脫白工程技術在濕法脫硫煙氣中的應用

張志斌

(山西綠標環保科技有限公司，山西 太原 030000)

在燃煤機組生產過程中所產生的煙氣需要經過濕法脫硫設備進行處理并排放，在排放階段會形成白色煙羽，所謂白色煙羽就是攜帶了極細微顆粒物與氣溶膠的污染物質，它對環境所造成的負面影響極大。雖然目前國內已經提出了有關治理燃煤機組濕法脫硫的相關規范，并對機組煙氣脫白提出了環保標準，但實際上其執行操作還是存在一定的難度，需要通過冷凝方法有效降低濕法脫硫中煙氣的含濕量，并提高排煙溫度，如此可有效消除白色煙羽部分。

1 煙氣脫白治理的基本背景與必要性

1.1 基本背景

一般來說，利用煙氣脫白治理可有效遏制工業排放中所產生的大量白色煙羽。在燃煤機組生產過程中是會產生較高含量的煙氣，這種煙氣在排放溫度低于煙氣霧點時會導致生成白色煙羽，而白色煙羽則是一種重度污染物。雖然截止到2019年上半年，我國超過80%的燃煤機組已經完成了超低排放改造，就目前來看，我國的煙氣顆粒物排放標準基本已經控制在在5 mg/m3范圍內，符合國際標準相關要求。但實際上在燃煤機組生產過程中依然會產生白色煙羽，這就說明產生這種極細煙氣顆粒物的根本原因不在于生產排放，而在于濕法脫硫系統。在濕法脫硫過程中，煙氣水蒸氣達到飽和狀態，在與冷凝微顆粒物相遇后其煙氣飽和并產生極細微顆粒物，如，硝酸鹽、硫酸鹽以及氣溶膠等。白色煙羽中所產生的細微顆粒被學術界認為是當前中國霧霾嚴重的根本誘因之一。就目前我國所倡導的綠色工業生產、綠色環保施工理念來看，必須對白色煙羽治理方面加以重視，避免其所帶來的諸多消極影響。所以，自2017年開始，我國諸多煤炭化工產業重點省份也紛紛開始改變生產戰略，取消燃煤鍋爐，希望推動地方工業化工企業與排污企業對煙氣脫白處理技術的有效改善提升[1]。

1.2 必要性

在濕法脫硫生產過程中所產生的工業煙氣量大且難以處理，還會產生白色煙羽重度污染環境。就濕法脫硫本身而言，它所產生的煙氣濕度高，主要通過工業煙囪排放，以霧滴形式被釋放到大氣中。這種煙氣中存在大量的硫酸鹽、硝酸鹽以及脫硫、脫硝劑等溶質物質成分，在霧滴進入大氣失去水分干燥以后，其中的各種化學鹽堿類物質就會被析出并形成極細微顆粒物。這種顆粒物如果從空氣當量學的角度分析，它的粒徑甚至要小于PM2.5空氣當量學直徑，質量較輕，表面積較大，能夠長期漂浮于空氣中，俗稱為二次顆粒物。二次顆粒物在空氣中長期靜穩懸浮，當再度出現濕度較大天氣時，它還會集合空氣中的水分并富集擴大，形成霧霾。所以，燃煤機組濕法脫硫生產后所產生的的白色煙羽就是霧霾產生的主要原因，即便某些燃煤機組的工業生產已經達到排放標準，但依然會因此而產生污染效應。因此有必要進一步提升燃煤機組的污染治理效應，合理利用煙氣脫白工程技術[2]。

2 白色煙羽的形成過程與消除機理

2.1 白色煙羽的形成過程

在標準大氣壓狀態下，基于不同溫度背景下所存在的相對濕度為100%，由此所散發的煙氣和水蒸氣可形成一定的含濕量曲線，如圖1所示。

圖1 大氣溫度與含濕量關系曲線示意圖

如圖1，曲線上方代表了水蒸氣過飽和區域，該區域中水蒸氣會發生相變冷凝進而轉化為液態形態；反觀曲線下方代表了水蒸氣不飽和區域，該區域中水蒸氣不會發生凝結。就目前我國燃煤機組的濕法脫硫技術實踐來看，在生產排放過程中的溫度大約控制在40 ℃～60 ℃左右，所排放煙氣中的水蒸氣呈現近似飽和狀態，煙氣在排放過程中就會經歷圖1中所描述的O-A-B-C轉化過程。從轉化過程整體變化看，其環境溫度始終低于煙氣溫度，煙氣首先從狀態O降低溫度到相對的液化狀態(100%)A時，煙氣溫度與煙氣含濕度關系曲線會同時達到B點狀態。在該過程中所排放煙氣的水蒸氣會實現冷凝轉化最終形成液態狀態，此時即會產生白色煙羽。產生白色煙羽以后煙氣溫度會降至C點環境溫度狀態，其含濕量恰好處于非飽和狀態，白色煙羽此時即會消失[3]。

2.2 白色煙羽的消除機理

一般可采用煙氣再熱技術、冷凝技術以及冷凝再熱復合技術治理白色煙羽。在煙氣再熱過程中，煙氣會經歷一個復雜的轉化過程，從被排出煙囪的那一刻通過熱交換確保煙氣狀態溫度一直上升到D位置，而煙氣在進入大氣環境后則會降溫，整個階段對白色煙羽的抑制處理效果是相當明顯的。當然，它在合理有效抑制白色煙羽之余也能應用于生產減排與節能等過程中。當煙氣冷凝后再熱復合時，煙氣狀態變化過程又不相同，它主要會經歷O-E-F-C階段，煙氣首先會被冷凝到E狀態，此時煙氣含濕量下降，然后被加熱到狀態F后再進入大氣，進入大氣后轉化為狀態C，由于在該過程中煙氣始終都處于一種水蒸氣不飽和狀態，因此白色煙羽也不會產生。

3 針對白色煙羽的煙氣脫白工程技術實踐應用

目前企業生產最需要控制的就是在生產中所產生的大量白色煙羽，企業需要對自身燃煤機組進行改造，圍繞煙氣脫白這一核心技術展開相關操作。以下簡單探討了針對白色煙羽煙氣脫白工程的兩點技術實踐應用。

3.1 除鹽水+煙氣冷卻器增加蒸汽+煙氣加熱技術

除鹽水+煙氣冷卻器增加蒸汽+煙氣加熱器技術雖然相對流程復雜，所涉及技術處理設備較多，但它在煙氣脫白方面效果顯著。該技術運用了MGGH降溫段與升溫段兩方面技術，可將它們視為是兩個相對獨立的系統部分，如圖2[4]。

圖2 除鹽水+煙氣冷卻器增加蒸汽+煙氣加熱器技術實踐應用流程圖

如圖2中技術可被應用于燃煤機組鍋爐(2×75 t/h)中，煙氣冷卻器則被布置于脫硫引風機中，確保鍋爐在常溫狀態下也能將煙氣溫度從150 ℃左右調整降低到100 ℃左右。該技術的相對除鹽水溫度可控制在17.5 ℃～20.5 ℃范圍內，保證煙氣與除鹽水中的溫差不會過大。另外，它的煙氣冷卻器換熱面積相當小，可有效節省占地空間，可考慮在升溫段設置蒸汽煙氣換熱器，利用它將煙氣升溫至少30 ℃左右，并將降溫段的余熱量控制在3 100 kW左右，有效減少除氧器中的蒸汽消耗。在該技術應用過程中，吸收塔中的煙氣溫度會自然降低(從60 ℃降低到50 ℃)，合理減少脫硫設備的耗水量，平均水耗量降低7.5 t/h，如此可減輕煙氣脫白壓力。而對于煙氣部分的處理可采用0.8 MPa～1.0 MPa的供熱蒸汽進行加熱處理，此時煙氣會從50 ℃被加熱到80 ℃以上，該過程需要大約2 800 kW熱量，相比于傳統加熱處理方法可節約至少300 kW熱量，節能效果顯著[5]。

3.2 煤質式氣-氣換熱器技術

如圖3這種煤質式氣-氣換熱器是目前比較常見的煙氣脫白氣氣交換處理技術代表，它將導熱油、鹽水等作為基本媒質，對比傳統氣氣換熱技術它不會造成二氧化硫逃逸問題，屬于一種典型的無泄漏式熱媒體煙氣換熱機構。在實際應用過程中，它迎合了煙氣脫白技術原理，其中就包括了煙氣降溫、升溫兩大階段。在具體的工程實踐應用中可在煤質式氣-氣換熱器的升溫段設置氣-水管式換熱器，對煙氣進行降溫，保證飽和煙氣中的水蒸氣被合理化冷凝，然后將收集到的冷凝水進行加堿處理，再重復利用。經過實踐表明，以300 MW機組為例，它的可回收冷凝水量至少達到30 t/h。

煤質式氣-氣換熱器的降溫段可分為高灰布置與低灰布置兩種布置方式。以高灰布置為例，它會在除塵階段之前設置專屬降溫段，有效降低除塵器中的煙氣溫度與煙氣量，有效提高整體生產除塵效率。當然，考慮到系統運行成本相對偏高，且系統結構相對復雜，操作技術難度偏大，存在一定煙氣阻力。當然，煙氣脫白改造項目的可利用場地要求較高，所以在具體的處理實踐過程中還需要實現對技術內容的相對簡化，如可引進漿液冷卻配合蒸汽-煙氣加熱技術過程，有效降低脫硫塔的水量蒸發量，保證煙氣冷卻后冷凝水被完全回收到吸收塔之內，保證塔內水始終處于平衡狀態[6]。

圖3 煤質式氣-氣換熱器示意圖

4 結語

目前企業燃煤機組化工生產過程中所能采用的脫白工程技術還是相當豐富的，這些技術在煙氣白羽處理方面上都具有一定針對性，在具體的生產實踐應用過程中還需要結合具體技術內容進行具體分析，結合地方現實狀況充分考慮環境條件、煙氣參數以及相關環保要求，提出最為行之有效的煙氣脫白技術發展路線。