濕法脫硫煙氣混兌熱空氣消白技術分析研究

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研發中心，河南洛陽 471003）

目前，國內絕大多數濕法脫硫系統脫硫塔出口煙氣溫度在50～60℃之間，煙氣不經過加熱，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白色或灰色，故稱為“濕煙羽”，即所謂的“白煙”[1]。白煙現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析出的小液滴飄落到地面會對周邊形成環境污染[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定。消除煙囪冒白煙現象已成為目前急需解決的問題，相關的治理工作已在全國陸續展開[4]。

1 濕法脫硫煙氣消除白煙技術

濕法脫硫煙氣消除白煙的關鍵在于提高脫硫塔出口飽和濕煙氣的不飽和程度，使其在與環境空氣混合過程中始終不會變為飽和狀態，濕煙氣中的水蒸氣也不會凝結、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場余熱作為加熱熱源。

間接法通過換熱設備對濕煙氣進行加熱升溫，會使煙氣側阻力增加較多，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備發生腐蝕和堵塞現象，降低換熱設備效率，影響其使用壽命。直接法沒有換熱設備和堵塞等問題，煙氣側阻力增加較少，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是直接法中較有潛力的一種消白技術，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，以達到消除白煙的目的。可以利用廠區的大量中低溫余熱作為加熱熱源，有利于企業節能減排，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 混合狀態點對煙氣溫度和濕度的影響

2 混兌熱空氣消白技術

煙囪的白煙現象不僅與煙氣的含水量及溫度有關，也與當地氣候條件有關[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點即為當地的氣候條件，出脫硫塔的飽和濕煙氣為圖中的B點，即處于飽和狀態，與熱空氣混合的過程沿路徑BDE進行，混合煙氣的狀態點在B與E之間。直線AD 為經過環境狀態點A 的煙氣飽和曲線的切線，若混合煙氣狀態點位于直線AD 左上方，煙氣向大氣擴散過程中會進入白煙區域，或多或少會出現白煙現象；若混合煙氣的狀態點位于直線AD 上或其右下方，煙氣擴散過程中不會進入白煙區域，一直處于非飽和狀態，整個擴散過程都無白煙現象。熱空氣混兌消白技術要求混兌后煙氣的狀態點應位于直線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要求混兌后煙氣的狀態點應位于直線AD 上或其右下方，如圖1所示，處于狀態點E溫度為t的熱空氣混入處于狀態點B的飽和濕煙氣中，混合后煙氣的狀態點處于線段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點為O，O 點位于線段DE 之間。根據質量守恒定律、熱量平衡和濕量平衡有[9]：

式中：MB—飽和濕煙氣的質量流量；ME—混兌熱空氣的質量流量；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：

環境溫度下空氣的焓值hA為定值，飽和濕煙氣的質量流量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點位于直線AD 上，混兌熱空氣消白技術能耗最小。

熱空氣與飽和濕煙氣混合后的狀態點位于直線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生變化，則空氣的焓值僅與溫度變化有關，濕空氣焓值h與溫度t和濕度d的關系式為[10]：

空氣從狀態點A 加熱至點E，空氣含濕量未發生變化，則從狀態點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。

當地氣候狀態點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，由此空氣從狀態點A 加熱至狀態點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確定的情況下，混兌熱空氣消白技術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。

圖3 熱空氣吸熱量最小時煙氣溫度和濕度的關系

圖4 混兌熱空氣溫度對質量流量比及換熱溫差的影響

3 混兌熱空氣消白技術經濟性分析

由上述分析可知，混兌熱空氣消白技術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，換熱設備及高溫熱源也可以變化，其對應的設備投資、運行費用、熱源費用也不同。因此，需綜合考慮設備投資、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經濟性的影響，當設備年折舊費用、系統年運行費用、熱源年費用之和最小，混兌熱空氣消白技術最具有經濟性[11]。

圖4為相同熱源下，熱空氣/濕煙氣的質量流量比R及換熱設備換熱溫差△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，設備投資隨之增加。設備投資費用和系統運行費用是影響混兌熱空氣消白技術經濟性的主要因素，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，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℃，當地環境溫度為10℃，由計算可以得出混兌熱空氣的溫度范圍為38℃≤t≤190℃。

換熱設備選取搪瓷管式空氣預熱器，設備使用壽命為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的經濟性分析，分析結果如表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核算結果

由表1 可以看出，加熱熱源和換熱設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備投資和系統運行費用的不同，此時設備年折舊費用、系統年運行費用最低時，混兌熱空氣消白技術最具經濟性。對于100萬t/a催化裂化裝置，混兌130℃中溫空氣，系統經濟性能較優，年綜合費用為127.2 萬元。實際應用中，設備投資、系統運行費用、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經濟性影響較大，需根據具體情況進行綜合全面分析。

4 結論

1）煙氣和熱空氣混合后的狀態點在經過環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象。當混合后的狀態點位于切線上時，混兌熱空氣消白技術能耗最小。

2）在環境條件和飽和煙氣參數給定情況下，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。

3）設備投資、系統運行費用、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經濟性影響較大，需根據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，系統經濟性能較優，年綜合費用為127.2萬元。