復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

張巖，劉文忠，楊振東，楊學(xué)華，陳檸，白若石，周駿，李長明

1 上海煙草集團北京卷煙廠有限公司設(shè)備管理部，北京 101121；2 上海煙草集團有限責(zé)任公司技術(shù)中心北京工作站，北京 101121；3 秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司技術(shù)中心，秦皇島 066318

卷煙工業(yè)企業(yè)普遍采用二氧化碳膨脹煙絲加工工藝，該工藝需要燃燒爐（廢氣焚燒式）對煙絲受熱揮發(fā)產(chǎn)生的高溫廢氣進行燃燒處理以減少有害物質(zhì)排放，煙絲受熱揮發(fā)產(chǎn)生的廢氣與燃氣燃燒產(chǎn)生的廢氣混合后經(jīng)煙囪直排大氣中。上海煙草集團北京卷煙廠有限公司現(xiàn)有燃燒爐一套，排氣溫度高（350℃左右），流量較大（約4.5×103m3·h-1），存在熱能浪費，同時伴隨顆粒物（PM）、二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）的排放，其中PM和SO2是煙草異味的主要來源，NOx是重要的大氣環(huán)境檢測指標(biāo)。廢氣中的熱能排放集中、穩(wěn)定、易于回收，且回收后能夠立即用于烘焙、高溫回潮等卷煙加工工藝；PM、SO2、NOx的排放雖未超標(biāo)但接近允許排放濃度上限，未來排放標(biāo)準加嚴后將無法達標(biāo)；此外附近居民因異味投訴的頻率逐年增加。綜上，本項目通過復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)有效利用尾氣余熱，進一步降低PM、SO2、NOx等有害物的排放，具有重要的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益。

煙草行業(yè)對低溫排潮、排氣等普遍采用集中除塵或水幕除塵[1-2]去除常溫廢氣中的PM，對燃燒爐高溫?zé)煔鉀]有處理的先例。工業(yè)用換熱器種類按照結(jié)構(gòu)特征可分為管殼換熱器、板式換熱器、疊片換熱器、翅片換熱器等[3]，其中翅片換熱器由于具有換熱強、防積灰、體積小等優(yōu)點，成為近年來的研究熱點和換熱器發(fā)展方向[4]。工業(yè)企業(yè)鍋爐去除SO2目前仍以濕法脫硫為主[5]。降低NOx排放普遍采用低氮燃燒器[6]或尾氣脫硝技術(shù)[7-8]，其中技術(shù)最成熟應(yīng)用最為廣泛的是選擇性催化還原法（SCR）[9-10]，能將NOx從5×103mg·m-3降到50 mg·m-3以下，但窗口溫度高于燃燒爐排氣溫度[11]。由于燃燒爐工藝參數(shù)的限制，低氮燃燒器不能解決廢氣焚燒類排放問題；上述脫硫脫硝技術(shù)適合鋼廠、火電行業(yè)等大型鍋爐，存在投資大、能耗高、耗材投入大、運行要求高等缺陷，并不適合包括燃燒爐在內(nèi)的低排放小型工業(yè)爐窯。

綜上所述，選用合適的處理工藝尤為重要，本文針對二氧化碳膨脹線燃燒爐運行的工藝特點，采用余熱回收換熱和煙氣清洗處理兩級復(fù)合的處理方式，開發(fā)設(shè)計專用煙氣處理系統(tǒng)，有效利用尾氣余熱降低尾氣排放溫度，同時大幅減少有害物質(zhì)PM、SO2和NOx的排放，以達到節(jié)能、高效、綠色、低碳的目的。

1 實施方案

1.1 工程概況

上海煙草集團北京卷煙廠有限公司復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用前燃燒爐尾氣經(jīng)煙囪直排大氣，排氣溫度為350℃左右，排放體積流量約為4.5×103m3·h-1。復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)總費用299.4萬元，占地162 m2。該系統(tǒng)投入使用后，通過風(fēng)機頻率自動調(diào)節(jié)煙氣出口壓力，煙氣壓力始終與原系統(tǒng)保持一致，燃燒爐燃燒情況正常，各參數(shù)均正常，經(jīng)工藝驗證，未對煙絲的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，煙氣中PM、SO2、NOx等污染物排放濃度明顯降低。

1.2 復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)的開發(fā)方案

煙囪排放煙氣具有溫度高、濕度大、流量大的特點，如按照傳統(tǒng)的水幕除塵或管殼換熱器采用一次降溫處理，設(shè)備負荷大、配套的冷卻系統(tǒng)設(shè)備及水資源、電功率消耗也大，處理成本顯著增加。另外，煙氣中的高熱能源浪費也比較嚴重。為有效利用熱能，減小溫度梯度和設(shè)備負荷，采用分級降溫方式，采用余熱回收換熱和煙氣清洗處理兩級復(fù)合的處理方式，設(shè)備尺寸和動力、能源消耗大幅降低，煙氣排放溫度和排放量大幅減少。

首先在煙氣管路上增加LCY-2型翅片式余熱回收換熱器，換熱能力160 kW，具有體積小、熱效率高，阻力小的特點，主要用于煙氣降溫、熱量回收、PM團聚，利用煙氣余熱加熱軟化水，最大限度吸收煙氣中顯熱部分，將煙氣溫度由350℃降為140℃。換熱器出口溫度設(shè)定為140℃是基于換熱器設(shè)計經(jīng)濟性，換熱后煙氣溫度高于水蒸氣、煙油露點溫度，避免換熱器結(jié)垢[12]，保證換熱效率，減少維保周期，提高使用壽命。余熱回收換熱器使用的軟化水來自鍋爐房，加熱器進水端軟化水溫度約20℃，經(jīng)過與煙氣換熱，軟化水加熱迅速，出水溫度為80℃回流到鍋爐房。

余熱回收換熱器后面串聯(lián)HQ17型篩板式水洗塔，處理能力為8×103m3·h-1，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、除味效果好、維護維修方便等特點，主要用于去除PM、SO2、NOx和持續(xù)降溫[13]。煙氣中過熱水汽在水洗過程經(jīng)歷氣體降溫（由140℃降至100℃）、液化相變（氣體變液體，溫度不變）、液體降溫（水由100℃降至50℃）三個熱力過程[14]。水洗塔熱量回收采用BEM800-1.0/1.0-89型管殼換熱器，換熱面積89 m2，換熱能力2.5×103kW，換熱后冷卻水溫度從常溫升高到60℃，采用YHW-3402RZ/511型開式方形橫流式冷卻塔將冷卻水溫度從60℃快速降低到35℃后繼續(xù)循環(huán)使用。燃燒爐點爐之前，啟動煙氣清洗系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)，此時冷卻水泵自動啟動，風(fēng)機自動運行，水洗塔自動補水。補滿水后塔循環(huán)泵啟動，水洗塔水箱中的清洗水從高處噴淋，清洗從燃燒爐煙囪過來的煙氣；經(jīng)過煙氣熱風(fēng)換熱的清洗水由塔循環(huán)泵輸送至管殼換熱器中，由冷卻水冷卻后循環(huán)使用；冷卻水由冷卻水循環(huán)泵輸送至冷卻塔冷卻后繼續(xù)循環(huán)使用。

在煙氣出口串聯(lián)煙氣處理系統(tǒng)，增加煙氣運行阻力，會影響燃燒爐運行效果。因此，需要增加煙氣負壓風(fēng)機來保證主生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，選用KXE071-013230-00型負壓風(fēng)機，技術(shù)參數(shù)為功率22 kW，風(fēng)量：6.4×103m3·h-1，風(fēng)壓3 kPa。兩級換熱對煙氣的阻力由布置在后端負壓風(fēng)機克服，因為高溫?zé)煔饨?jīng)處理后溫度降低、流量減小，降低對風(fēng)機運行條件及輸送能力要求，既經(jīng)濟，又安全。為使煙氣處理系統(tǒng)能夠準確、及時跟蹤煙氣流量變化并作出相應(yīng)調(diào)整。把煙氣測試點壓力作為核心控制參數(shù)，采用微壓變送器[15]監(jiān)測煙囪上測試點壓力，在調(diào)試時確定測試點壓力作為控制基準值，通過執(zhí)行調(diào)節(jié)控制（PID）回路控制負壓風(fēng)機頻率改變流量來跟蹤核心參數(shù)，使測試點壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，保證煙氣排放順暢和燃燒爐系統(tǒng)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖Fig. 1 System process flow diagram

1.3 化學(xué)指標(biāo)分析

1.3.1 分析方法

采樣方法采用國家標(biāo)準方法“固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采集方法GB/T 16157—1996”，PM檢測采用“固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定 重量法 HJ836—2017”，SO2檢測采用“固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法 HJ/T 57—2000”，NOx的檢測采用“固定污染源廢氣氮氧化物的測定 電位電解法 HJ 693—2014”，氨氮（NH3-N）測定采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009），化學(xué)需氧量（COD）測定采用高錳酸鹽指數(shù)法（GB/T 15456—2019）。

1.3.2 實驗設(shè)備

智能雙路煙氣采樣器（嶗應(yīng)3072型），自動煙塵（氣）測定儀（嶗應(yīng)2013H型），煙氣分析儀（德圖350型），恒溫恒濕稱重系統(tǒng)（嶗應(yīng)8061B型），電子天平（梅特勒MS105DU型），pH計（賽多利斯PB-10型），紫外分光光度計（島津2600型）。

2 復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)的實施效果

為充分考慮實際應(yīng)用中余熱回收換熱器、水洗塔、冷卻塔布置在室外樓頂，受季節(jié)變化，對換熱能力影響較大，對水泵、冷卻塔等動力設(shè)備適當(dāng)增加了工作裕量[16]，對項目投資和能耗影響不大。另外在工程設(shè)計中考慮了冬季停產(chǎn)后設(shè)備自動排水防凍和雨季避雷等安全功能，保證設(shè)備的安全性和可靠性。水洗塔水床液位高度及清洗水流量可調(diào)，保證排氣溫度和除味效果，噪音及風(fēng)阻小。透明視窗可直觀觀察水床運行情況，處理過程中煙氣中水汽大部分冷凝成液態(tài)水補充至水洗塔中，所以運行過程中系統(tǒng)不需要補水，潔凈水消耗很低。負壓風(fēng)機變頻調(diào)速，煙氣流量穩(wěn)定，保證燃燒爐穩(wěn)定運行。系統(tǒng)穩(wěn)定運行在設(shè)計參數(shù)范圍，設(shè)備能力裕度可以滿足環(huán)境變化和燃燒爐各種工況要求。

2.1 余熱回收

實際運行結(jié)果表明，余熱回收換熱器輸出熱水流量及溫度穩(wěn)定，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，軟化水加熱器進水端軟化水溫度約為20℃，經(jīng)過與煙氣換熱，軟化水加熱迅速，出水溫度為80℃，根據(jù)不同工況煙氣流量，每小時可提供1.7～2.6 m3的80℃熱水，供水潔凈度滿足鍋爐房使用要求。余熱回收方面效果良好。采用公式（1）計算復(fù)合煙氣系統(tǒng)回收80℃軟化水的熱值：

式中Q為總熱量（J），c為水的比熱容4.2×103J·（kg·℃）-1，m為軟化水的質(zhì)量（kg），Δt為溫度差（℃）。可以得出1.7～2.6 m3水從20℃升高到80℃所需要的總熱量為4.3×108～6.6×108J。提供上述熱量需要的天然氣總量可以按公式（2）計算：

式中V為天然氣體積（m3），Q為總熱量（J），θ為天然氣熱值，3.5×107J·m-3。可以得出1.7～2.6 m3水從20℃升高到80℃所消耗的天然氣量為12.2～18.7 m3。燃燒爐的天然氣耗量為90.0 m3/h，通過余熱回收每小時回收12.2～18.7 m3的天然氣熱值，相當(dāng)于節(jié)約天然氣13.6%～20.7%，效果良好。

2.2 改造前后煙氣排放指標(biāo)

在燃燒爐工作穩(wěn)定的條件下，對復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用前后煙氣排放量、含氧量、含濕量以及PM、SO2、NOx的排放情況等指標(biāo)進行監(jiān)測，每次結(jié)果取10組平行樣均值，結(jié)果如表1所示，各項指標(biāo)不隨季節(jié)變化發(fā)生明顯變化，但改造前后變化明顯。改造后煙氣排放量由4.46×103～4.63×103m3·h-1降為為2.90×103～2.94×103m3·h-1，含濕量由14.1%～14.3%降為5.8%～5.9%，含氧量由15.4%～15.6%升到16.0%，這主要是由于溫度的降低導(dǎo)致煙氣體積減少、水蒸氣遇冷凝結(jié)降低了含濕量、復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)中空氣的進入升高了含氧量。

表1 改造前后煙氣排放參數(shù)Tab. 1 Flue gas emission parameters before and after reconstruction

復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用前PM基準排放濃度為7.9～8.1 mg·m-3，排放速率1.38×10-2～1.42×10-2kg·h-1；SO2基準排放濃度為12～16 mg·m-3，排放速率2.32×10-2～2.88×10-2kg·h-1；NOx基準排放濃度為75～80 mg·m-3，排放速率1.34×10-1～1.43×10-1kg·h-1。SO2、PM、NOx的排放速率均大大低于北京市大氣污染物綜合排放標(biāo)準（DB11/ 501—2017）規(guī)定的上限，但基準排放濃度均略低于DB11/ 501—2017規(guī)定的上限。為應(yīng)對異味投訴和未來排放標(biāo)準趨嚴，進行設(shè)備改造、降低污染物排放非常有必要。

復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用后PM基準排放濃度不高于1.1 mg·m-3，排放速率0.81×10-3～1.25×10-3kg·h-1；SO2基準排放濃度為7～8 mg·m-3，排放速率7.95×10-3～9.22×10-3kg·h-1；NOx基準排放濃度為46～50 mg·m-3，排放速率5.26×10-2～5.76×10-2kg·h-1。PM排放量降低80%以上，SO2、NOx的排放量降低30%以上，排出的氣體無塵、無色。

2.3 廢水排放監(jiān)測

未經(jīng)處理的燃燒爐煙氣含水率為14.1%～14.3%，經(jīng)復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)篩板式水洗塔處理后含水率為5.8%～5.9%，因此煙氣中的水分在水洗塔處理后轉(zhuǎn)移到清洗水中。生產(chǎn)過程中，通過篩板式水洗塔水箱上的兩個液位開關(guān)，自動控制補水操作和塔循環(huán)泵的啟停。當(dāng)水箱中液位過高時，會通過溢流管排出多余的清洗水排放至廠區(qū)集中污水處理系統(tǒng)，排放量約為1.0 m3·h-1。對設(shè)備運行以來廢水的NH3-N、COD、pH三項化學(xué)指標(biāo)進行了月度檢測，每次結(jié)果取3組平行樣均值，結(jié)果如表2所示。廢水的NH3-N為0.11～0.13 mg·L-1，COD為5.2～6.1 mg·L-1，pH值范圍為6.71～6.81，均符合北京市水污染物綜合排放標(biāo)準DB11/307—2013。

表2 改造后排放廢水的NH3-N、COD濃度和pHTab. 2 The concentrations of NH3-N and COD and the pH in waste water discharged after reconstruction

2.4 運行成本分析

在系統(tǒng)運行過程中的成本包括水資源消耗和電資源消耗，同時余熱回收過程產(chǎn)生一定經(jīng)濟效益。

2.4.1 水資源消耗

包括噴淋水換水、管殼換熱器蒸發(fā)、水箱換水。HQ17型篩板式水洗塔在生產(chǎn)結(jié)束后水洗塔排污球閥、塔循環(huán)泵排污電磁閥自動打開，排出系統(tǒng)的噴淋水1.0 m3，第二天生產(chǎn)前自動補水1.0 m3；管殼換熱器每小時蒸發(fā)0.9 m3；水箱每月?lián)Q水1次，一次18.0 m3。系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的污水排放達標(biāo)，無處理費用產(chǎn)生。

2.4.2 電資源消耗

系統(tǒng)中的主要耗電設(shè)備及其功率為：負壓風(fēng)機功率22 kW、塔循環(huán)泵功率3.7 kW、冷卻水循環(huán)泵功率37 kW、冷卻水冷卻塔功率15 kW，系統(tǒng)運行過程中每天的電耗量共計550 kW·h。

2.4.3 余熱回收收益

復(fù)合煙氣系統(tǒng)在運行過程中通過余熱回收，每小時可以回收12.2～18.7 m3的天然氣熱值，熱量經(jīng)鍋爐房回收后用于卷煙生產(chǎn)過程中必需的烘焙、高溫回潮等工藝。

系統(tǒng)一年運行200 d，每日運行11 h。一年消耗水資源2.4×103m3，水資源價格5.00元·m-3，每年水資源使用費1.2萬元。一年累計用電1.1×105kW·h，用電價格為0.92元·（kW·h）-1，一年電資源使用費為10.2萬元。每年節(jié)約天然氣2.44×103～3.74×103m3，天然氣價格2.43元·m-3，相當(dāng)于余熱回收每年節(jié)約6.5～10.0萬元。三項合計每年的復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)運行成本為1.4～4.9萬元。

3 SO2、PM、NOx減排機理

3.1 SO2減排機理

SO2易溶于水，溶于水后與水反應(yīng)生成亞硫酸根[17-18]。在水洗塔噴淋過程中，一方面SO2迅速溶于水生成亞硫酸根，另一方面設(shè)備改造前SO2基準排放濃度低于16 mg·m-3，屬于低濃度排放。因此設(shè)備改造后無需加入堿液，即可實現(xiàn)有效脫硫，降低煙氣中的SO2濃度30%以上。

3.2 PM減排機理

PM減排分為二步：第一步，經(jīng)余熱回收換熱器降溫后，小粒徑PM占比減小，大粒徑PM占比增加，降溫過程中存在明顯的PM團聚現(xiàn)象[19]。煙氣中高溫時處于半揮發(fā)性的物質(zhì)，受物理、化學(xué)作用快速凝聚或者吸附到PM表面，使得氣態(tài)向顆粒態(tài)轉(zhuǎn)化。第二步，PM在篩板式水洗塔噴淋過程中一方面繼續(xù)團聚，另一方面經(jīng)水洗后進入廢液中，從而降低煙氣中的PM濃度。

3.3 NOx減排機理

二氧化碳線燃燒爐爐溫度高達1000℃以上，很難生成NO2，煙氣中NOx以NO為主，約占NOx總量的80%～95%[20]，因此降低煙氣中的NOx排放主要是降低NO排放。煙氣中含氧量約為16%，在篩板式水洗塔噴淋過程中與大量H2O接觸，因此煙氣中的NO能夠與O2、H2O反應(yīng)進入液相，其反應(yīng)過程分為兩步，第一步為NO氧化成化學(xué)活性高、水溶性好NO2

[21]，反應(yīng)方程式表示為：

其反應(yīng)速率常數(shù)[22]表示為：

該反應(yīng)的速率隨著溫度的降低而升高，常壓下低于200℃時逆反應(yīng)可以忽略[22]。在余熱回收換熱器中，煙氣溫度由350℃降低到140℃，部分NO被O2氧化為NO2；在篩板式水洗塔，煙氣溫度由140℃降低到50℃過程中，大量的NO被O2氧化為NO2。

第二步為在篩板式水洗塔中NO2與H2O反應(yīng)被消耗進入液相，NO2與H2O的接觸超過10 s將被有效吸收[23]，化學(xué)反應(yīng)為方程（5）和（6）[22]：

方程（5）和（6）可以合并為水吸收NO2的總反應(yīng)方程式：

其反應(yīng)速率常數(shù)[22]表示為：

方程（4）與方程（8）聯(lián)立計算求解得到T <225℃時第一步為速率控制步驟，因此在煙氣溫度為50℃～140℃的篩板式水洗塔中，生成的NO2與H2O迅速反應(yīng)生成2/3的HNO3被噴淋水吸收，生成1/3的NO繼續(xù)被氧化為NO2后進行下一循環(huán)吸收。此外，在水洗塔噴淋水循環(huán)過程中，HNO3的存在能夠提高NO2的吸收效率[24]。

4 結(jié)論

（1）對煙氣采用余熱回收和篩板水洗復(fù)合處理方式，適用于低排放的高溫爐窯煙氣處理，有效利用余熱并充分降溫，同時降低PM、SO2、NOx的排放，是一種新型高效的處理方式。

（2）系統(tǒng)獨立性強，對燃燒爐工藝要求低，布置靈活，動力設(shè)備便于維護，是一種高性價比的環(huán)保設(shè)備，在新時代發(fā)展理念及工業(yè)企業(yè)綠色生產(chǎn)要求背景下可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益，具有良好的推廣價值。

（3）通過PID調(diào)節(jié)方式，利用微壓變送器測量值控制負壓風(fēng)機運行頻率，通過保持煙囪測壓點壓力穩(wěn)定保證煙氣排放順暢，進而保證燃燒爐運行平穩(wěn)，爐溫波動和運行穩(wěn)定性優(yōu)于增加煙氣處理系統(tǒng)前，表明該控制方式響應(yīng)速度快，參數(shù)跟蹤及調(diào)節(jié)效果好。

（4）當(dāng)煙氣溫度降低到200℃以下，大量NO被氧化為化學(xué)活性高、水溶性好的NO2，在水洗塔中NO2與H2O迅速反應(yīng)生成2/3的HNO3被噴淋水吸收，生成1/3的NO繼續(xù)被氧化成NO2后進行下一循環(huán)吸收，使得NOx排放濃度降低30%以上。