陶瓷噴霧干燥煙氣余熱利用及除“濕煙羽”一體化技術(shù)模擬分析

蔡?hào)|方，胡 南，張其勇，李春麗，陸俞辰，盧東亮

(1.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)系，佛山 528216； 2.華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065；3.建勝陶瓷股份有限公司，佛山 528211)

0 引 言

陶瓷產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在為產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，也為產(chǎn)區(qū)周邊空氣質(zhì)量帶來巨大影響。陶瓷企業(yè)的廢氣排放主要集中在兩個(gè)生產(chǎn)工序：噴霧干燥工序和窯爐燒成工序，噴霧干燥工序煙氣的排放量約占陶瓷企業(yè)總廢氣排放量的50%～60%，煙氣溫度在50～60 ℃之間，煙氣相對(duì)濕度90%左右。

若將該煙氣從煙囪直接排入大氣，由于環(huán)境溫度低于煙氣排放溫度，煙氣被冷卻，就出現(xiàn)煙氣排放帶水汽的情況，即煙氣排放出現(xiàn)了“濕煙羽”現(xiàn)象，也就是白煙柱。煙氣中水汽的出現(xiàn)，將會(huì)使煙氣中的粉塵聚集，是形成霧霾天氣的主要原因。

用于噴霧干燥工序的燃料能耗占全場(chǎng)燃料總能耗的比例達(dá)到20%左右，噴霧干燥過程中，燃料熱量的90%儲(chǔ)存在了噴霧干燥塔煙氣中，怎樣合理的利用這部分熱量，對(duì)企業(yè)的節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要。

當(dāng)前對(duì)于燃煤電廠煙氣余熱回收及除“濕煙羽”研究較多[1-3]，對(duì)于噴霧干燥塔廢氣除“濕煙羽”以及煙氣中的余熱利用研究較少。李進(jìn)昌[4]提出在煙氣經(jīng)脫硫塔排放至大氣中間加入濕法電除塵器，解決“濕煙羽”現(xiàn)象的產(chǎn)生。彭閃江等[5]研究分析了“濕煙羽”現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，并提出將噴霧干燥塔低溫?zé)煔馀c窯爐燒成煙氣進(jìn)行混合，提高噴霧干燥塔煙氣的溫度，防止“濕煙羽”現(xiàn)象的產(chǎn)生。聶玉強(qiáng)等[6-7]提出一種用于加熱煙氣的燃油熱風(fēng)爐，該爐將凈化煙氣加熱升溫至70～90 ℃可調(diào)溫度范圍內(nèi)。經(jīng)該爐升溫的煙氣排放時(shí)幾乎沒有“白煙”出現(xiàn)，達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)噴霧干燥塔廢氣中熱量的回收及大量水分的回收利用暫無(wú)研究。

本研究為協(xié)同處理噴霧干燥塔煙氣，既滿足煙氣余熱的有效利用，又滿足除“濕煙羽”的環(huán)保要求，設(shè)計(jì)出一體化技術(shù)方案，并利用模擬軟件Aspen Plus建模及計(jì)算分析，探究更為節(jié)能環(huán)保的噴霧干燥塔煙氣余熱利用及除“濕煙羽”一體化的新工藝。

1 噴霧干燥工序工藝流程及仿真模型建立

1.1 噴霧干燥工序工藝流程

圖1 典型陶瓷噴霧干燥工序流程圖Fig.1 Process flow chart of typical ceramic spray drying

圖1為典型噴霧干燥工序流程圖。

陶瓷廠絕大多數(shù)用間歇式濕法研磨坯料和釉料， 經(jīng)過球磨機(jī)研磨后，物料水分約占30wt%～40wt%，由泥漿泵送至干燥塔內(nèi)；采用水煤漿作為干燥燃料，水煤漿中水分約占40wt%～50wt%；燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣與過量空氣被加熱至550～600 ℃，高溫?zé)煔馔ㄟ^熱風(fēng)煙道進(jìn)入噴霧干燥塔；泥漿被霧化成液滴與高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱濕交換，脫水后迅速被干燥成含水6wt%～7wt%的空心球狀粉料，在重力作用下匯聚到塔底卸出，形成的噴霧干燥塔煙氣溫度約100～150 ℃，濕度大，塵含量高。高溫?zé)煔饨?jīng)過除塵器后去除絕大部分粉塵，然后經(jīng)過脫硫工藝去除煙氣中的硫化物等，脫硫后形成相對(duì)濕度90%左右，溫度在50～60 ℃之間的煙氣，最后排入大氣中。

1.2 仿真模型建立

仿真模型共分為三個(gè)部分：水煤漿燃料燃燒產(chǎn)生熱氣體，熱氣體與濕物料混合干燥產(chǎn)生干燥產(chǎn)品與熱廢氣，熱廢氣凈化。利用Aspen Plus建立的模型如圖2所示。噴霧干燥過程包含了常規(guī)固體組分和非常規(guī)固體組分,故選取總物流類型為MCINCPSD。對(duì)于常規(guī)組分采用RK-Soave方程計(jì)算物質(zhì)的相關(guān)物性，該方程適用的體系為非極性或弱極性的組分混合物,適用的工藝場(chǎng)所為高溫、高壓。噴霧干燥過程產(chǎn)生的煙氣多為N2、CO2、O2、H2O等高溫輕氣體，整體呈現(xiàn)出非極性或弱極性，因此采用RK-Soave方程能夠保證工藝模擬計(jì)算的正確性。對(duì)于非常規(guī)組分，主要是不同種類的固體混合物，Aspen Plus對(duì)這類物質(zhì)作了簡(jiǎn)化處理, 認(rèn)為它不參與化學(xué)平衡和相平衡，只計(jì)算其焓和密度，本文焓值計(jì)算模型為HCOALGEN，密度模型為DCOALIGT。

水煤漿燃料燃燒假定分為3個(gè)步驟：水煤漿的熱解、燃燒、熱氣體除塵[8]。水煤漿的熱解選用收率反應(yīng)器RYIELD模塊[9-11]，該反應(yīng)器依據(jù)煤質(zhì)元素分析將水煤漿分解為單質(zhì)元素、水分和灰渣，并將熱解產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入到燃燒反應(yīng)器中。水煤漿的燃燒反應(yīng)模型一般有化學(xué)反應(yīng)平衡模型和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型以燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，模擬結(jié)果相對(duì)更準(zhǔn)確。但是動(dòng)力學(xué)模型建立很復(fù)雜，并且由于原料煤的組成及熱值等不固定，導(dǎo)致這種模型的通用性差?；瘜W(xué)反應(yīng)平衡模型以反應(yīng)熱力學(xué)為基礎(chǔ),相對(duì)比較簡(jiǎn)單,并且具有一定的通用性，尤其適用于燃燒完全、反應(yīng)接近平衡的工藝過程。噴霧干燥過程屬于富氧燃燒，燃燒完全、反應(yīng)接近平衡，故燃燒反應(yīng)器采用化學(xué)反應(yīng)平衡模型，并應(yīng)用Gibbs自由能最小化方法。熱氣體除塵選用分離模塊，設(shè)定煤中的灰分全部被分離。熱風(fēng)爐的熱量損失為燃料總熱值的3%。

圖2 典型噴霧干燥工序模擬流程Fig.2 Simulation of typical ceramic spray drying process

熱氣體與濕物料混合干燥采用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器RSTOIC模塊，同時(shí)加入用FORTRAN語(yǔ)言編寫的計(jì)算模塊CONVERT，以定義濕物料的干燥程度；干燥后產(chǎn)生的熱廢氣與干物料采用Flash2模塊進(jìn)行分離。干燥過程的熱量損失為燃料總熱值的10%。

熱廢氣的凈化過程為氫氧化鈣濕法脫硫，采用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器RSTOIC模塊，絕熱反應(yīng)器。模擬假設(shè)燃燒煙氣經(jīng)除塵分離處理后不含固體，脫硫處理后不含硫氧化物。模擬需要輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1、表2。數(shù)據(jù)的來源為企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采樣進(jìn)行分析測(cè)試獲得。熱損數(shù)據(jù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 原煤性質(zhì)Table 1 Elemental analysis and industrial analysis of coal

表2 輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data for simulation

模擬需要輸入的工藝操作參數(shù)見表3。輸入?yún)?shù)與企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行操作參數(shù)一致。

表3 輸入工藝操作參數(shù)Table 3 Process parameters for simulated

1.3 仿真模型驗(yàn)證

模型模擬結(jié)果與生產(chǎn)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)見表4，從表4可以得知模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)基本吻合，相對(duì)誤差小于4%，驗(yàn)證了模型的正確性。兩者產(chǎn)生誤差的原因分析歸納為：Aspen Plus軟件是模擬平衡體系的軟件，不存在時(shí)間場(chǎng)和空間場(chǎng)的概念，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀表精度選型、測(cè)試位置的不同都會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)，造成兩者之間存在誤差；生產(chǎn)運(yùn)行中管路存在的熱量損失，在軟件模擬中未能體現(xiàn)，導(dǎo)致測(cè)量溫度較模擬溫度低。

表4 模型模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 4 Comparison of simulation data and experiment data.

2 一體化技術(shù)方案及仿真模型建立

2.1 煙氣余熱利用及除“濕煙羽”一體化技術(shù)方案

一體化技術(shù)方案相比原工藝流程有如下改進(jìn)：在噴霧干燥塔至脫硫塔之間增加煙氣加熱器；在脫硫塔后增加煙氣冷卻器；對(duì)煙氣中凝結(jié)水、脫硫塔底部高溫澄清水作為原料研磨用水回用。

排除“濕煙羽”現(xiàn)象的主要措施是控制脫硫后排放煙氣的相對(duì)濕度，控制其相對(duì)濕度的方法有降溫法和升溫法，本文研究采用升溫法來降低煙氣相對(duì)濕度[6]。脫硫后的煙氣先經(jīng)過冷卻器降溫冷凝，溫度降低至44 ℃左右，再經(jīng)過加熱器加熱至80 ℃以上[7]排入大氣，熱源來自于脫硫前的高溫?zé)煔?，無(wú)需外部熱源。

從噴霧干燥塔出來的高溫?zé)煔馐紫韧ㄟ^加熱器對(duì)冷卻后的低溫?zé)煔膺M(jìn)行升溫，然后進(jìn)入脫硫塔脫硫。高溫?zé)煔獗焕鋮s至90 ℃左右。90 ℃左右的煙氣可以防止酸的露點(diǎn)腐蝕[12]，也接近80 ℃左右的濕法脫硫最佳工藝溫度[1,13]，煙氣溫度的降低還可以降低脫硫水耗。

煙氣經(jīng)過脫硫塔脫硫后形成50～60 ℃的煙氣，相對(duì)濕度90%～100%，脫硫塔后設(shè)置煙氣冷卻器，進(jìn)一步降低煙氣溫度至44 ℃左右，回收煙氣中的水蒸氣凝結(jié)潛熱，回收熱量用于預(yù)熱鍋爐給水。

煙氣中的凝結(jié)水，以及脫硫后的高溫澄清水進(jìn)行回收利用，用于濕法研磨坯料和釉料的用水，從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)水的目標(biāo)。

圖3為煙氣余熱利用及除“濕煙羽”一體化技術(shù)方案流程圖。

圖3 一體化技術(shù)方案流程圖Fig.3 Process flow chart of the integrated technical scheme

2.2 一體化技術(shù)方案仿真模型構(gòu)建

根據(jù)一體化技術(shù)方案工藝流程，建立新的仿真模型，新的模型是在原模型的核心Block基礎(chǔ)上，增加低溫?zé)煔饧訜崞?、煙氣冷卻器，并將高溫凈化煙氣冷卻器冷凝水、脫硫塔澄清水作為研磨原料的回用水，新構(gòu)建的Aspen Plus模型見圖4。

圖4 一體化技術(shù)方案模擬流程Fig.4 Simulation of the integrated technical scheme

3 模擬結(jié)果與分析

以某陶瓷企業(yè)單套噴霧干燥設(shè)備為對(duì)象，以生產(chǎn)產(chǎn)量14 066 kg/h，含水率7%的產(chǎn)品為基準(zhǔn)，對(duì)原工藝流程與一體化技術(shù)流程進(jìn)行模擬計(jì)算，兩種不同工藝的能源消耗及廢氣排放狀態(tài)見表5。

表5 一體化技術(shù)方案與典型工藝數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 5 Comparison of integrated technical scheme data and typical process data

3.1 解決排放廢氣出現(xiàn)“濕煙羽”現(xiàn)象

從表5中可知,經(jīng)過一體化技術(shù)改造后，廢氣排放溫度由51.9 ℃升溫至80 ℃，廢氣相對(duì)濕度由98%降低至18.6%，相對(duì)濕度接近于干空氣，不易產(chǎn)生凝結(jié)水，避免形成“濕煙羽”現(xiàn)象；同時(shí)，煙氣溫度高，煙氣擴(kuò)散快且充分，出現(xiàn)“濕煙羽”現(xiàn)象的可能性很小。

3.2 煙氣余熱能量的回收利用

通過模擬計(jì)算，出脫硫塔煙氣溫度由50 ℃左右降溫至44 ℃，水汽凝結(jié)釋放的潛熱可提供2 560 MJ/h的能量，折合標(biāo)煤87.37 kg/h，用于預(yù)熱煤氣化站的鍋爐給水。同時(shí)，出塔煙氣中40%的水汽會(huì)凝結(jié)，大大降低排放氣中的絕對(duì)含水量。低溫?zé)煔馀c脫硫前的高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱提高溫度，充分利用高溫?zé)煔庥酂?，不需額外的能量輸入。

脫硫塔對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行脫硫后，塔底的澄清水溫度約40～50 ℃，高溫的澄清水與高溫?zé)煔饽Y(jié)水作為原料的研磨水，可以提高原料漿的溫度，降低能量的消耗。

從模擬計(jì)算結(jié)果可知，一體化技術(shù)方案相比原工藝在燃料煤消耗、助燃劑消耗等均有降低，原工藝每千克產(chǎn)品消耗能量1 712.8 kJ，一體化技術(shù)工藝每千克產(chǎn)品消耗能量1 679.23 kJ，節(jié)能率1.96%，節(jié)約標(biāo)煤16.62 kg/h；同時(shí)提供2 560 MJ/h的能量用于預(yù)熱鍋爐給水，約為燃料熱量的10%，折合標(biāo)煤量87.37 kg/h；共計(jì)節(jié)約標(biāo)煤104 kg/h，綜合節(jié)能率12.26%。

3.3 煙氣中水汽的回收利用

從模擬計(jì)算結(jié)果可知，一體化技術(shù)方案中，排放氣中的含水量為1 939.5 kg/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原工藝的3 149.9 kg/h，節(jié)水量1 210.4 kg/h，節(jié)水率38.4%，起到很好的節(jié)水效果。

4 結(jié) 論

本文對(duì)陶瓷噴霧干燥工序進(jìn)行了余熱利用及除“濕煙羽”一體化技術(shù)方案設(shè)計(jì)，并利用Aspen Plus軟件搭建了仿真模型，通過對(duì)仿真模型的計(jì)算分析，一體化技術(shù)方案單位產(chǎn)品能耗相比原工藝節(jié)能1.96%，綜合節(jié)能率12.26%，節(jié)水率38.4%，同時(shí)解決了“濕煙羽”現(xiàn)象，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

本模型可以為陶瓷企業(yè)進(jìn)行節(jié)能改造提供理論數(shù)據(jù)支持，也可以為選擇噴霧干燥工序最佳操作參數(shù)提供借鑒。

本文的研究中主要側(cè)重于理論性的模擬研究，暫未對(duì)技術(shù)方案中的重要設(shè)備，尤其是噴霧干燥塔和煙氣換熱器進(jìn)行研究。將一體化技術(shù)方案運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中，是研究團(tuán)隊(duì)以后的努力方向。