基于Excel实现烟气除湿脱白工艺参数计算

＊孙基博

（广东美致力环保科技有限公司深圳分公司 广东 518172）

综合国内现状，大气污染湿法治理无论是湿法脱硫、湿法脱硝还是湿法除尘后排放的烟气均携带大量水蒸气，湿烟气进入温度较低的环境大气中，不仅造成大量水资源的浪费，还会形成“白烟”现象，产生视觉污染，为企业带来巨大的社会舆论压力。

以湿法脱硫为例，湿法脱硫工艺占脱硫总装机容量的83.02%，而其中的石灰石—石膏法是目前世界上技术最成熟，实用业绩最多，运行状况最稳定的脱硫工艺[1]，该治理工艺排放的湿烟气温度在40～55℃左右，含湿量介乎近饱和状态。低温饱和湿烟气直接经烟囱排放，与温度较低的环境大气混合，烟气中大量的水蒸气遇冷凝结为小液滴，经光线的折射或散射作用，湿烟气呈现白色或者灰色，即所谓的“白烟”。

近年来，无论从电力行业还是其他行业，普及实施了烟气脱硫、脱硝、除尘等超低排放标准，主要污染物如颗粒物、SO2、NOX排放量都大幅度降低，而雾霾却比十多年前愈发严重了。研究分析指出雾霾出现的元凶是湿法脱硫后排放的高湿度烟气以及排烟水分中溶解性颗粒物[2,3]。

脱白是工业生产和人们日常生活中经常遇到的问题。当烟气的温度降到低于露点温度时，存在于烟气中的一部分水分就冷凝成雾或者露，从而出现较为明显的白色烟羽。可将烟气脱白过程类比为“杯子理论”，杯子即为空气，杯中水为空气的含湿量，杯沿低或水液位高均会导致水溢出（即烟气会产生白雾），要想水不溢出，最根本办法就是提高杯沿和降低杯中水液位。故而，最可靠的去除烟气白雾的方法为降低烟气含湿量或增大烟气含湿容量。

1.脱白工艺参数计算用Excel的实现过程

（1）脱白工艺。烟气脱白常用的工艺采用升温法、冷凝法或两者组合方法[4]。

烟气升温法将湿饱和烟气升到较高温度，增大烟气的含湿容量，外排即可脱除白雾。

烟气冷凝法将湿饱和烟气中的大部分水分进行冷凝，降低烟气至较低含湿量，外排即可脱除白雾。

烟气“冷凝+升温”组合方法，先将湿饱和烟气的一部分水分进行冷凝，降低烟气的含湿量后，将烟气升温至一定温度，外排即可脱除白雾。

值得说明的是，冷凝法是冷却降温产生的相变，既降低了烟气的含湿量也降低了烟气温度，并非采用常规固体除湿剂[5]单纯降低气体含湿量的方法，在实际工况中也不可行。

另外，还有一种掺混工艺，饱和湿烟气与空气充分混合后，温度露点降低，达到脱白效果[6]。掺混不饱和的干空气工艺，既能降低烟气温度、又能直接给烟气增容，这一工艺虽然能脱除白雾，但并未实质脱白、向大气排放总量并未发生改变，本文不再详细介绍。

（2）脱白工艺设计参数。在特定温度和含湿量条件下的烟气在向自然空气排放，产生白烟，此条件下烟气的温度和含湿量即为脱白工艺设计的核心参数。

烟气排放扩散到自然空气中，本质是烟气与自然空气的热交换过程，热交换的过程发生水的相变，产生的冷凝水而形成白雾。所以在确定脱白的核心参数前，需要不同温度下干空气的饱和含湿量参数，整理如表1所示。

表1 干空气饱和含湿量

根据不同温度下干空气的饱和含湿量参数，绘制干空气含湿量曲线，如图1所示。

图1 干空气饱和含湿量曲线与含湿降温切线图

以北方代表城市石家庄为例，石家庄冬季平均气温-4℃、平均相对湿度为52%，即m点，根据表1数据-4℃干空气饱和含湿量为2.8g/kg，可得m点坐标为（-4,1.456）。用已知点m绘制与干空气含湿量曲线的切线，交曲线于切点t坐标为（7.169,6.228），如图1所示。

喷淋塔出口饱和湿烟气温度通常在40～55℃，40℃饱和湿烟气含水为46.3g/kg，即以A（40,46.3）为例，当饱和湿烟气向自然空气排放时，饱和湿烟气始终处于露点状态，沿着干空气饱和含湿量曲线，由A点不断向t点移动，此时饱和湿烟气不断产生白色烟羽。

当移动到t点时，即当温度降至7.169℃，饱和湿烟气恰好产生白烟的露点临界点，随后沿着干空气饱和含湿量曲线的切线继续移动，此时烟气已无白烟。

要将A点工况条件下饱和湿烟气进行脱白，需保证饱和湿烟气经过脱白工艺后、在向自然空气m点持续扩散时恰好与干空气饱和含湿量曲线相切。

脱白的三种工艺：

升温法，需将饱和湿烟气A点升温至B点（100.9,46.3），即将烟气由40℃升温至100.9℃，此时烟气由B点向自然空气m点扩散时，沿着切线移动、恰好不再出现烟气露点（仅切点t为露点），即完成脱白，如图2（a）所示。

图2 脱白路线图

冷凝法，需将饱和湿烟气A点冷凝至t点（7.169,6.228），即将烟气含湿量由46.3g/kg冷凝至6.228 g/kg，此时烟气由t点向自然空气m点扩散时，沿着切线移动，不再出现烟气露点（仅切点t为露点），即完成脱白，如图2（b）所示。

“冷凝+升温”法，将饱和湿烟气A点冷凝至C点（34,33.1），即将烟气含湿量由46.3g/kg冷凝至33.1g/kg，再讲烟气由升温至D点（70.1,33.1），即将烟气由40℃升温至72℃，此时烟气由D点向自然空气m点持续扩散时，沿着切线移动、恰好不再出现烟气露点（仅切点t为露点），即完成脱白，如图2（c）所示。

无论通过哪种工艺改变饱和湿烟气的温度和含湿量，均要求烟气目标参数在向自然空气持续扩散时不会出现露点，此目标参数即为脱白工艺设计的核心参数。

（3）Excel计算脱白工艺参数。为了适应各种工况条件下的烟气脱白设计，便于在输入初始烟气参数，即可完烟气脱白工艺设计，于是将上述核心参数寻求过程整理在Excel中。

①Excel中拟合干空气饱和含湿量曲线

先将表1不同温度下干空气的饱和含湿量参数输入到Excel表格中，以温度为横坐标，干空气饱和含湿量为纵坐标，在Excel中插入散点图，对生成的曲线添加趋势线，趋势线选项采用多项式，趋势线越契合曲线，拟合越成功，拟合图如图1所示。最终可拟合成为一元六次多项式方程：

y=3E-10x6+2E-09x5+2E-06x4+0.0002x3+0.0084x2+0.273x+3.7604 （1）

式中，y为曲线函数，即为干空气的含湿量，单位g/kg；x为曲线变量，即为温度，单位℃；E为10指数科学计数形式。

②Excel中绘制干空气饱和含湿量曲线的切线

经实际工况m点（a,b），绘制曲线的切线，需用高等数学求导过程，将公示（1）进行求导y’，即为切线斜率。m点为切线必经点，待求切点t(x,y)，则：

式中，f'(x)为求导函数，即为y’；x为切点t横坐标；a为实际工况m点横坐标；f(x)为函数，即为y，切点的纵坐标；b为实际工况m点纵坐标。

以石家庄实际工况为例，m点坐标为（-4,1.456），求得切线斜率为0.4273，切点t（7.169,6.228），如图1所示，切线方程为：

式中，y为切线函数，即纵坐标含湿量，g/kg；x为切线变量，即温度，单位℃。

③Excel中计算脱白工艺参数

喷淋塔出口饱和湿烟气实际工况点A（40,46.3），根据前文介绍脱白原理及参数，很轻松可求得升温法参数B点坐标（100.9,46.3）即升温至100.9℃可脱白和冷凝法参数t点坐标（7.169,6.228）即冷凝至含湿量6.228g/kg可脱白。

“冷凝+升温”法，以D点（70.1,33.1）为例，先降温冷凝含湿量33.1g/kg即C点（34,33.1），再升温烟气至70.1℃即D点可脱白。实际参数选择上可选B点至t点之间全部参数点，通常需要衡量“冷凝+升温”热量消耗经济性考虑、冷凝的冷源条件及升温的热源条件，均属于换热及能耗分析，本文不再一一分析。

2.结论

了解烟气产生白色烟羽的原因，分析烟气的温度和含湿量参数，有助于更加深刻了解脱白的原理。

将不同温度下干空气饱和湿度的参数在Excel中绘制出曲线并拟合为多项式方程，同时根据高等数学方法求得曲线的切线，输入实际工况参数，可以直接计算出脱白工艺路线的各个参数，大大减少了设计工作量，同时也适用于各种工况，满足使用。