湿法脱硫烟气混兑热空气消白技术分析研究

李玖重，孙志钦

（中石化炼化工程（集团）股份有限公司洛阳技术研发中心，河南洛阳 471003）

目前，国内绝大多数湿法脱硫系统脱硫塔出口烟气温度在50～60℃之间，烟气不经过加热，直接以饱和湿烟气的形式排放。由于烟气中含有大量的水蒸气，一旦排入大气，与冷空气接触降温，会有大量的小液滴冷凝析出，而小液滴对光线的折射、散射作用，使得烟囱出口的烟羽呈现白色或灰色，故称为“湿烟羽”，即所谓的“白烟”[1]。白烟现象不仅造成大量水资源的浪费，还会形成明显的视觉污染，为企业带来巨大的社会舆论压力。同时，湿烟气的温度比较低，从烟囱排出后抬升高度较小，会造成地面污染浓度相对较高；并且湿烟气中含有一定量的酸性成分和细颗粒物，湿烟羽在扩散过程中凝结析出的小液滴飘落到地面会对周边形成环境污染[2]。也有研究表明湿烟气中水蒸气可能在扩散过程中冷凝形成降水，影响局地气候；并在一定的气象条件下水蒸气持续大量的排放将有助于雾霾的形成[3]。2017年以来，上海、天津、邯郸等地相继发布地方标准和政策要求，对治理白色烟羽的具体指标、完成时间等进行了明确规定。消除烟囱冒白烟现象已成为目前急需解决的问题，相关的治理工作已在全国陆续展开[4]。

1 湿法脱硫烟气消除白烟技术

湿法脱硫烟气消除白烟的关键在于提高脱硫塔出口饱和湿烟气的不饱和程度，使其在与环境空气混合过程中始终不会变为饱和状态，湿烟气中的水蒸气也不会凝结、析出，即可达到消除白烟的目的[5]。目前，有两种提高湿烟气不饱和程度的方法，一种是直接法，通过高温气体与脱硫净化烟气直接混合，实现湿烟气升温，提高烟气不饱和程度；另一种是间接法，利用高温热源通过换热设备加热湿烟气，提高烟气的不饱和程度，高温热源通常利用现场余热作为加热热源。

间接法通过换热设备对湿烟气进行加热升温，会使烟气侧阻力增加较多，并且湿烟气中携带的脱硫浆液液滴、机械水雾滴，在加热过程中会使换热设备发生腐蚀和堵塞现象，降低换热设备效率，影响其使用寿命。直接法没有换热设备和堵塞等问题，烟气侧阻力增加较少，投资和运行费用低，操作比较灵活，适用范围更加广泛[6]。混兑热空气消白技术是直接法中较有潜力的一种消白技术，其将一定量的高温空气混兑入脱硫塔出口的饱和湿烟气中，使烟气扩散过程始终处于不饱和状态，以达到消除白烟的目的。可以利用厂区的大量中低温余热作为加热热源，有利于企业节能减排，应用前景广阔[7]。

图1 混兑热空气后烟气的湿度随温度变化

图2 混合状态点对烟气温度和湿度的影响

2 混兑热空气消白技术

烟囱的白烟现象不仅与烟气的含水量及温度有关，也与当地气候条件有关[8]。饱和湿烟气混兑热空气后烟气的湿度随温度变化如图1 所示，图中A点即为当地的气候条件，出脱硫塔的饱和湿烟气为图中的B点，即处于饱和状态，与热空气混合的过程沿路径BDE进行，混合烟气的状态点在B与E之间。直线AD 为经过环境状态点A 的烟气饱和曲线的切线，若混合烟气状态点位于直线AD 左上方，烟气向大气扩散过程中会进入白烟区域，或多或少会出现白烟现象；若混合烟气的状态点位于直线AD 上或其右下方，烟气扩散过程中不会进入白烟区域，一直处于非饱和状态，整个扩散过程都无白烟现象。热空气混兑消白技术要求混兑后烟气的状态点应位于直线AD上或其右下方。

2.1 混兑热空气的温度范围

混兑热空气状态点E的温度t有一个取值范围，其温度上限受到加热热源的限制，假定图1 中的温度t2为热空气能够达到的最高温度，则混兑热空气的温度t ≤t2。t1为饱和曲线的切线BE1与空气加热直线AE 的交点E1所对应的温度。当热空气温度低于t1时，空气与饱和烟气混合的过程为BC0E0，在BC0段混合烟气进入白烟区域，有部分水蒸气冷凝析出，并会使烟气夹带大量的过饱和水，从烟囱排出后立刻就有白烟现象，为了达到完全消除白烟的目的，混兑的热空气温度不应低于t1。因此，混兑热空气E点的温度t取值范围为t1≤t≤t2。

2.2 混兑热空气的吸热量

如上所述，热空气混兑消白技术要求混兑后烟气的状态点应位于直线AD 上或其右下方，如图1所示，处于状态点E温度为t的热空气混入处于状态点B的饱和湿烟气中，混合后烟气的状态点处于线段BE 之间。要达到消除白烟的目的，此时混兑后烟气的状态点则应位于线段DE之间。

给定混兑热空气的温度为t，如图2所示，脱硫饱和湿烟气与热空气混合后的状态点为O，O 点位于线段DE 之间。根据质量守恒定律、热量平衡和湿量平衡有[9]：

式中：MB—饱和湿烟气的质量流量；ME—混兑热空气的质量流量；dB—饱和湿烟气的含湿量；dE—混兑热空气的含湿量；dO—混合点O的含湿量；hB—饱和湿烟气的焓值；hE—混兑热空气的焓值；hO—混合点O的焓值。

则混兑的热空气的吸热量Q：

环境温度下空气的焓值hA为定值，饱和湿烟气的质量流量MB为定值，混兑空气温度t 为给定值，混兑热空气的焓值hE也为定值，则OB/OE值越小，混兑热空气的吸热量越小。

故OB/OE ＝DB/DE 时，混兑热空气的吸热量最小，即在混兑热空气温度一定的条件下，热空气与烟气混合后的状态点位于直线AD 上，混兑热空气消白技术能耗最小。

热空气与饱和湿烟气混合后的状态点位于直线AD上，由图3可知，此时混兑热空气吸热量Q：

式中：tA—环境温度；tB—饱和湿烟气的温度；tE—混兑热空气的温度；tF—饱和湿烟气升温消白所需的最小温度。

湿空气的焓值与温度和湿度成正比，空气加热过程含湿量未发生变化，则空气的焓值仅与温度变化有关，湿空气焓值h与温度t和湿度d的关系式为[10]：

空气从状态点A 加热至点E，空气含湿量未发生变化，则从状态点A加热至点E的吸热量Q为：

混兑热空气的含湿量dE为定值，则空气吸热量Q可以简化为：

其中k为常数。

当地气候状态点A的温度和含湿量已知，则饱和曲线的切线ACD不变，切线方程可以推导出来，加之脱硫塔出口饱和湿烟气的流量、温度和湿度给定，则F点的温度和湿度唯一，tF－tB在此条件下是一个定值，由此空气从状态点A 加热至状态点E的吸热量Q 就是一个定值。因此，在气候条件已知，脱硫塔出口饱和湿烟气的参数确定的情况下，混兑热空气消白技术混兑热空气的最小吸热量Q是一个定值，与混兑空气的流量和温度无关。

图3 热空气吸热量最小时烟气温度和湿度的关系

图4 混兑热空气温度对质量流量比及换热温差的影响

3 混兑热空气消白技术经济性分析

由上述分析可知，混兑热空气消白技术混兑热空气的最小吸热量Q是一个定值，但混兑热空气的温度和流量可以变化，换热设备及高温热源也可以变化，其对应的设备投资、运行费用、热源费用也不同。因此，需综合考虑设备投资、运行成本、高温热源消耗、使用寿命等因素对混兑热空气消白技术经济性的影响，当设备年折旧费用、系统年运行费用、热源年费用之和最小，混兑热空气消白技术最具有经济性[11]。

图4为相同热源下，热空气/湿烟气的质量流量比R及换热设备换热温差△T随热空气温度t的变化曲线。热空气温度升高，热空气/湿烟气的质量流量比R 逐渐减小，消除白烟所需的热空气量随之减少，增加的阻力相应减小，电耗随之降低。换热温差△T 随热空气温度升高逐渐降低，获得相同热量的热空气，换热面积随热空气温度升高而增大，设备投资随之增加。设备投资费用和系统运行费用是影响混兑热空气消白技术经济性的主要因素，相互之间彼此制约。

以100万t/a催化裂化装置为例，脱硫塔出口饱和湿烟气流量为200 000 kg/h、温度55℃，采用混兑热空气消白技术，利用脱硫前200℃的高温烟气获得混兑热空气，换热最小温差取10℃，当地环境温度为10℃，由计算可以得出混兑热空气的温度范围为38℃≤t≤190℃。

换热设备选取搪瓷管式空气预热器，设备使用寿命为5年，年运行时间8 400 h，热空气温度选取38℃、130℃、190℃进行混兑热空气消白技术的经济性分析，分析结果如表1所示。

表1 典型100 万t/a 催化裂化装置脱硫烟气混兑热空气消白技术核算结果

由表1 可以看出，加热热源和换热设备型式相同的情况下，混兑热空气温度和流量的不同会引起设备投资和系统运行费用的不同，此时设备年折旧费用、系统年运行费用最低时，混兑热空气消白技术最具经济性。对于100万t/a催化裂化装置，混兑130℃中温空气，系统经济性能较优，年综合费用为127.2 万元。实际应用中，设备投资、系统运行费用、高温热源消耗、使用寿命、运行时间等因素对混兑热空气消白技术经济性影响较大，需根据具体情况进行综合全面分析。

4 结论

1）烟气和热空气混合后的状态点在经过环境温度点的烟气饱和曲线的切线上或其右下方，可以有效消除白烟现象。当混合后的状态点位于切线上时，混兑热空气消白技术能耗最小。

2）在环境条件和饱和烟气参数给定情况下，混兑热空气的最小吸热量是一个定值，与混兑空气的流量和温度无关。

3）设备投资、系统运行费用、高温热源消耗、使用寿命、运行时间等因素对混兑热空气消白技术经济性影响较大，需根据具体情况进行综合分析。

4）典型的100 万t/a 催化裂化装置，采用脱硫前的高温烟气预热空气，混兑130℃中温空气，系统经济性能较优，年综合费用为127.2万元。