水泥工業窯尾煙氣脫白技術分析
目前，我國有一部分水泥廠采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝進行煙氣脫硫，脫硫后的飽和濕煙氣排入大氣后，水蒸氣冷凝形成白色煙羽對環境造成了一定的污染。該文結合水泥工業窯爐濕法脫硫的特點，對白色煙羽的治理機理和工藝路線進行了闡述，對目前水泥廠煙氣脫白和治理二次污染具有一定的參考價值。
根據中華人民共和國國家標準GB4915-2013《水泥工業大氣污染物排放標準》，自2015年7月1日起，國內新建水泥窯生產線執行SO2排放限值200mg/m3，重點地區企業執行SO2排放限值100mg/m3，現國內SO2超標較多的水泥生產線主要采用煙氣濕法脫硫系統，但由于濕法脫硫系統出口處煙氣中含有大量水蒸氣，當溫度較高的煙氣與溫度較低的冷空氣接觸后，煙氣降溫將導致煙氣中的水蒸氣冷凝析出，在煙氣中形成小液滴，而小液滴對光線的折射、散射作用，使煙囪出口的煙羽呈現灰白色，產生視覺污染。小液滴中除了凝結水以外，還有許多硫酸鹽、灰塵等雜質，對環境造成一定污染。
1 煙氣脫白技術方案的比選
煙氣脫白技術是一個綜合治理的工程，具體治理方案可以從以下幾方面著手：1)降低煙囪相對濕度。2)降低煙囪絕對濕度。3)增加有效煙囪高度。4)煙囪的合理設計。
煙氣冷凝技術是以降低煙囪絕對濕度為機理，降低煙氣溫度后，煙氣中的飽和蒸汽量減少。但由于降溫后的煙氣還是飽和濕煙氣，當煙氣進入大氣環境后繼續降溫，會有小液滴析出。因此，煙氣冷凝技術從理論上不能完全避免白色煙羽的形成。同時由于在冷凝過程中，水蒸氣相變為水需要釋放大量的相變潛熱，對冷凝設備要求較高。
煙氣再熱技術是以降低煙囪相對濕度為機理，提高煙氣溫度即增加了濕煙氣的不飽和度，煙氣在與大氣環境接觸后降溫即不會凝結成小液滴。煙氣再熱技術只涉及到煙氣的升溫，而不牽涉到相變，所以整個過程所需要的熱量比煙氣冷凝技術釋放的潛熱要少得多，對設備要求較低。從理論上來說，煙氣再熱技術可以完全避免白煙的產生，但要完全避免，對設備的投資也會相對較大。
在前兩種技術不能完全避免白煙的產生時，可以通過調整煙囪的有效高度來抑制白煙的聚集。由于有效煙囪高度直接影響煙氣的湍流擴散，確定有效煙囪高度，對污染濃度和煙囪高度計算都有重要意義。如煙囪位于低洼地區時，直排煙囪的煙氣不易擴散，易造成嚴重的白色煙羽聚集。
如果煙囪流通通道中形成大量蒸汽和一些液體攜帶(沒有伴熱系統的煙囪比裝有再熱系統的煙囪發生上述情況的幾率更大)，煙氣內的液相僅通過重力作用與氣相分離，如果液相內液滴顆粒不夠大，在下落過程中，很可能再次被煙氣抬升。因此要考慮煙囪的集液裝置來收集煙道和煙囪表面所有沉積的液體和冷凝液。
比較煙氣冷凝技術和煙氣再熱技術工藝，從經濟和技術上來看，煙氣再熱技術比較適合水泥廠現有條件。本文以某廠4000 t/d及2000 t/d水泥熟料生產線煙氣脫硫項目為例說明煙氣再熱技術，不闡述有關煙囪的相關內容。
2“白色煙羽”處理機理
從圖1可以看出，當煙氣溫度從A點降低至C點時，曲線ADFC和直線AC之間的區域為白煙產生區域，如果將煙氣溫度從A點加溫至B點，煙氣溫度再從B點降低至C點，則不會產生白煙區域。
主要有兩個因素影響是否白煙產生，一是煙氣溫度，二是煙氣壓力。吸收塔內煙氣壓力和外界環境壓力差別不大，不影響白煙的產生;當濕煙氣排出煙囪與外界空氣混合時，隨著煙氣溫度的下降，煙氣中水蒸氣的飽和度降低，從而產生大量小液滴，并形成白煙。
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圖1 煙氣飽和含濕量和溫度的關系
從圖1可看出，減少“白色煙羽”的處理機理是增加煙氣溫度，提高脫硫塔出口濕煙氣的不飽和度，使得在降溫的過程中，濕煙氣始終處于不飽和狀態，即可不產生白煙。
3 項目背景
某廠4000 t/d及2000 t/d水泥熟料生產線煙氣脫硫項目煙氣總量為800000Nm3/h，兩條生產線共用一臺脫硫塔，經脫硫改造后，脫硫塔出口煙氣溫度為50℃，經過直排煙囪排煙后出現“白色煙羽”并伴隨石膏雨。現擬定上一套MGGH系統，減輕甚至消除“白色煙羽”和石膏雨的現象。
4 項目設計
脫硫塔出口煙氣溫度為50℃，根據煙囪出口處煙氣溫度的經驗算法：
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在本項目中，吸收塔為煙塔合一結構，吸收塔出口高度為30米，煙囪出口高度為100米。
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圖2夏季煙氣飽和含濕量和溫度的關系
從圖2可以看出，夏季，煙囪出口外界溫度約20℃，煙氣從C點(43℃)先加熱到D點(約60℃)，再降溫至A點(20℃)，煙氣溫度依次經過CDBA時，不會產生“白色煙羽”。
煙氣加熱時換熱量的計算公式如下：
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圖3冬季煙氣飽和含濕量和溫度的關系
從圖3可以看出，冬季，煙囪出口外界溫度約0℃，煙氣從B點(43℃)先加熱到C點(約80℃)，再降溫至A點(0℃)，煙氣溫度依次經過BCA時，不會產生“白色煙羽”。
煙氣加熱時換熱量的計算公式如下：
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本項目采用MGGH(煙氣換熱器)，換熱器中的換熱介質熱媒水在脫硫塔前原煙道上的降溫換熱器中被加熱后，送至脫硫塔后凈煙道或煙囪上的升溫換熱器加熱凈煙氣。采用熱媒水循環泵輸送熱媒水，考慮熱媒水在升溫時會產生膨脹，在循環管路上設置一個膨脹罐。
MGGH結構形式如圖4。
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圖4 MGGH系統示意圖
MGGH與傳統GGH不同點在于，MGGH采用熱媒水傳熱，煙氣降溫側與煙氣升溫側完全分開，不存在煙氣泄露而產生的相互影響，原煙氣中的SO2和飛灰不會因設備密封問題而泄露到凈煙氣中。MGGH不采用其他熱源對煙氣進行加熱，因此有很好的經濟性。可以通過循環熱媒水的流量來調節熱量，來控制在不同外界溫度下所需要的煙氣溫度，同時保持煙道溫度高于酸露點溫度以防止SO2的腐蝕。
同樣，根據，可計算出降溫換熱器處煙氣降溫后溫度，同時由于熱量損失，考慮1.1倍的系數。
夏季，原煙氣經過降溫換熱器，溫度從150℃降至130℃;
冬季，原煙氣經過降溫換熱器，溫度從150℃降至110℃。
煙氣酸露點的計算公式如下：
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經核算，水泥窯尾煙氣中SO3含量很低，原煙氣酸露點小于100℃，故在原煙氣降溫過程中不會達到酸露點。
在設計MGGH時，要考慮如下幾個方面：
1)考慮到煙氣中有一定的粉塵含量，在MGGH換熱管的迎風面需安裝防磨裝置。
2)為了提高換熱率，MGGH換熱管采用翅片結構。
3)為避免MGGH內部產生積灰，故需要安裝清灰輔助手段，本項目中采用聲波吹灰器。
4)高溫區段換熱管可選擇中厚壁、20 號鋼材，低溫區段的換熱管可選擇ND鋼等優質的抗腐蝕材料，以提升抗腐蝕性能。
采用MGGH技術在脫白的同時，還具有如下作用：
1)減輕尾部煙道和煙囪的腐蝕。凈煙氣溫度被加熱到高于水露點以后，減輕了煙囪內部水分的結露附著，防止形成稀硫酸。
2)煙氣溫度升高可以提高煙氣的抬升高度，降低污染物落地濃度。
3)進入脫硫塔內的原煙氣溫度降低，減少了脫硫塔內水分的蒸發，減少脫硫耗水量。
5 結束語
水泥廠濕法脫硫后產生的脫白問題，可以通過煙氣再熱技術解決。在濕法脫硫后安裝MGGH(煙氣換熱器)，可以有效控制白色煙羽及石膏雨的產生。相對于GGH，MGGH沒有漏風、腐蝕、堵塞的情況。同時MGGH采用熱媒水在原煙氣和凈煙氣之間傳熱，不需要額外提供熱源，經濟效益明顯，是未來水泥窯系統脫硫改造的必然發展方向。
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