濕法脫硫系統對窯尾煙囪的影響

于浩波，羅振，王愛琴

1 前言

在熟料生產線未配套濕法脫硫系統前，窯尾煙氣通常為干煙氣，溫度＞100℃，煙氣經過窯尾除塵器后直接進入窯尾煙囪。隨著國家對SO2濃度排放限值的要求愈加嚴格，越來越多的熟料生產線選擇配套濕法脫硫系統進行脫硫處理，窯尾煙氣經過濕法脫硫系統后變成飽和濕煙氣，此工藝變化勢必造成窯尾煙囪的設計變化。

2 窯尾煙氣風量對煙囪尺寸的影響

2.1 對煙囪直徑設計的影響

窯尾煙氣經過濕法脫硫后，變成50℃～55℃的飽和濕煙氣，煙氣溫度的變化造成風量變化，風量變化影響煙囪出口風速，而出口風速是煙囪設計的關鍵參數。煙囪出口風速＜10m/s時，會出現煙氣不易擴散和下煙雨的現象；出口風速＞22m/s時，會出現系統阻力增加和帶出凝結水的現象。故煙囪出口風速值一般推薦15～20m/s。

煙氣出口風速計算公式：

式中：

V——煙氣出口風速，m/s

Q——煙氣出口風量（工況），m3/h

R——煙囪半徑，m

以我公司EPC總承包的某條萬噸熟料生產線為例，生料磨系統（喂料水分2.0%）開時，進入濕法脫硫系統的煙氣量為1 214 559m3/h（117℃）；生料磨系統關時，進入濕法脫硫系統的煙氣量為1 115 997m3/h（171℃）。經過濕法脫硫后，假定煙氣溫度為55℃，且同時忽略水氣的影響，則生料磨系統開時工況風量為1 059 960m3/h，生料磨系統關時工況風量為855 531m3/h。

（1）計算未配套濕法脫硫系統時的煙囪出口風速（取窯尾煙囪設計直徑為4.5m）

生料磨系統開時的煙囪出口風速：

V1=1 214 559/（3 600×π×2.252）=21.2m/s

生料磨系統關時的煙囪出口風速：

V2=1 115 997/（3 600×π×2.252）=19.5m/s

（2）計算配套濕法脫硫系統時的煙囪出口風速（取窯尾煙囪設計直徑為4.2m）

生料磨系統開時的煙囪出口風速：

V1=1 059 960/（3 600×π×2.12）=21.3m/s

生料磨系統關時的煙囪出口風速：

V2=85 5531/（3 600×π×2.12）=17.1m/s

由此可見，生產線配套濕法脫硫系統前，煙囪設計直徑以4.5m為宜，而配置濕法脫硫系統后，煙囪設計直徑4.2m即可。

2.2 對煙囪高度設計的影響

煙囪的理論高度既要滿足大氣污染物的擴散稀釋要求，又要考慮節省投資。煙囪設計高度應能滿足使煙囪排放的大氣污染物在環境空氣中產生的地面濃度與背景值疊加后的預測濃度，不超過GB 3095-2012《環境空氣質量標準》規定的濃度限值“在二級地區SO2濃度的小時平均限值為150μg/m3”。據此，煙囪高度的計算普遍采用高斯擴散模式，高斯擴散模式的理論模型在相關資料中已有很多論述，此處不再贅述。筆者采用高斯簡化公式對前文所述的萬噸生產線窯尾煙氣污染物中SO2指標進行計算。

在煙囪下風向地面軸線上任意一點（x，0，0）的污染物濃度公式為：

式中：

H——煙囪有效高度，m

ρ——SO2濃度，g/m3

Q——源強，SO2排放速率，g/s

σy——側向擴散系數，m

σz——豎向擴散系數，m

為了簡化運算，σz/σy不隨距離變化而變化，取生產線所在地方環保標準規定，煙囪出口SO2排放限值為50mg/m3（標）（@10%O），而生料磨開時窯尾煙氣量為882 304m3（標）/h，排放速率Q=12.25g/s，代入相關參數，得：

煙囪的高度HS等于有效高度H減去煙氣抬升高度ΔH，根據相關經驗公式：

式中：

ΔH——煙氣抬升高度，m

QH——煙氣的熱釋放率，kW

HS——煙囪高度，m

Pa——大氣壓力，hPa

QV——煙氣流量（工況），m3/s

ΔT——煙氣與環境溫度差值，℃

TS——煙氣溫度，℃

則：

根據經驗參數查得式（4）中：n0=0.292，n1=3/5，n2=2/5，代入ΔH計算公式，則：

煙囪的物理高度：HS=H-ΔH=91.2m-81.7m=9.5m

水泥生產線的工藝特點要求煙囪高度高于C1預熱器頂部，此項目中預熱器頂部高度約135m，窯尾高度依據工藝要求的設計高度，遠高于用污染物擴散模式計算出的數值，配套濕法脫硫后，對熟料生產線窯尾煙囪的高度設計基本沒有影響。在本文煙囪高度的模型計算中，只選擇了SO2這一項污染物指標進行核算，實際還應增加NOx、顆粒物、CH4等其他污染物指標進行核算，綜合比較驗算結果。因本文只討論濕法脫硫系統的影響，故省略了其他污染物的模型計算。

對于煙囪高度的設計，不同的設計規范有不同的規定，如GB/T 3840-1991《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》中規定，煙囪高度不得低于它所附屬建筑物高度的1.5～2.5倍，GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》中規定，煙囪高度應高于直徑200m范圍內最高建筑物5m以上。而實際工程中相關的標準往往更加嚴格，設計時應更加重視這些規定。

3 窯尾濕煙氣對煙囪防腐性能的影響

采用濕煙囪運行后，應重點考慮腐蝕問題。但目前濕法脫硫在水泥生產線中的應用時間不長，大家尚未認識到煙囪腐蝕問題的嚴重性。煙囪腐蝕來自于吸收塔中的濕態酸性煙氣，從脫硫塔入口至煙囪出口為止，所有與濕煙氣接觸的地方都應考慮防腐性能的要求。

目前，有很多防腐材料或防腐方案可供選擇，防腐材料主要有防腐漆、防腐耐酸磚、防腐玻璃鱗片、玻璃鋼、鎳合金和鈦合金，其中，防腐玻璃鱗片、玻璃鋼和合金應用較多。防腐玻璃鱗片作為防腐襯里使用，煙囪本體為普通碳鋼材料（Q235或Q345）；玻璃鋼可作為整體煙囪的制作材料；合金既可以作為襯里材料，也可以作為整個煙囪的使用材料。

碳鋼+玻璃鱗片防腐襯里具有高強度、高防腐、抗老化、壽命長、造價低等優點，目前應用較普遍，但由于其施工難度大、基底處理要求高、施工環境要求苛刻，使得施工周期較長。

整體玻璃鋼煙囪具有重量輕、防腐耐磨性能高、壽命長、造價低、施工方便等優點。但其彈性模量低、強度低、易老化、附屬框架較大，且玻璃鋼對于溫度因素更加敏感，對于高溫輻射較強的窯尾塔架，整體玻璃鋼煙囪的應用受到限制。

碳鋼+合金襯里或整體合金煙囪，具有高強度、高防腐性能、壽命長、維護量極少、易施工等優點，較明顯的缺點是合金材料成本較高。

從防腐性能和成本造價角度而言，防腐鱗片和玻璃鋼是最佳選擇；從施工難度和系統維護角度而言，合金是最佳選擇。綜合分析，筆者認為整體合金煙囪是未來濕煙囪的首選。

4 結語

水泥熟料生產線配套濕法脫硫系統后，窯尾煙囪已成為濕法脫硫系統的一部分。濕法脫硫系統對窯尾煙囪的影響應綜合考慮尺寸設計、防腐性能和使用性能等，確保濕法脫硫系統的穩定運行。