基于Excel實(shí)現(xiàn)煙氣除濕脫白工藝參數(shù)計(jì)算

＊孫基博

（廣東美致力環(huán)?？萍加邢薰旧钲诜止?廣東 518172）

綜合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，大氣污染濕法治理無(wú)論是濕法脫硫、濕法脫硝還是濕法除塵后排放的煙氣均攜帶大量水蒸氣，濕煙氣進(jìn)入溫度較低的環(huán)境大氣中，不僅造成大量水資源的浪費(fèi)，還會(huì)形成“白煙”現(xiàn)象，產(chǎn)生視覺(jué)污染，為企業(yè)帶來(lái)巨大的社會(huì)輿論壓力。

以濕法脫硫?yàn)槔瑵穹摿蚬に囌济摿蚩傃b機(jī)容量的83.02%，而其中的石灰石—石膏法是目前世界上技術(shù)最成熟，實(shí)用業(yè)績(jī)最多，運(yùn)行狀況最穩(wěn)定的脫硫工藝[1]，該治理工藝排放的濕煙氣溫度在40～55℃左右，含濕量介乎近飽和狀態(tài)。低溫飽和濕煙氣直接經(jīng)煙囪排放，與溫度較低的環(huán)境大氣混合，煙氣中大量的水蒸氣遇冷凝結(jié)為小液滴，經(jīng)光線的折射或散射作用，濕煙氣呈現(xiàn)白色或者灰色，即所謂的“白煙”。

近年來(lái)，無(wú)論從電力行業(yè)還是其他行業(yè)，普及實(shí)施了煙氣脫硫、脫硝、除塵等超低排放標(biāo)準(zhǔn)，主要污染物如顆粒物、SO2、NOX排放量都大幅度降低，而霧霾卻比十多年前愈發(fā)嚴(yán)重了。研究分析指出霧霾出現(xiàn)的元兇是濕法脫硫后排放的高濕度煙氣以及排煙水分中溶解性顆粒物[2,3]。

脫白是工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的問(wèn)題。當(dāng)煙氣的溫度降到低于露點(diǎn)溫度時(shí)，存在于煙氣中的一部分水分就冷凝成霧或者露，從而出現(xiàn)較為明顯的白色煙羽?？蓪煔饷摪走^(guò)程類比為“杯子理論”，杯子即為空氣，杯中水為空氣的含濕量，杯沿低或水液位高均會(huì)導(dǎo)致水溢出（即煙氣會(huì)產(chǎn)生白霧），要想水不溢出，最根本辦法就是提高杯沿和降低杯中水液位。故而，最可靠的去除煙氣白霧的方法為降低煙氣含濕量或增大煙氣含濕容量。

1.脫白工藝參數(shù)計(jì)算用Excel的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

（1）脫白工藝。煙氣脫白常用的工藝采用升溫法、冷凝法或兩者組合方法[4]。

煙氣升溫法將濕飽和煙氣升到較高溫度，增大煙氣的含濕容量，外排即可脫除白霧。

煙氣冷凝法將濕飽和煙氣中的大部分水分進(jìn)行冷凝，降低煙氣至較低含濕量，外排即可脫除白霧。

煙氣“冷凝+升溫”組合方法，先將濕飽和煙氣的一部分水分進(jìn)行冷凝，降低煙氣的含濕量后，將煙氣升溫至一定溫度，外排即可脫除白霧。

值得說(shuō)明的是，冷凝法是冷卻降溫產(chǎn)生的相變，既降低了煙氣的含濕量也降低了煙氣溫度，并非采用常規(guī)固體除濕劑[5]單純降低氣體含濕量的方法，在實(shí)際工況中也不可行。

另外，還有一種摻混工藝，飽和濕煙氣與空氣充分混合后，溫度露點(diǎn)降低，達(dá)到脫白效果[6]。摻混不飽和的干空氣工藝，既能降低煙氣溫度、又能直接給煙氣增容，這一工藝雖然能脫除白霧，但并未實(shí)質(zhì)脫白、向大氣排放總量并未發(fā)生改變，本文不再詳細(xì)介紹。

（2）脫白工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。在特定溫度和含濕量條件下的煙氣在向自然空氣排放，產(chǎn)生白煙，此條件下煙氣的溫度和含濕量即為脫白工藝設(shè)計(jì)的核心參數(shù)。

煙氣排放擴(kuò)散到自然空氣中，本質(zhì)是煙氣與自然空氣的熱交換過(guò)程，熱交換的過(guò)程發(fā)生水的相變，產(chǎn)生的冷凝水而形成白霧。所以在確定脫白的核心參數(shù)前，需要不同溫度下干空氣的飽和含濕量參數(shù)，整理如表1所示。

表1 干空氣飽和含濕量

根據(jù)不同溫度下干空氣的飽和含濕量參數(shù)，繪制干空氣含濕量曲線，如圖1所示。

圖1 干空氣飽和含濕量曲線與含濕降溫切線圖

以北方代表城市石家莊為例，石家莊冬季平均氣溫-4℃、平均相對(duì)濕度為52%，即m點(diǎn)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)-4℃干空氣飽和含濕量為2.8g/kg，可得m點(diǎn)坐標(biāo)為（-4,1.456）。用已知點(diǎn)m繪制與干空氣含濕量曲線的切線，交曲線于切點(diǎn)t坐標(biāo)為（7.169,6.228），如圖1所示。

噴淋塔出口飽和濕煙氣溫度通常在40～55℃，40℃飽和濕煙氣含水為46.3g/kg，即以A（40,46.3）為例，當(dāng)飽和濕煙氣向自然空氣排放時(shí)，飽和濕煙氣始終處于露點(diǎn)狀態(tài)，沿著干空氣飽和含濕量曲線，由A點(diǎn)不斷向t點(diǎn)移動(dòng)，此時(shí)飽和濕煙氣不斷產(chǎn)生白色煙羽。

當(dāng)移動(dòng)到t點(diǎn)時(shí)，即當(dāng)溫度降至7.169℃，飽和濕煙氣恰好產(chǎn)生白煙的露點(diǎn)臨界點(diǎn)，隨后沿著干空氣飽和含濕量曲線的切線繼續(xù)移動(dòng)，此時(shí)煙氣已無(wú)白煙。

要將A點(diǎn)工況條件下飽和濕煙氣進(jìn)行脫白，需保證飽和濕煙氣經(jīng)過(guò)脫白工藝后、在向自然空氣m點(diǎn)持續(xù)擴(kuò)散時(shí)恰好與干空氣飽和含濕量曲線相切。

脫白的三種工藝：

升溫法，需將飽和濕煙氣A點(diǎn)升溫至B點(diǎn)（100.9,46.3），即將煙氣由40℃升溫至100.9℃，此時(shí)煙氣由B點(diǎn)向自然空氣m點(diǎn)擴(kuò)散時(shí)，沿著切線移動(dòng)、恰好不再出現(xiàn)煙氣露點(diǎn)（僅切點(diǎn)t為露點(diǎn)），即完成脫白，如圖2（a）所示。

圖2 脫白路線圖

冷凝法，需將飽和濕煙氣A點(diǎn)冷凝至t點(diǎn)（7.169,6.228），即將煙氣含濕量由46.3g/kg冷凝至6.228 g/kg，此時(shí)煙氣由t點(diǎn)向自然空氣m點(diǎn)擴(kuò)散時(shí)，沿著切線移動(dòng)，不再出現(xiàn)煙氣露點(diǎn)（僅切點(diǎn)t為露點(diǎn)），即完成脫白，如圖2（b）所示。

“冷凝+升溫”法，將飽和濕煙氣A點(diǎn)冷凝至C點(diǎn)（34,33.1），即將煙氣含濕量由46.3g/kg冷凝至33.1g/kg，再講煙氣由升溫至D點(diǎn)（70.1,33.1），即將煙氣由40℃升溫至72℃，此時(shí)煙氣由D點(diǎn)向自然空氣m點(diǎn)持續(xù)擴(kuò)散時(shí)，沿著切線移動(dòng)、恰好不再出現(xiàn)煙氣露點(diǎn)（僅切點(diǎn)t為露點(diǎn)），即完成脫白，如圖2（c）所示。

無(wú)論通過(guò)哪種工藝改變飽和濕煙氣的溫度和含濕量，均要求煙氣目標(biāo)參數(shù)在向自然空氣持續(xù)擴(kuò)散時(shí)不會(huì)出現(xiàn)露點(diǎn)，此目標(biāo)參數(shù)即為脫白工藝設(shè)計(jì)的核心參數(shù)。

（3）Excel計(jì)算脫白工藝參數(shù)。為了適應(yīng)各種工況條件下的煙氣脫白設(shè)計(jì)，便于在輸入初始煙氣參數(shù)，即可完煙氣脫白工藝設(shè)計(jì)，于是將上述核心參數(shù)尋求過(guò)程整理在Excel中。

①Excel中擬合干空氣飽和含濕量曲線

先將表1不同溫度下干空氣的飽和含濕量參數(shù)輸入到Excel表格中，以溫度為橫坐標(biāo)，干空氣飽和含濕量為縱坐標(biāo)，在Excel中插入散點(diǎn)圖，對(duì)生成的曲線添加趨勢(shì)線，趨勢(shì)線選項(xiàng)采用多項(xiàng)式，趨勢(shì)線越契合曲線，擬合越成功，擬合圖如圖1所示。最終可擬合成為一元六次多項(xiàng)式方程：

y=3E-10x6+2E-09x5+2E-06x4+0.0002x3+0.0084x2+0.273x+3.7604 （1）

式中，y為曲線函數(shù)，即為干空氣的含濕量，單位g/kg；x為曲線變量，即為溫度，單位℃；E為10指數(shù)科學(xué)計(jì)數(shù)形式。

②Excel中繪制干空氣飽和含濕量曲線的切線

經(jīng)實(shí)際工況m點(diǎn)（a,b），繪制曲線的切線，需用高等數(shù)學(xué)求導(dǎo)過(guò)程，將公示（1）進(jìn)行求導(dǎo)y’，即為切線斜率。m點(diǎn)為切線必經(jīng)點(diǎn)，待求切點(diǎn)t(x,y)，則：

式中，f'(x)為求導(dǎo)函數(shù)，即為y’；x為切點(diǎn)t橫坐標(biāo)；a為實(shí)際工況m點(diǎn)橫坐標(biāo)；f(x)為函數(shù)，即為y，切點(diǎn)的縱坐標(biāo)；b為實(shí)際工況m點(diǎn)縱坐標(biāo)。

以石家莊實(shí)際工況為例，m點(diǎn)坐標(biāo)為（-4,1.456），求得切線斜率為0.4273，切點(diǎn)t（7.169,6.228），如圖1所示，切線方程為：

式中，y為切線函數(shù)，即縱坐標(biāo)含濕量，g/kg；x為切線變量，即溫度，單位℃。

③Excel中計(jì)算脫白工藝參數(shù)

噴淋塔出口飽和濕煙氣實(shí)際工況點(diǎn)A（40,46.3），根據(jù)前文介紹脫白原理及參數(shù)，很輕松可求得升溫法參數(shù)B點(diǎn)坐標(biāo)（100.9,46.3）即升溫至100.9℃可脫白和冷凝法參數(shù)t點(diǎn)坐標(biāo)（7.169,6.228）即冷凝至含濕量6.228g/kg可脫白。

“冷凝+升溫”法，以D點(diǎn)（70.1,33.1）為例，先降溫冷凝含濕量33.1g/kg即C點(diǎn)（34,33.1），再升溫?zé)煔庵?0.1℃即D點(diǎn)可脫白。實(shí)際參數(shù)選擇上可選B點(diǎn)至t點(diǎn)之間全部參數(shù)點(diǎn)，通常需要衡量“冷凝+升溫”熱量消耗經(jīng)濟(jì)性考慮、冷凝的冷源條件及升溫的熱源條件，均屬于換熱及能耗分析，本文不再一一分析。

2.結(jié)論

了解煙氣產(chǎn)生白色煙羽的原因，分析煙氣的溫度和含濕量參數(shù)，有助于更加深刻了解脫白的原理。

將不同溫度下干空氣飽和濕度的參數(shù)在Excel中繪制出曲線并擬合為多項(xiàng)式方程，同時(shí)根據(jù)高等數(shù)學(xué)方法求得曲線的切線，輸入實(shí)際工況參數(shù)，可以直接計(jì)算出脫白工藝路線的各個(gè)參數(shù)，大大減少了設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)也適用于各種工況，滿足使用。