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行业知识
水泥工业窑尾烟气脱白工艺
目前,我国有一部分水泥厂采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺进行烟气脱硫,脱硫后的饱和湿烟气排入大气后,水蒸气冷凝形成白色烟羽对环境造成了一定的污染。该文结合水泥工业窑炉湿
  目前,我国有一部分水泥厂采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺进行烟气脱硫,脱硫后的饱和湿烟气排入大气后,水蒸气冷凝形成白色烟羽对环境造成了一定的污染。该文结合水泥工业窑炉湿法脱硫的特点,对白色烟羽的治理机理和工艺路线进行了阐述,对目前水泥厂烟气脱白和治理二次污染具有一定的参考价值。
  引言
  根据中华人民共和国国家标准GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》,自2015年7月1日起,国内新建水泥窑生产线执行SO2排放限值200mg/m3,重点地区企业执行SO2排放限值100mg/m3,现国内SO2超标较多的水泥生产线主要采用烟气湿法脱硫系统,但由于湿法脱硫系统出口处烟气中含有大量水蒸气,当温度较高的烟气与温度较低的冷空气接触后,烟气降温将导致烟气中的水蒸气冷凝析出,在烟气中形成小液滴,而小液滴对光线的折射、散射作用,使烟囱出口的烟羽呈现灰白色,产生视觉污染。小液滴中除了凝结水以外,还有许多硫酸盐、灰尘等杂质,对环境造成一定污染。
  1 烟气脱白技术方案的比选
  烟气脱白技术是一个综合治理的工程,具体治理方案可以从以下几方面着手:1)降低烟囱相对湿度。2)降低烟囱绝对湿度。3)增加有效烟囱高度。4)烟囱的合理设计。
  烟气冷凝技术是以降低烟囱绝对湿度为机理,降低烟气温度后,烟气中的饱和蒸汽量减少。但由于降温后的烟气还是饱和湿烟气,当烟气进入大气环境后继续降温,会有小液滴析出。因此,烟气冷凝技术从理论上不能完全避免白色烟羽的形成。同时由于在冷凝过程中,水蒸气相变为水需要释放大量的相变潜热,对冷凝设备要求较高。
  烟气再热技术是以降低烟囱相对湿度为机理,提高烟气温度即增加了湿烟气的不饱和度,烟气在与大气环境接触后降温即不会凝结成小液滴。烟气再热技术只涉及到烟气的升温,而不牵涉到相变,所以整个过程所需要的热量比烟气冷凝技术释放的潜热要少得多,对设备要求较低。从理论上来说,烟气再热技术可以完全避免白烟的产生,但要完全避免,对设备的投资也会相对较大。
  在前两种技术不能完全避免白烟的产生时,可以通过调整烟囱的有效高度来抑制白烟的聚集。由于有效烟囱高度直接影响烟气的湍流扩散,确定有效烟囱高度,对污染浓度和烟囱高度计算都有重要意义。如烟囱位于低洼地区时,直排烟囱的烟气不易扩散,易造成严重的白色烟羽聚集。
  如果烟囱流通通道中形成大量蒸汽和一些液体携带(没有伴热系统的烟囱比装有再热系统的烟囱发生上述情况的几率更大),烟气内的液相仅通过重力作用与气相分离,如果液相内液滴颗粒不够大,在下落过程中,很可能再次被烟气抬升。因此要考虑烟囱的集液装置来收集烟道和烟囱表面所有沉积的液体和冷凝液。
  比较烟气冷凝技术和烟气再热技术工艺,从经济和技术上来看,烟气再热技术比较适合水泥厂现有条件。本文以某厂4000 t/d及2000 t/d水泥熟料生产线烟气脱硫项目为例说明烟气再热技术,不阐述有关烟囱的相关内容。
  2“白色烟羽”处理机理
  从图1可以看出,当烟气温度从A点降低至C点时,曲线ADFC和直线AC之间的区域为白烟产生区域,如果将烟气温度从A点加温至B点,烟气温度再从B点降低至C点,则不会产生白烟区域。
  主要有两个因素影响是否白烟产生,一是烟气温度,二是烟气压力。吸收塔内烟气压力和外界环境压力差别不大,不影响白烟的产生;当湿烟气排出烟囱与外界空气混合时,随着烟气温度的下降,烟气中水蒸气的饱和度降低,从而产生大量小液滴,并形成白烟。
  图1 烟气饱和含湿量和温度的关系
  从图1可看出,减少“白色烟羽”的处理机理是增加烟气温度,提高脱硫塔出口湿烟气的不饱和度,使得在降温的过程中,湿烟气始终处于不饱和状态,即可不产生白烟。
  3 项目背景
  某厂4000 t/d及2000 t/d水泥熟料生产线烟气脱硫项目烟气总量为800000Nm3/h,两条生产线共用一台脱硫塔,经脱硫改造后,脱硫塔出口烟气温度为50℃,经过直排烟囱排烟后出现“白色烟羽”并伴随石膏雨。现拟定上一套MGGH系统,减轻甚至消除“白色烟羽”和石膏雨的现象。
  4 项目设计
  脱硫塔出口烟气温度为50℃,根据烟囱出口处烟气温度的经验算法:
  
  在本项目中,吸收塔为烟塔合一结构,吸收塔出口高度为30米,烟囱出口高度为100米。
  
  图2夏季烟气饱和含湿量和温度的关系
  从图2可以看出,夏季,烟囱出口外界温度约20℃,烟气从C点(43℃)先加热到D点(约60℃),再降温至A点(20℃),烟气温度依次经过CDBA时,不会产生“白色烟羽”。
  烟气加热时换热量的计算公式如下:
  
  图3冬季烟气饱和含湿量和温度的关系
  从图3可以看出,冬季,烟囱出口外界温度约0℃,烟气从B点(43℃)先加热到C点(约80℃),再降温至A点(0℃),烟气温度依次经过BCA时,不会产生“白色烟羽”。
  烟气加热时换热量的计算公式如下:
  
  本项目采用MGGH(烟气换热器),换热器中的换热介质热媒水在脱硫塔前原烟道上的降温换热器中被加热后,送至脱硫塔后净烟道或烟囱上的升温换热器加热净烟气。采用热媒水循环泵输送热媒水,考虑热媒水在升温时会产生膨胀,在循环管路上设置一个膨胀罐。
  MGGH结构形式如图4。
  
  图4 MGGH系统示意图
  MGGH与传统GGH不同点在于,MGGH采用热媒水传热,烟气降温侧与烟气升温侧完全分开,不存在烟气泄露而产生的相互影响,原烟气中的SO2和飞灰不会因设备密封问题而泄露到净烟气中。MGGH不采用其他热源对烟气进行加热,因此有很好的经济性。可以通过循环热媒水的流量来调节热量,来控制在不同外界温度下所需要的烟气温度,同时保持烟道温度高于酸露点温度以防止SO2的腐蚀。
  同样,根据,可计算出降温换热器处烟气降温后温度,同时由于热量损失,考虑1.1倍的系数。
  夏季,原烟气经过降温换热器,温度从150℃降至130℃;
  冬季,原烟气经过降温换热器,温度从150℃降至110℃。
  烟气酸露点的计算公式如下:
  
  经核算,水泥窑尾烟气中SO3含量很低,原烟气酸露点小于100℃,故在原烟气降温过程中不会达到酸露点。
  在设计MGGH时,要考虑如下几个方面:
  1)考虑到烟气中有一定的粉尘含量,在MGGH换热管的迎风面需安装防磨装置。
  2)为了提高换热率,MGGH换热管采用翅片结构。
  3)为避免MGGH内部产生积灰,故需要安装清灰辅助手段,本项目中采用声波吹灰器。
  4)高温区段换热管可选择中厚壁、20 号钢材,低温区段的换热管可选择ND钢等优质的抗腐蚀材料,以提升抗腐蚀性能。
  采用MGGH技术在脱白的同时,还具有如下作用:
  1)减轻尾部烟道和烟囱的腐蚀。净烟气温度被加热到高于水露点以后,减轻了烟囱内部水分的结露附着,防止形成稀硫酸。
  2)烟气温度升高可以提高烟气的抬升高度,降低污染物落地浓度。
  3)进入脱硫塔内的原烟气温度降低,减少了脱硫塔内水分的蒸发,减少脱硫耗水量。
  5 结束语
  水泥厂湿法脱硫后产生的脱白问题,可以通过烟气再热技术解决。在湿法脱硫后安装MGGH(烟气换热器),可以有效控制白色烟羽及石膏雨的产生。相对于GGH,MGGH没有漏风、腐蚀、堵塞的情况。同时MGGH采用热媒水在原烟气和净烟气之间传热,不需要额外提供热源,经济效益明显,是未来水泥窑系统脱硫改造的必然发展方向。
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