生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣脫白研究與應(yīng)用

李磊 于濤 魏禮信 陳菁 豆文舉 何勇

（浙江億揚(yáng)能源科技有限公司 浙江杭州 310013）

0 引言

焚燒已經(jīng)成為城市生活垃圾處理主要工藝之一，但垃圾焚燒煙氣中的二噁英問題是目前垃圾焚燒備受人們關(guān)注的主要原因［1］，垃圾焚燒發(fā)電廠煙囪冒“白煙”現(xiàn)象，進(jìn)一步影響了社會公眾對電廠的認(rèn)可度［2］。

煙囪“白煙”治理最早由煤電廠提出，主要是為了解決燃煤電廠濕法脫硫后煙氣排放產(chǎn)生的“白煙”問題。國外主要采用干煙囪技術(shù)，即規(guī)定煙囪出口最低排煙溫度，德國規(guī)定排煙溫度不低于72 ℃，英國規(guī)定排煙溫度不低于80 ℃，日本規(guī)定排煙溫度為90～100 ℃［3-4］。近年來隨著環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，“脫白”治理問題在火電、冶金、垃圾焚燒及危廢焚燒等行業(yè)得到比較多的關(guān)注［5-6］。目前，煙囪脫白主要技術(shù)路線有：直接加熱法、煙氣冷凝法以及先冷凝后升溫法，對于處理規(guī)模較小的危廢行業(yè)，也可利用摻混熱空氣法［7-10］。

本文通過分析煙囪白煙形成的原理，對比3 種脫白技術(shù)方案，闡述了先冷凝后升溫的計(jì)算方法。以杭州地區(qū)某垃圾焚燒廠工程為例，通過分析杭州冬季氣象數(shù)據(jù)，對項(xiàng)目煙囪脫白工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，并取得較好效果。

1 “白煙”產(chǎn)生的原理

由于垃圾焚燒發(fā)電廠排煙含水率較高，通常在19%～27%。排煙含濕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出外界環(huán)境大氣含濕。當(dāng)環(huán)境空氣溫度較低、相對濕度較高時(shí)，煙氣在排入大氣后會立即進(jìn)入空氣含濕量飽和區(qū)，此時(shí)，煙氣中大量的水分析出產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。因此，白煙的本質(zhì)就是煙氣中的水分析出的現(xiàn)象。白煙產(chǎn)生原理簡化圖如圖1 所示，橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為含濕量。A 點(diǎn)為環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)，D 為煙囪出口煙氣狀態(tài)點(diǎn)。當(dāng)煙氣在環(huán)境中擴(kuò)散時(shí)，進(jìn)入飽和區(qū)（B-C）后便會產(chǎn)生白煙。

圖1 白煙產(chǎn)生原理簡化圖

因此，煙囪冒白煙可分為內(nèi)部因素與外部因素，內(nèi)部因素為煙氣溫度和煙氣濕度。煙氣中的水分是煙囪冒白煙的根本原因，水分含量越高，煙囪冒白煙概率越大，而煙氣溫度越高，煙氣在環(huán)境中冷卻時(shí)間相對充分，越不容易產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。外部因素為外界環(huán)境溫度和濕度，環(huán)境溫度越低，相對濕度越大，煙囪冒白煙的概率越大。

2 消除白煙的方法

根據(jù)對白煙產(chǎn)生的原理分析可知，當(dāng)煙氣在空氣中擴(kuò)散時(shí)，經(jīng)過水蒸氣飽和曲線便會產(chǎn)生白煙，若在水蒸氣飽和曲線下方時(shí)，便不會產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。因此，使煙氣擴(kuò)散時(shí)處于水蒸氣未飽和區(qū)是消除白煙現(xiàn)象的基本方法。

2.1 直接加熱法

直接加熱法消除白煙原理簡圖如圖2 所示。通過直接加熱方式將煙囪出口煙氣溫度抬升（D-D1），從而高溫?zé)煔庠诳諝庵袛U(kuò)散時(shí)可始終處于空氣未飽和區(qū)（D1-A），避免白煙產(chǎn)生。直接加熱法需要將煙氣溫度抬升較高，以垃圾焚燒發(fā)電廠為例，一般直接加熱法需要將煙氣溫度抬升至280 ℃左右，消耗大量熱能。

圖2 直接加熱法消除白煙原理簡圖

2.2 熱空氣摻混法

熱空氣摻混法消除白煙原理簡圖如圖3 所示。通過加熱部分空氣（A1 點(diǎn)），將熱空氣與煙氣預(yù)摻混（至D1），使得煙囪處煙氣溫度降低，含濕量降低，此時(shí)煙氣在空氣中擴(kuò)散時(shí)也可始終處于空氣未飽和區(qū)，避免白煙產(chǎn)生。熱空氣摻混法采用大量熱空氣摻混，需要加大煙囪內(nèi)徑，在夏季不需要脫白時(shí)，造成煙囪煙氣流速較低。因此，本方法并不適合常規(guī)項(xiàng)目脫白使用。

圖3 熱空氣摻混法消除白煙原理簡圖

2.3 降溫脫水再熱法

煙氣中水分是白煙產(chǎn)生的根本原因，降溫脫水再熱法消除白煙原理簡圖如圖4 所示。通過將原始煙氣降溫脫水后加熱（D-C-B-D1），使得煙氣含濕量大大降低，再加熱后可保證煙氣在空氣中擴(kuò)散時(shí)始終處于空氣未飽和區(qū)，避免白煙產(chǎn)生。降溫脫水再熱法可以回收冷凝過程中脫除水資源，同時(shí)煙氣在加熱溫度較直接加熱法大幅度降低。另外可通過GGH 設(shè)備，用原高溫?zé)煔饧訜崦撍蟮臒煔猓档蜔煔庠贌崮芎摹?/p>

圖4 降溫脫水再熱法消除白煙原理簡圖

3 降溫脫水再熱法數(shù)學(xué)模型

3.1 空氣含水量求解方程

空氣中含水量的計(jì)算見式（1）。

式中：d 為含水量；P 為空氣壓力；Ps為水蒸氣分壓力；φ 為相對濕度。

水蒸氣飽和含濕量（相對濕度φ=100%）的計(jì)算見式（2）。

由于大氣壓力基本上為定值，所以空氣含濕量僅同水蒸氣分壓力Ps有關(guān)。目前，飽和蒸汽分壓求解公式主要有7 種，分別為戈夫-格雷奇公式、馬格努斯公式、Buck［1996］公式、泰登公式、紀(jì)利公式、Hyland-Wexler 公式以及Marti-Mauerberger公式，我國在空氣調(diào)節(jié)領(lǐng)域中，主要采用Hyland-Wexler 公式［11］，見式（3）。

式中：Ps為水蒸氣分壓力；T 為溫度；c1～7為常數(shù)系數(shù)。

3.2 降溫脫水再熱求解方程

通過飽和曲線公式（2）、（3）求解環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)與飽和曲線的切線方程［式（4）］，如圖5 所示（A-K-D1）。

圖5 水蒸氣飽和曲線切線方程示意圖

式中：d 為含水量，g/kg；k 為水蒸氣飽和曲線切點(diǎn)K 處斜率；b為直線方程常數(shù)。

式（2）～（4）即為降溫脫水再熱數(shù)學(xué)方程組。在確定煙氣脫水溫度（B）后，通過式（4）的反函數(shù)即可求解再熱煙氣溫度（D1）。以上方程組通過C 語言編程求解，C 語言中采用牛頓二分法求解通過環(huán)境A 點(diǎn)的飽和曲線切線方程。

4 工程簡介

杭州某生活垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目總規(guī)模為日處理生活垃圾3 000 t，設(shè)置4 條750 t/d 焚燒線。為消除“白煙”造成的視覺污染，避免引起周圍民眾恐慌，項(xiàng)目增加“脫白”系統(tǒng)。

4.1 氣象條件

杭州歷年氣溫及濕度狀況見表1、表2。杭州平均相對濕度63%～84%，空氣含濕量較高，在冬季時(shí)存在煙囪脫白的需求。

表1 溫度情況 單位：℃

表2 平均相對濕度情況 （%）

4.2 脫白設(shè)計(jì)條件

①垃圾處理規(guī)模：750 t/d。②煙氣量：166 720 Nm3/h。③煙氣含水率：22%。④SCR 出口煙氣溫度：175 ℃。⑤環(huán)境相對濕度：75%～87%。⑥環(huán)境溫度：0～5 ℃。

4.3 脫白設(shè)計(jì)參數(shù)

煙氣溫度通過第二級濕法塔降溫至45 ℃左右，煙氣中可脫除17 t/h 的冷凝水，降溫脫水后的煙氣經(jīng)過GGH，利用原煙氣加熱至112 ℃。為保障脫白效果，煙氣通過SGH（蒸汽加熱器）進(jìn)一步加熱，從而滿足煙囪不冒“白煙”的要求。針對不同環(huán)境條件，推薦運(yùn)行排煙溫度，如圖6 所示。

圖6 推薦運(yùn)行工況

4.4 脫白效果

采用先脫水后加熱方案后，杭州垃圾焚燒發(fā)電廠在冬季煙囪白煙現(xiàn)象得到明顯改善，如圖7 所示。

圖7 煙氣脫白效果對比

5 結(jié)論

根據(jù)對白煙形成原理及煙氣脫白機(jī)理的分析，總結(jié)了目前比較常見的煙氣脫白技術(shù)路線，結(jié)合項(xiàng)目應(yīng)用得出以下結(jié)論：

（1）白煙現(xiàn)象是由于當(dāng)環(huán)境空氣溫度較低、相對濕度較高，煙氣在擴(kuò)散過程中水分析出所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。

（2）采用降溫脫水再熱法可以有效降低煙氣中的含濕量，為達(dá)到煙氣脫白效果，脫水后煙氣再熱溫度較直接加熱法大幅降低。

（3）脫白設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件有關(guān)。在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件調(diào)節(jié)脫水溫度及再熱溫度，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

（4）通過以杭州某項(xiàng)目為例，降溫脫水再熱法取得良好效果。

（5）垃圾焚燒煙囪凝結(jié)水含有污染物，如氨氮等，需要進(jìn)一步處理后方可利用。