濕法脫硫煙氣混兌熱空氣消白技術(shù)分析研究

李玖重，孫志欽

（中石化煉化工程（集團）股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽 471003）

目前，國內(nèi)絕大多數(shù)濕法脫硫系統(tǒng)脫硫塔出口煙氣溫度在50～60℃之間，煙氣不經(jīng)過加熱，直接以飽和濕煙氣的形式排放。由于煙氣中含有大量的水蒸氣，一旦排入大氣，與冷空氣接觸降溫，會有大量的小液滴冷凝析出，而小液滴對光線的折射、散射作用，使得煙囪出口的煙羽呈現(xiàn)白色或灰色，故稱為“濕煙羽”，即所謂的“白煙”[1]。白煙現(xiàn)象不僅造成大量水資源的浪費，還會形成明顯的視覺污染，為企業(yè)帶來巨大的社會輿論壓力。同時，濕煙氣的溫度比較低，從煙囪排出后抬升高度較小，會造成地面污染濃度相對較高；并且濕煙氣中含有一定量的酸性成分和細顆粒物，濕煙羽在擴散過程中凝結(jié)析出的小液滴飄落到地面會對周邊形成環(huán)境污染[2]。也有研究表明濕煙氣中水蒸氣可能在擴散過程中冷凝形成降水，影響局地氣候；并在一定的氣象條件下水蒸氣持續(xù)大量的排放將有助于霧霾的形成[3]。2017年以來，上海、天津、邯鄲等地相繼發(fā)布地方標準和政策要求，對治理白色煙羽的具體指標、完成時間等進行了明確規(guī)定。消除煙囪冒白煙現(xiàn)象已成為目前急需解決的問題，相關(guān)的治理工作已在全國陸續(xù)展開[4]。

1 濕法脫硫煙氣消除白煙技術(shù)

濕法脫硫煙氣消除白煙的關(guān)鍵在于提高脫硫塔出口飽和濕煙氣的不飽和程度，使其在與環(huán)境空氣混合過程中始終不會變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，濕煙氣中的水蒸氣也不會凝結(jié)、析出，即可達到消除白煙的目的[5]。目前，有兩種提高濕煙氣不飽和程度的方法，一種是直接法，通過高溫氣體與脫硫凈化煙氣直接混合，實現(xiàn)濕煙氣升溫，提高煙氣不飽和程度；另一種是間接法，利用高溫熱源通過換熱設(shè)備加熱濕煙氣，提高煙氣的不飽和程度，高溫熱源通常利用現(xiàn)場余熱作為加熱熱源。

間接法通過換熱設(shè)備對濕煙氣進行加熱升溫，會使煙氣側(cè)阻力增加較多，并且濕煙氣中攜帶的脫硫漿液液滴、機械水霧滴，在加熱過程中會使換熱設(shè)備發(fā)生腐蝕和堵塞現(xiàn)象，降低換熱設(shè)備效率，影響其使用壽命。直接法沒有換熱設(shè)備和堵塞等問題，煙氣側(cè)阻力增加較少，投資和運行費用低，操作比較靈活，適用范圍更加廣泛[6]。混兌熱空氣消白技術(shù)是直接法中較有潛力的一種消白技術(shù)，其將一定量的高溫空氣混兌入脫硫塔出口的飽和濕煙氣中，使煙氣擴散過程始終處于不飽和狀態(tài)，以達到消除白煙的目的?？梢岳脧S區(qū)的大量中低溫余熱作為加熱熱源，有利于企業(yè)節(jié)能減排，應用前景廣闊[7]。

圖1 混兌熱空氣后煙氣的濕度隨溫度變化

圖2 混合狀態(tài)點對煙氣溫度和濕度的影響

2 混兌熱空氣消白技術(shù)

煙囪的白煙現(xiàn)象不僅與煙氣的含水量及溫度有關(guān)，也與當?shù)貧夂驐l件有關(guān)[8]。飽和濕煙氣混兌熱空氣后煙氣的濕度隨溫度變化如圖1 所示，圖中A點即為當?shù)氐臍夂驐l件，出脫硫塔的飽和濕煙氣為圖中的B點，即處于飽和狀態(tài)，與熱空氣混合的過程沿路徑BDE進行，混合煙氣的狀態(tài)點在B與E之間。直線AD 為經(jīng)過環(huán)境狀態(tài)點A 的煙氣飽和曲線的切線，若混合煙氣狀態(tài)點位于直線AD 左上方，煙氣向大氣擴散過程中會進入白煙區(qū)域，或多或少會出現(xiàn)白煙現(xiàn)象；若混合煙氣的狀態(tài)點位于直線AD 上或其右下方，煙氣擴散過程中不會進入白煙區(qū)域，一直處于非飽和狀態(tài)，整個擴散過程都無白煙現(xiàn)象。熱空氣混兌消白技術(shù)要求混兌后煙氣的狀態(tài)點應位于直線AD上或其右下方。

2.1 混兌熱空氣的溫度范圍

混兌熱空氣狀態(tài)點E的溫度t有一個取值范圍，其溫度上限受到加熱熱源的限制，假定圖1 中的溫度t2為熱空氣能夠達到的最高溫度，則混兌熱空氣的溫度t ≤t2。t1為飽和曲線的切線BE1與空氣加熱直線AE 的交點E1所對應的溫度。當熱空氣溫度低于t1時，空氣與飽和煙氣混合的過程為BC0E0，在BC0段混合煙氣進入白煙區(qū)域，有部分水蒸氣冷凝析出，并會使煙氣夾帶大量的過飽和水，從煙囪排出后立刻就有白煙現(xiàn)象，為了達到完全消除白煙的目的，混兌的熱空氣溫度不應低于t1。因此，混兌熱空氣E點的溫度t取值范圍為t1≤t≤t2。

2.2 混兌熱空氣的吸熱量

如上所述，熱空氣混兌消白技術(shù)要求混兌后煙氣的狀態(tài)點應位于直線AD 上或其右下方，如圖1所示，處于狀態(tài)點E溫度為t的熱空氣混入處于狀態(tài)點B的飽和濕煙氣中，混合后煙氣的狀態(tài)點處于線段BE 之間。要達到消除白煙的目的，此時混兌后煙氣的狀態(tài)點則應位于線段DE之間。

給定混兌熱空氣的溫度為t，如圖2所示，脫硫飽和濕煙氣與熱空氣混合后的狀態(tài)點為O，O 點位于線段DE 之間。根據(jù)質(zhì)量守恒定律、熱量平衡和濕量平衡有[9]：

式中：MB—飽和濕煙氣的質(zhì)量流量；ME—混兌熱空氣的質(zhì)量流量；dB—飽和濕煙氣的含濕量；dE—混兌熱空氣的含濕量；dO—混合點O的含濕量；hB—飽和濕煙氣的焓值；hE—混兌熱空氣的焓值；hO—混合點O的焓值。

則混兌的熱空氣的吸熱量Q：

環(huán)境溫度下空氣的焓值hA為定值，飽和濕煙氣的質(zhì)量流量MB為定值，混兌空氣溫度t 為給定值，混兌熱空氣的焓值hE也為定值，則OB/OE值越小，混兌熱空氣的吸熱量越小。

故OB/OE ＝DB/DE 時，混兌熱空氣的吸熱量最小，即在混兌熱空氣溫度一定的條件下，熱空氣與煙氣混合后的狀態(tài)點位于直線AD 上，混兌熱空氣消白技術(shù)能耗最小。

熱空氣與飽和濕煙氣混合后的狀態(tài)點位于直線AD上，由圖3可知，此時混兌熱空氣吸熱量Q：

式中：tA—環(huán)境溫度；tB—飽和濕煙氣的溫度；tE—混兌熱空氣的溫度；tF—飽和濕煙氣升溫消白所需的最小溫度。

濕空氣的焓值與溫度和濕度成正比，空氣加熱過程含濕量未發(fā)生變化，則空氣的焓值僅與溫度變化有關(guān)，濕空氣焓值h與溫度t和濕度d的關(guān)系式為[10]：

空氣從狀態(tài)點A 加熱至點E，空氣含濕量未發(fā)生變化，則從狀態(tài)點A加熱至點E的吸熱量Q為：

混兌熱空氣的含濕量dE為定值，則空氣吸熱量Q可以簡化為：

其中k為常數(shù)。

當?shù)貧夂驙顟B(tài)點A的溫度和含濕量已知，則飽和曲線的切線ACD不變，切線方程可以推導出來，加之脫硫塔出口飽和濕煙氣的流量、溫度和濕度給定，則F點的溫度和濕度唯一，tF－tB在此條件下是一個定值，由此空氣從狀態(tài)點A 加熱至狀態(tài)點E的吸熱量Q 就是一個定值。因此，在氣候條件已知，脫硫塔出口飽和濕煙氣的參數(shù)確定的情況下，混兌熱空氣消白技術(shù)混兌熱空氣的最小吸熱量Q是一個定值，與混兌空氣的流量和溫度無關(guān)。

圖3 熱空氣吸熱量最小時煙氣溫度和濕度的關(guān)系

圖4 混兌熱空氣溫度對質(zhì)量流量比及換熱溫差的影響

3 混兌熱空氣消白技術(shù)經(jīng)濟性分析

由上述分析可知，混兌熱空氣消白技術(shù)混兌熱空氣的最小吸熱量Q是一個定值，但混兌熱空氣的溫度和流量可以變化，換熱設(shè)備及高溫熱源也可以變化，其對應的設(shè)備投資、運行費用、熱源費用也不同。因此，需綜合考慮設(shè)備投資、運行成本、高溫熱源消耗、使用壽命等因素對混兌熱空氣消白技術(shù)經(jīng)濟性的影響，當設(shè)備年折舊費用、系統(tǒng)年運行費用、熱源年費用之和最小，混兌熱空氣消白技術(shù)最具有經(jīng)濟性[11]。

圖4為相同熱源下，熱空氣/濕煙氣的質(zhì)量流量比R及換熱設(shè)備換熱溫差△T隨熱空氣溫度t的變化曲線。熱空氣溫度升高，熱空氣/濕煙氣的質(zhì)量流量比R 逐漸減小，消除白煙所需的熱空氣量隨之減少，增加的阻力相應減小，電耗隨之降低。換熱溫差△T 隨熱空氣溫度升高逐漸降低，獲得相同熱量的熱空氣，換熱面積隨熱空氣溫度升高而增大，設(shè)備投資隨之增加。設(shè)備投資費用和系統(tǒng)運行費用是影響混兌熱空氣消白技術(shù)經(jīng)濟性的主要因素，相互之間彼此制約。

以100萬t/a催化裂化裝置為例，脫硫塔出口飽和濕煙氣流量為200 000 kg/h、溫度55℃，采用混兌熱空氣消白技術(shù)，利用脫硫前200℃的高溫煙氣獲得混兌熱空氣，換熱最小溫差取10℃，當?shù)丨h(huán)境溫度為10℃，由計算可以得出混兌熱空氣的溫度范圍為38℃≤t≤190℃。

換熱設(shè)備選取搪瓷管式空氣預熱器，設(shè)備使用壽命為5年，年運行時間8 400 h，熱空氣溫度選取38℃、130℃、190℃進行混兌熱空氣消白技術(shù)的經(jīng)濟性分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 典型100 萬t/a 催化裂化裝置脫硫煙氣混兌熱空氣消白技術(shù)核算結(jié)果

由表1 可以看出，加熱熱源和換熱設(shè)備型式相同的情況下，混兌熱空氣溫度和流量的不同會引起設(shè)備投資和系統(tǒng)運行費用的不同，此時設(shè)備年折舊費用、系統(tǒng)年運行費用最低時，混兌熱空氣消白技術(shù)最具經(jīng)濟性。對于100萬t/a催化裂化裝置，混兌130℃中溫空氣，系統(tǒng)經(jīng)濟性能較優(yōu)，年綜合費用為127.2 萬元。實際應用中，設(shè)備投資、系統(tǒng)運行費用、高溫熱源消耗、使用壽命、運行時間等因素對混兌熱空氣消白技術(shù)經(jīng)濟性影響較大，需根據(jù)具體情況進行綜合全面分析。

4 結(jié)論

1）煙氣和熱空氣混合后的狀態(tài)點在經(jīng)過環(huán)境溫度點的煙氣飽和曲線的切線上或其右下方，可以有效消除白煙現(xiàn)象。當混合后的狀態(tài)點位于切線上時，混兌熱空氣消白技術(shù)能耗最小。

2）在環(huán)境條件和飽和煙氣參數(shù)給定情況下，混兌熱空氣的最小吸熱量是一個定值，與混兌空氣的流量和溫度無關(guān)。

3）設(shè)備投資、系統(tǒng)運行費用、高溫熱源消耗、使用壽命、運行時間等因素對混兌熱空氣消白技術(shù)經(jīng)濟性影響較大，需根據(jù)具體情況進行綜合分析。

4）典型的100 萬t/a 催化裂化裝置，采用脫硫前的高溫煙氣預熱空氣，混兌130℃中溫空氣，系統(tǒng)經(jīng)濟性能較優(yōu)，年綜合費用為127.2萬元。