就目前來看，我國的煙氣顆粒物排放標準基本已經(jīng)控制在在5 mg/m3范圍內(nèi)，符合國際標準相關(guān)要求。但實際上在燃煤機組生產(chǎn)過程中依然會產(chǎn)生白色煙羽，這就說明產(chǎn)生這種極細煙氣顆粒物的根本原因不在于生產(chǎn)排放，而在于濕法脫硫系統(tǒng)。在濕法脫硫過程中，煙氣水蒸氣達到飽和狀態(tài)，在與冷凝微顆粒物相遇后其煙氣飽和并產(chǎn)生極細微顆粒物，如，硝酸鹽、硫酸鹽以及氣溶膠等。白色煙羽中所產(chǎn)生的細微顆粒被學術(shù)界認為是當前中國霧霾嚴重的根本誘因之一。就目前我國所倡導的綠色工業(yè)生產(chǎn)、綠色環(huán)保施工理念來看，必須對白色煙羽治理方面加以重視，避免其所帶來的諸多消極影響。所以，自2017年開始，我國諸多煤炭化工產(chǎn)業(yè)重點省份也紛紛開始改變生產(chǎn)戰(zhàn)略，取消燃煤鍋爐，希望推動地方工業(yè)化工企業(yè)與排污企業(yè)對煙氣脫白處理技術(shù)的有效改善提升[1]。

1.2 必要性

在濕法脫硫生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的工業(yè)煙氣量大且難以處理，還會產(chǎn)生白色煙羽重度污染環(huán)境。就濕法脫硫本身而言，它所產(chǎn)生的煙氣濕度高，主要通過工業(yè)煙囪排放，以霧滴形式被釋放到大氣中。這種煙氣中存在大量的硫酸鹽、硝酸鹽以及脫硫、脫硝劑等溶質(zhì)物質(zhì)成分，在霧滴進入大氣失去水分干燥以后，其中的各種化學鹽堿類物質(zhì)就會被析出并形成極細微顆粒物。這種顆粒物如果從空氣當量學的角度分析，它的粒徑甚至要小于PM2.5空氣當量學直徑，質(zhì)量較輕，表面積較大，能夠長期漂浮于空氣中，俗稱為二次顆粒物。二次顆粒物在空氣中長期靜穩(wěn)懸浮，當再度出現(xiàn)濕度較大天氣時，它還會集合空氣中的水分并富集擴大，形成霧霾。所以，燃煤機組濕法脫硫生產(chǎn)后所產(chǎn)生的的白色煙羽就是霧霾產(chǎn)生的主要原因，即便某些燃煤機組的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)達到排放標準，但依然會因此而產(chǎn)生污染效應。因此有必要進一步提升燃煤機組的污染治理效應，合理利用煙氣脫白工程技術(shù)[2]。

2 白色煙羽的形成過程與消除機理

2.1 白色煙羽的形成過程

在標準大氣壓狀態(tài)下，基于不同溫度背景下所存在的相對濕度為100%，由此所散發(fā)的煙氣和水蒸氣可形成一定的含濕量曲線，如圖1所示。

圖1 大氣溫度與含濕量關(guān)系曲線示意圖

如圖1，曲線上方代表了水蒸氣過飽和區(qū)域，該區(qū)域中水蒸氣會發(fā)生相變冷凝進而轉(zhuǎn)化為液態(tài)形態(tài)；反觀曲線下方代表了水蒸氣不飽和區(qū)域，該區(qū)域中水蒸氣不會發(fā)生凝結(jié)。就目前我國燃煤機組的濕法脫硫技術(shù)實踐來看，在生產(chǎn)排放過程中的溫度大約控制在40 ℃～60 ℃左右，所排放煙氣中的水蒸氣呈現(xiàn)近似飽和狀態(tài)，煙氣在排放過程中就會經(jīng)歷圖1中所描述的O-A-B-C轉(zhuǎn)化過程。從轉(zhuǎn)化過程整體變化看，其環(huán)境溫度始終低于煙氣溫度，煙氣首先從狀態(tài)O降低溫度到相對的液化狀態(tài)(100%)A時，煙氣溫度與煙氣含濕度關(guān)系曲線會同時達到B點狀態(tài)。在該過程中所排放煙氣的水蒸氣會實現(xiàn)冷凝轉(zhuǎn)化最終形成液態(tài)狀態(tài)，此時即會產(chǎn)生白色煙羽。產(chǎn)生白色煙羽以后煙氣溫度會降至C點環(huán)境溫度狀態(tài)，其含濕量恰好處于非飽和狀態(tài)，白色煙羽此時即會消失[3]。

2.2 白色煙羽的消除機理

一般可采用煙氣再熱技術(shù)、冷凝技術(shù)以及冷凝再熱復合技術(shù)治理白色煙羽。在煙氣再熱過程中，煙氣會經(jīng)歷一個復雜的轉(zhuǎn)化過程，從被排出煙囪的那一刻通過熱交換確保煙氣狀態(tài)溫度一直上升到D位置，而煙氣在進入大氣環(huán)境后則會降溫，整個階段對白色煙羽的抑制處理效果是相當明顯的。當然，它在合理有效抑制白色煙羽之余也能應用于生產(chǎn)減排與節(jié)能等過程中。當煙氣冷凝后再熱復合時，煙氣狀態(tài)變化過程又不相同，它主要會經(jīng)歷O-E-F-C階段，煙氣首先會被冷凝到E狀態(tài)，此時煙氣含濕量下降，然后被加熱到狀態(tài)F后再進入大氣，進入大氣后轉(zhuǎn)化為狀態(tài)C，由于在該過程中煙氣始終都處于一種水蒸氣不飽和狀態(tài)，因此白色煙羽也不會產(chǎn)生。

3 針對白色煙羽的煙氣脫白工程技術(shù)實踐應用

目前企業(yè)生產(chǎn)最需要控制的就是在生產(chǎn)中所產(chǎn)生的大量白色煙羽，企業(yè)需要對自身燃煤機組進行改造，圍繞煙氣脫白這一核心技術(shù)展開相關(guān)操作。以下簡單探討了針對白色煙羽煙氣脫白工程的兩點技術(shù)實踐應用。

3.1 除鹽水+煙氣冷卻器增加蒸汽+煙氣加熱技術(shù)

除鹽水+煙氣冷卻器增加蒸汽+煙氣加熱器技術(shù)雖然相對流程復雜，所涉及技術(shù)處理設備較多，但它在煙氣脫白方面效果顯著。該技術(shù)運用了MGGH降溫段與升溫段兩方面技術(shù)，可將它們視為是兩個相對獨立的系統(tǒng)部分，如圖2[4]。

圖2 除鹽水+煙氣冷卻器增加蒸汽+煙氣加熱器技術(shù)實踐應用流程圖

如圖2中技術(shù)可被應用于燃煤機組鍋爐(2×75 t/h)中，煙氣冷卻器則被布置于脫硫引風機中，確保鍋爐在常溫狀態(tài)下也能將煙氣溫度從150 ℃左右調(diào)整降低到100 ℃左右。該技術(shù)的相對除鹽水溫度可控制在17.5 ℃～20.5 ℃范圍內(nèi)，保證煙氣與除鹽水中的溫差不會過大。另外，它的煙氣冷卻器換熱面積相當小，可有效節(jié)省占地空間，可考慮在升溫段設置蒸汽煙氣換熱器，利用它將煙氣升溫至少30 ℃左右，并將降溫段的余熱量控制在3 100 kW左右，有效減少除氧器中的蒸汽消耗。在該技術(shù)應用過程中，吸收塔中的煙氣溫度會自然降低(從60 ℃降低到50 ℃)，合理減少脫硫設備的耗水量，平均水耗量降低7.5 t/h，如此可減輕煙氣脫白壓力。而對于煙氣部分的處理可采用0.8 MPa～1.0 MPa的供熱蒸汽進行加熱處理，此時煙氣會從50 ℃被加熱到80 ℃以上，該過程需要大約2 800 kW熱量，相比于傳統(tǒng)加熱處理方法可節(jié)約至少300 kW熱量，節(jié)能效果顯著[5]。

3.2 煤質(zhì)式氣-氣換熱器技術(shù)

如圖3這種煤質(zhì)式氣-氣換熱器是目前比較常見的煙氣脫白氣氣交換處理技術(shù)代表，它將導熱油、鹽水等作為基本媒質(zhì)，對比傳統(tǒng)氣氣換熱技術(shù)它不會造成二氧化硫逃逸問題，屬于一種典型的無泄漏式熱媒體煙氣換熱機構(gòu)。在實際應用過程中，它迎合了煙氣脫白技術(shù)原理，其中就包括了煙氣降溫、升溫兩大階段。在具體的工程實踐應用中可在煤質(zhì)式氣-氣換熱器的升溫段設置氣-水管式換熱器，對煙氣進行降溫，保證飽和煙氣中的水蒸氣被合理化冷凝，然后將收集到的冷凝水進行加堿處理，再重復利用。經(jīng)過實踐表明，以300 MW機組為例，它的可回收冷凝水量至少達到30 t/h。

煤質(zhì)式氣-氣換熱器的降溫段可分為高灰布置與低灰布置兩種布置方式。以高灰布置為例，它會在除塵階段之前設置專屬降溫段，有效降低除塵器中的煙氣溫度與煙氣量，有效提高整體生產(chǎn)除塵效率。當然，考慮到系統(tǒng)運行成本相對偏高，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復雜，操作技術(shù)難度偏大，存在一定煙氣阻力。當然，煙氣脫白改造項目的可利用場地要求較高，所以在具體的處理實踐過程中還需要實現(xiàn)對技術(shù)內(nèi)容的相對簡化，如可引進漿液冷卻配合蒸汽-煙氣加熱技術(shù)過程，有效降低脫硫塔的水量蒸發(fā)量，保證煙氣冷卻后冷凝水被完全回收到吸收塔之內(nèi)，保證塔內(nèi)水始終處于平衡狀態(tài)[6]。

圖3 煤質(zhì)式氣-氣換熱器示意圖

4 結(jié)語

目前企業(yè)燃煤機組化工生產(chǎn)過程中所能采用的脫白工程技術(shù)還是相當豐富的，這些技術(shù)在煙氣白羽處理方面上都具有一定針對性，在具體的生產(chǎn)實踐應用過程中還需要結(jié)合具體技術(shù)內(nèi)容進行具體分析，結(jié)合地方現(xiàn)實狀況充分考慮環(huán)境條件、煙氣參數(shù)以及相關(guān)環(huán)保要求，提出最為行之有效的煙氣脫白技術(shù)發(fā)展路線。