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烟气脱白助力钢铁、焦化环保达标、绿色转型发展

产品详情

1 烟气脱白的概念

大概5-10年前,排烟多(见图1a)却少有雾霾;经过多年治理,现在黑烟、黄烟少了而雾霾多了,常见以湿法脱硫为主的大白烟(见图1b)。烟囱排出的湿烟气与环境冷空气混合,在降温过程中,所含的水蒸气饱和凝结,凝结水雾滴对光线产生折射、散射,使烟羽呈现出白色或者灰色,被称为“湿烟羽”,俗称“大白烟”,烟气脱白就是指去除大白烟(见图1c).大白烟的源头是水分,烟气中饱和水蒸气是吸热产生的,含有大量潜热,因此,烟气脱白的关键就是排放烟气的温度、湿度控制。

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   a-过去                                                     b-现在                                                c-将来


2 烟气脱白的目的和功能

由于烟气脱白刚起步,对于为什么烟气脱白,有不同的理解。笔者认为,排烟实现一年四季无白是起码的要求,可以减少对飞行、高速公路的影响,解决视觉污染的同时,应该至少还有四个功能:有利于除雾霾、节水、节能、处理废水,见图2.尽管业界对烟气脱白能否有助于除霾还有不同看法,但有助于除雾、节水、节能已经得到初步的业绩验证,下面分别介绍探讨如下。

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2.1 除雾霾

烟气中蒸汽的密度是0.804kg/m³,比空气轻,离开烟囱后很容易上升,与环境低温空气混合降温后,水蒸气饱和冷凝为水滴,水滴的密度是1000kg/m³,颗粒细,密度远比空气大的水滴在大气层中悬浮累积形成雾,浓雾影响飞行、高速公路交通,通过风、雨、雪可以刮走或凝结降落,遇静稳天气,浓雾就像一个大盖子,本身就有溶解性颗粒析出,还阻隔、吸收其他污染源颗粒物的扩散,在雾层中累积,就形成了雾霾,这就是我国频繁出现雾霾的成因和过程。以直接喷淋除湿为基的烟气脱白可以去雾霾,减少大雾天气,特别重要的是可以协同、低成本实现粉尘、二氧化硫、氮氧化物、重金属、有机污染成分的达标和超低近零排放,使环保又纯投入转变为有效益。

2.2 节水

基于以下方法可以估算出,我国每年人为排放到大气中的水分超过160亿吨:

1) 煤电、热电行业:每燃烧1吨标煤,湿烟气带走水分1吨、循环水冷却塔排水5吨,煤电、热电行业每年排到大气中的水分超过120亿吨。

2) 钢铁行业:每生产1吨钢,放散1.5吨水分,全行业每年排放水分约15亿吨。

3) 煤焦化行业:每湿熄1吨焦炭,排放0.5吨水分,焦炉烟道气湿法脱硫、干法脱硫都排放水分,合计煤焦化行业每年向大气排放水分超过2亿吨。

4) 天然气燃烧:每燃烧1m³天然气,会产生2m³、1.55kg水蒸气,全国每年排放超过3亿吨水分。

此外,还有水泥、建材、有色金属、石油化工等行业。

人为排放大气160亿吨的水分,与大自然的水循环量相比,却是小数目,但这是在大自然正常循环基础上增加的,特别是我国经济发展不均衡、发达地区排放强度是全国平均值的10倍以上,不均匀。我国能耗、排放巨量的国情决定,在中国做烟气脱白,须充分重视节水。水分上天是雾霾、收回来就是资源,特别对于西部缺水企业而言,回收水分更有意义。大气水分是我国不可忽视的重要非常规水源。

对于钢铁行业,全国吨钢消耗新水3吨,外排水1吨、烟气带出水分1.5吨。钢铁企业的“零排水”应包括“令排汽”,做到近零排汽、回收冷凝水作为新水回用,就可以做到近零取新水,不足部分用生活污水中补充,从而实现近零排水、近零排汽、近零消耗新水,不仅使企业获得显著经济效益,也会促进自然水体的改善。

焦化湿熄焦、焦炉烟道气湿法脱硫、循环水冷却排水都能通过烟气脱白低成本回收“蒸馏水”,直接回用,处理后甚至可以作为软水供给锅炉。通过脱白,还可以深度处理利用城市中水,回收烟气冷凝水,企业完全能做到“零新水”(见图3),摆脱环保困扰,低成本、有效益地实现焦化企业绿色转型发展。

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 2.3 节能

 采用以除湿为基的烟气脱白,假设回收70%排汽,全国每年可以回收相当于100多亿吨水蒸气的热量,用于采暖、加热矿粉、煤粉,具有相当显著的节能效益。对于钢铁行业,相当于吨钢回收1吨以上水蒸气的余热,利用后会有可观的经济效益。比如,河北某市回收一个钢厂的低温余热,一期可以为城市提供600万平方米、提供1200万平方米的采暖,余热作为采暖供热基础负荷、原有供热锅炉用于调峰,直接节煤、节天然气、节电,节能同时兼顾了大气治理。这是国家发改委、住建部力推余热暖民工程的主要目的。

2.4 处理利用废水

直接喷淋脱白不仅不新产生废水,还有助于处理原来的难处理废水。湿法脱硫废水、焦化废水、综合污水处理产生的浓盐水都是难处理、投资处理成本高的废水,采用膜处理为主的常规处理方法难以做到“零排放”或难以低成本“零排放”,采用直接喷淋除湿脱白后,阻隔了烟气中污染物从水中向大气中的转移,利用烟道气余热和残氧热解热氧化、无害化消解废水中的COD有机成分、吸收稀释氨氮,用喷雾蒸发浓缩、干燥去除溶解盐,可以大幅度减少废水处理投资,特别是降低处理成本。

3 烟气脱白技术

 水在吸热升温到一定温度时会变成水蒸气;而除去水蒸气中的热,使其温度降低到结露温度,蒸汽又凝结为水,这是自然界普遍存在的可逆过程。湿烟气中的水蒸气一部分来自于燃烧和工艺过程,一部分来自于湿法脱硫、除尘水分的蒸发。气体除湿是空调领域的常规技术,如前述,湿烟气脱白的关键是将排烟决对湿度和相当湿度控制的尽量低,货改变水蒸气状态。参考空气调湿技术,烟气脱白主要可选择的技术有:

1)升温脱白:以湿法脱硫为例,保持脱硫后50℃湿烟气的湿度不变,通过等湿升温实现脱白,比如气气换热升温GGH(Gas-Gas-Hedter)、冷媒烟气换热升温MGGH(Media-Gas-Gas-Hedter),将饱和湿烟气从50℃升高到约80℃,烟囱不仅不用防腐、也看不到白雾,缺点是烟气降温冷却温度只有5-8℃,能回收的冷凝水和净化烟气残余污染物的能力有限,设备造价高、体积大、阻损大,已经被许多专家否定,甚至被一些地方限制采用。

2)机械脱白:采用湿式静电除尘除雾器、多级屋脊式除雾器、管束式除雾器、浮球式除雾器,都能有效精除尘除雾,可以解决“石膏雨”,也有一定的脱白效果,但只能回收湿烟气中不到1%的水分,回收水分少、不能回收余热。

3)混风脱白:向湿烟气中混入干烟气,降低烟气相对湿度,国内外都有采用混风脱白的案例,其设备简单、容易实现,问题也是不减少烟气中的污染物,也不回收水分和余热,纯增加能耗,只能解决视觉污染。

4)冷冻脱白:降低烟气温度和湿度,使水蒸气冷凝为水,降低烟气温度有两种方法:一是采用直接喷淋冷凝,二是采用换热器间接冷却。直接喷淋冷却既能深度去除烟气中的可溶性污染物,也可以深度回收水分和余热。

5)吸附脱白:采用固态吸附材料如分子筛、沸石吸附烟气中的水分,比如制氧机入口空气采用分子筛除湿。

6)溶液脱白:向湿烟气中喷入浓盐溶液,通过复合盐溶液吸收烟气中的水分,目前国内已经有采用开式溶液热泵除湿脱白的参考案例。

7)混合脱白:组合采用上述不同方法,现在市场上脱白技术多是组合脱白,共有10多种可以选择的脱白技术,需要超前判断、谨慎选择,以免返工。

4 以直接喷淋除湿为基的复合脱白技术---符合国情、厂情的可行技术

   在大气压力下,湿烟气的饱和含湿量只与饱和烟气温度相关,这在许多相关技术手册中都可以查到,也可以计算。为方便讨论,以1Nm³的干烟气 为基数,将其饱和含湿量与饱和温度的关系列于表1,也粗略列出了钢铁、焦化企业需要烟气脱白的工序点。

表1  大气压下湿烟气饱和含湿量与饱和温度的对应关系


湿烟气饱和温度,

饱和湿度g/Nm³

备注

0

4.93


5

6.98


10

9.86


15

13.84

我国最湿月份大气平均温度

20

19.1


25

26

直喷除湿脱白

30

35.2


35

47.45

干法脱硫

40

63.27


45

84.1

半干法脱硫

50

111.8

湿电、旋流、声波、GGH

55

148.4

湿法脱硫

60

197.5

转炉湿法除尘

65

264.9

转炉干法除尘

70

359

转炉闷渣

75

498

连铸二冷蒸汽

80

712.5

湿熄焦、高炉水冲渣

随着技术进步,开发符合国情的烟气除湿脱白技术,来解决保护环境与经济发展矛盾已是大势所趋、并且已有了实践案例,以直接喷淋冷凝除湿为主的混合除湿技术就是其中一种。将脱硫后50℃湿烟气深度冷却到40℃以下、逐步降低到接近大气平均温度25℃,先冷凝除湿、协同除去多污染成分,再小幅升温或混风脱白。

该技术有以下特点:

1)湿烟气含湿量从111.8g/Nm³降低到26g/Nm³以下,与大气平均含湿量接近,低成本除湿脱白有助于解决我国大气雾霾污染。

2)回收湿烟气中冷凝水,与换热器冷凝只能回收排烟水分的20%-30%不同,直接喷淋除湿脱白可以回收湿烟气中50%-70%水分,比如100万立方米烟气量采用直接喷淋除湿脱白,每小时可回收冷凝水80万吨以上,脱硫不仅不耗水,还能回收原始烟气中大部分水分。

3)烟气中含有大量低温余热,回收用于民用采暖、热水、制冷或低温发电,完全可能抵顶烟气净化达标、除湿脱白成本,甚至有效益。

4)将烟气中残留的细颗粒粉尘、二氧化硫、酸、重金属等水溶性污染成分冷凝进入排水中,是实现烟气低成本达标排放、甚至超低近零排放的可选择技术之一,可以大幅降低企业环保达标、超低近零排放负担。

5)处理利用废水:湿法脱硫、除尘目前多在处理利用废水,可以保持现有处理利用废水的供排水平衡、继续利用废水时,增加利用烟气余热和残氧处理,利用脱硫废水、焦化废水、浓盐水等高投入、高成本、难处理废水,缓解湿法脱白存在的问题。

5 烟气脱白技术的评价标准和检测方法

由于烟气脱白刚起步,目前还没有统一的国家或行业标准,在开始实施烟气脱白的几个地方政策要求中,是以控制石膏雨、有色烟雨为主要目标。基于我国能耗、排放量巨大的国情,在实施烟气脱白改造时,首先要实现排烟一年四季无白,解决视觉污染,还要充分兼顾节水、低温余热回收利用节能功能,最好再结合处理利用脱硫废水等功能。制定烟气脱白评价标准时,应考虑选择以下标准:

1)排放烟气含湿量:以湿法脱硫排烟50℃的饱和含湿量111.8g/Nm³为基数,按照回收水分50%、60%、70%确定,排放烟气含湿量分别为57、45、34g/Nm³,对应的饱和烟气温度(露点温度)分别为38/34/29℃。这样通过设定、控制、测定直接喷淋冷凝系统的最终出口温度和冷凝水量,就可以比较客观地对脱白系统进行评价,容易测定。

2)排烟相对湿度:经验表明,直接喷淋排烟温度降低到40℃以下,即使排放湿烟气,在一年大部分时间就能实现脱白,只有少部分时间有少量白烟。除湿后,低湿烟气再升温5-10℃或混入少量干烟气,就可以将排烟的湿度降低到70%以下,就可以实现一年四季排烟无白,排烟脱白后管道、烟囱也不必再做防腐蚀处理。通过湿度、相对湿度控制,就可以定量评价排烟脱白的效果。

3)排烟温度:从节能角度看,兼顾考虑烟囱排放提升力,应设定排烟上限温度,比如不超过50℃。

4)其他指标:还可以选择余热回收率和废水处理量等指标,辅助评价脱白改造的效果和效益。

通过检测直接喷淋冷却进出口的饱和烟气温度,就可以判定烟气的含湿量和相对湿度,再通过测定冷凝水量和循环水温差,就可以评价节水、余热回收效果,据此就可以建立起完整的烟气脱白技术评价标准和检测系统。

6相关问题讨论

湿烟气的直接喷淋冷凝除湿脱白技术与升温除湿技术虽然温差相近、方向相反,但冷凝所需冷量却是升温所需热量的6倍,主要是湿烟气中所含水蒸气的冷凝潜热。冷凝除湿从技术层面上讲是没有问题的,并且有多种不同冷凝工艺可供选用,关键也是投资多少、是否经济的问题。研究表明,要使冷凝除湿脱白技术经济可行,首先须解决大量廉价冷源,二是回收的冷凝水能得到回用,低温余热最好也得到利用,分别讨论如下:

1)廉价冷源:采用冷凝冷却就须有低于目标温度冷源,而且冷源温度越低、温差越大越好,从除湿脱白角度考虑,应优先选择自然冷源,比如江河海地下水,北方寒冷地区冬季冷空气,自然冷源不足或从回收利用余热角度讲,就须采用人工冷源,比如蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵等,在提供7℃空调冷水同时,回收低温余热。采用哪种热泵、哪种驱动能源(低压蒸汽、电、天然气、余热水等),需要结合用户的能介价格和可用来源综合考虑。

2)低温余热的用途:钢厂、焦化等低温热源、热量是富裕的,应优先内部利用,但也须考虑外供社区民用,比如洗浴、医院、学校、酒店、人工游泳池和景观等,民用热水是一年四季都需要,但相比余热量,需求量远远不足,而冬季采暖和夏季空调等季节性需求量巨大,所需能力品质也低,是低温余热比较适合的用途,用120-20℃大温差供热输送余热距离达到100km,比燃煤成本低,而与天然气供热相比,可以输送300km。

3)与湿式静电除尘器的配合使用:湿式静电除尘器是净化湿烟气的理想终端除尘器,可以确保实现超低颗粒物近零排放。目前超低排放湿电除尘器设置在脱硫塔机械除雾器后,入口烟气温度约50℃,设备造价浪费,大约20%的电场面积是用于处理水蒸气,水蒸气冷凝液pH值1-3,为防低温腐蚀,是其造价高的主要原因,而且是否能长期稳定运行也需要时间验证,特别是导电玻璃钢湿电除尘器,导电膜很薄,将直接喷淋冷凝布置在湿电除尘器前进行预处理可以解决许多问题,甚至有可能不用湿电除尘器实现超低排放,再结合采用小幅升温、混风干燥脱白,烟囱不再需要防腐。

7 结论与建议

1)为根除雾霾,我国火电、钢铁、焦化等行业的大气污染排放控制标准须增加排烟温、湿度控制,以便从法规层面加速推动烟气除湿脱白。

2)以直喷淋冷凝除湿为基的复合脱白是一种符合国情、有实际业绩支持的脱白技术。除湿后,烟气温度可先按40℃、相对湿度70%开始,逐步降低,有助于低成本环保达标排放、超低排放、出雾霾,还有节水、节能效益,可以大幅减少企业环保治理负担。

3)直接喷淋冷凝除湿预处理可以降低已装湿电除尘器的运行成本、维修费用,新建和改造项目可以考虑不要湿电除尘器,以降低投资和成本。


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