張巖,劉文忠,楊振東,楊學(xué)華,陳檸,白若石,周駿,李長明
1 上海煙草集團(tuán)北京卷煙廠有限公司設(shè)備管理部,北京 101121;2 上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心北京工作站,北京 101121;3 秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心,秦皇島 066318
卷煙工業(yè)企業(yè)普遍采用二氧化碳膨脹煙絲加工工藝,該工藝需要燃燒爐(廢氣焚燒式)對煙絲受熱揮發(fā)產(chǎn)生的高溫廢氣進(jìn)行燃燒處理以減少有害物質(zhì)排放,煙絲受熱揮發(fā)產(chǎn)生的廢氣與燃?xì)馊紵a(chǎn)生的廢氣混合后經(jīng)煙囪直排大氣中。上海煙草集團(tuán)北京卷煙廠有限公司現(xiàn)有燃燒爐一套,排氣溫度高(350℃左右),流量較大(約4.5×103m3·h-1),存在熱能浪費(fèi),同時(shí)伴隨顆粒物(PM)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)的排放,其中PM和SO2是煙草異味的主要來源,NOx是重要的大氣環(huán)境檢測指標(biāo)。廢氣中的熱能排放集中、穩(wěn)定、易于回收,且回收后能夠立即用于烘焙、高溫回潮等卷煙加工工藝;PM、SO2、NOx的排放雖未超標(biāo)但接近允許排放濃度上限,未來排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)后將無法達(dá)標(biāo);此外附近居民因異味投訴的頻率逐年增加。綜上,本項(xiàng)目通過復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)有效利用尾氣余熱,進(jìn)一步降低PM、SO2、NOx等有害物的排放,具有重要的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會效益。
煙草行業(yè)對低溫排潮、排氣等普遍采用集中除塵或水幕除塵[1-2]去除常溫廢氣中的PM,對燃燒爐高溫?zé)煔鉀]有處理的先例。工業(yè)用換熱器種類按照結(jié)構(gòu)特征可分為管殼換熱器、板式換熱器、疊片換熱器、翅片換熱器等[3],其中翅片換熱器由于具有換熱強(qiáng)、防積灰、體積小等優(yōu)點(diǎn),成為近年來的研究熱點(diǎn)和換熱器發(fā)展方向[4]。工業(yè)企業(yè)鍋爐去除SO2目前仍以濕法脫硫?yàn)橹鱗5]。降低NOx排放普遍采用低氮燃燒器[6]或尾氣脫硝技術(shù)[7-8],其中技術(shù)最成熟應(yīng)用最為廣泛的是選擇性催化還原法(SCR)[9-10],能將NOx從5×103mg·m-3降到50 mg·m-3以下,但窗口溫度高于燃燒爐排氣溫度[11]。由于燃燒爐工藝參數(shù)的限制,低氮燃燒器不能解決廢氣焚燒類排放問題;上述脫硫脫硝技術(shù)適合鋼廠、火電行業(yè)等大型鍋爐,存在投資大、能耗高、耗材投入大、運(yùn)行要求高等缺陷,并不適合包括燃燒爐在內(nèi)的低排放小型工業(yè)爐窯。
綜上所述,選用合適的處理工藝尤為重要,本文針對二氧化碳膨脹線燃燒爐運(yùn)行的工藝特點(diǎn),采用余熱回收換熱和煙氣清洗處理兩級復(fù)合的處理方式,開發(fā)設(shè)計(jì)專用煙氣處理系統(tǒng),有效利用尾氣余熱降低尾氣排放溫度,同時(shí)大幅減少有害物質(zhì)PM、SO2和NOx的排放,以達(dá)到節(jié)能、高效、綠色、低碳的目的。
上海煙草集團(tuán)北京卷煙廠有限公司復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用前燃燒爐尾氣經(jīng)煙囪直排大氣,排氣溫度為350℃左右,排放體積流量約為4.5×103m3·h-1。復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)總費(fèi)用299.4萬元,占地162 m2。該系統(tǒng)投入使用后,通過風(fēng)機(jī)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)煙氣出口壓力,煙氣壓力始終與原系統(tǒng)保持一致,燃燒爐燃燒情況正常,各參數(shù)均正常,經(jīng)工藝驗(yàn)證,未對煙絲的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響,煙氣中PM、SO2、NOx等污染物排放濃度明顯降低。
煙囪排放煙氣具有溫度高、濕度大、流量大的特點(diǎn),如按照傳統(tǒng)的水幕除塵或管殼換熱器采用一次降溫處理,設(shè)備負(fù)荷大、配套的冷卻系統(tǒng)設(shè)備及水資源、電功率消耗也大,處理成本顯著增加。另外,煙氣中的高熱能源浪費(fèi)也比較嚴(yán)重。為有效利用熱能,減小溫度梯度和設(shè)備負(fù)荷,采用分級降溫方式,采用余熱回收換熱和煙氣清洗處理兩級復(fù)合的處理方式,設(shè)備尺寸和動(dòng)力、能源消耗大幅降低,煙氣排放溫度和排放量大幅減少。
首先在煙氣管路上增加LCY-2型翅片式余熱回收換熱器,換熱能力160 kW,具有體積小、熱效率高,阻力小的特點(diǎn),主要用于煙氣降溫、熱量回收、PM團(tuán)聚,利用煙氣余熱加熱軟化水,最大限度吸收煙氣中顯熱部分,將煙氣溫度由350℃降為140℃。換熱器出口溫度設(shè)定為140℃是基于換熱器設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性,換熱后煙氣溫度高于水蒸氣、煙油露點(diǎn)溫度,避免換熱器結(jié)垢[12],保證換熱效率,減少維保周期,提高使用壽命。余熱回收換熱器使用的軟化水來自鍋爐房,加熱器進(jìn)水端軟化水溫度約20℃,經(jīng)過與煙氣換熱,軟化水加熱迅速,出水溫度為80℃回流到鍋爐房。
余熱回收換熱器后面串聯(lián)HQ17型篩板式水洗塔,處理能力為8×103m3·h-1,具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、除味效果好、維護(hù)維修方便等特點(diǎn),主要用于去除PM、SO2、NOx和持續(xù)降溫[13]。煙氣中過熱水汽在水洗過程經(jīng)歷氣體降溫(由140℃降至100℃)、液化相變(氣體變液體,溫度不變)、液體降溫(水由100℃降至50℃)三個(gè)熱力過程[14]。水洗塔熱量回收采用BEM800-1.0/1.0-89型管殼換熱器,換熱面積89 m2,換熱能力2.5×103kW,換熱后冷卻水溫度從常溫升高到60℃,采用YHW-3402RZ/511型開式方形橫流式冷卻塔將冷卻水溫度從60℃快速降低到35℃后繼續(xù)循環(huán)使用。燃燒爐點(diǎn)爐之前,啟動(dòng)煙氣清洗系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng),此時(shí)冷卻水泵自動(dòng)啟動(dòng),風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行,水洗塔自動(dòng)補(bǔ)水。補(bǔ)滿水后塔循環(huán)泵啟動(dòng),水洗塔水箱中的清洗水從高處噴淋,清洗從燃燒爐煙囪過來的煙氣;經(jīng)過煙氣熱風(fēng)換熱的清洗水由塔循環(huán)泵輸送至管殼換熱器中,由冷卻水冷卻后循環(huán)使用;冷卻水由冷卻水循環(huán)泵輸送至冷卻塔冷卻后繼續(xù)循環(huán)使用。
在煙氣出口串聯(lián)煙氣處理系統(tǒng),增加煙氣運(yùn)行阻力,會影響燃燒爐運(yùn)行效果。因此,需要增加煙氣負(fù)壓風(fēng)機(jī)來保證主生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,選用KXE071-013230-00型負(fù)壓風(fēng)機(jī),技術(shù)參數(shù)為功率22 kW,風(fēng)量:6.4×103m3·h-1,風(fēng)壓3 kPa。兩級換熱對煙氣的阻力由布置在后端負(fù)壓風(fēng)機(jī)克服,因?yàn)楦邷責(zé)煔饨?jīng)處理后溫度降低、流量減小,降低對風(fēng)機(jī)運(yùn)行條件及輸送能力要求,既經(jīng)濟(jì),又安全。為使煙氣處理系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)跟蹤煙氣流量變化并作出相應(yīng)調(diào)整。把煙氣測試點(diǎn)壓力作為核心控制參數(shù),采用微壓變送器[15]監(jiān)測煙囪上測試點(diǎn)壓力,在調(diào)試時(shí)確定測試點(diǎn)壓力作為控制基準(zhǔn)值,通過執(zhí)行調(diào)節(jié)控制(PID)回路控制負(fù)壓風(fēng)機(jī)頻率改變流量來跟蹤核心參數(shù),使測試點(diǎn)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值,保證煙氣排放順暢和燃燒爐系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。
圖1 系統(tǒng)工藝流程圖Fig. 1 System process flow diagram
1.3.1 分析方法
采樣方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法“固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采集方法GB/T 16157—1996”,PM檢測采用“固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定 重量法 HJ836—2017”,SO2檢測采用“固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定電位電解法 HJ/T 57—2000”,NOx的檢測采用“固定污染源廢氣氮氧化物的測定 電位電解法 HJ 693—2014”,氨氮(NH3-N)測定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009),化學(xué)需氧量(COD)測定采用高錳酸鹽指數(shù)法(GB/T 15456—2019)。
1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
智能雙路煙氣采樣器(嶗應(yīng)3072型),自動(dòng)煙塵(氣)測定儀(嶗應(yīng)2013H型),煙氣分析儀(德圖350型),恒溫恒濕稱重系統(tǒng)(嶗應(yīng)8061B型),電子天平(梅特勒MS105DU型),pH計(jì)(賽多利斯PB-10型),紫外分光光度計(jì)(島津2600型)。
為充分考慮實(shí)際應(yīng)用中余熱回收換熱器、水洗塔、冷卻塔布置在室外樓頂,受季節(jié)變化,對換熱能力影響較大,對水泵、冷卻塔等動(dòng)力設(shè)備適當(dāng)增加了工作裕量[16],對項(xiàng)目投資和能耗影響不大。另外在工程設(shè)計(jì)中考慮了冬季停產(chǎn)后設(shè)備自動(dòng)排水防凍和雨季避雷等安全功能,保證設(shè)備的安全性和可靠性。水洗塔水床液位高度及清洗水流量可調(diào),保證排氣溫度和除味效果,噪音及風(fēng)阻小。透明視窗可直觀觀察水床運(yùn)行情況,處理過程中煙氣中水汽大部分冷凝成液態(tài)水補(bǔ)充至水洗塔中,所以運(yùn)行過程中系統(tǒng)不需要補(bǔ)水,潔凈水消耗很低。負(fù)壓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速,煙氣流量穩(wěn)定,保證燃燒爐穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍,設(shè)備能力裕度可以滿足環(huán)境變化和燃燒爐各種工況要求。
實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,余熱回收換熱器輸出熱水流量及溫度穩(wěn)定,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,軟化水加熱器進(jìn)水端軟化水溫度約為20℃,經(jīng)過與煙氣換熱,軟化水加熱迅速,出水溫度為80℃,根據(jù)不同工況煙氣流量,每小時(shí)可提供1.7~2.6 m3的80℃熱水,供水潔凈度滿足鍋爐房使用要求。余熱回收方面效果良好。采用公式(1)計(jì)算復(fù)合煙氣系統(tǒng)回收80℃軟化水的熱值:
式中Q為總熱量(J),c為水的比熱容4.2×103J·(kg·℃)-1,m為軟化水的質(zhì)量(kg),Δt為溫度差(℃)。可以得出1.7~2.6 m3水從20℃升高到80℃所需要的總熱量為4.3×108~6.6×108J。提供上述熱量需要的天然氣總量可以按公式(2)計(jì)算:
式中V為天然氣體積(m3),Q為總熱量(J),θ為天然氣熱值,3.5×107J·m-3??梢缘贸?.7~2.6 m3水從20℃升高到80℃所消耗的天然氣量為12.2~18.7 m3。燃燒爐的天然氣耗量為90.0 m3/h,通過余熱回收每小時(shí)回收12.2~18.7 m3的天然氣熱值,相當(dāng)于節(jié)約天然氣13.6%~20.7%,效果良好。
在燃燒爐工作穩(wěn)定的條件下,對復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用前后煙氣排放量、含氧量、含濕量以及PM、SO2、NOx的排放情況等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測,每次結(jié)果取10組平行樣均值,結(jié)果如表1所示,各項(xiàng)指標(biāo)不隨季節(jié)變化發(fā)生明顯變化,但改造前后變化明顯。改造后煙氣排放量由4.46×103~4.63×103m3·h-1降為為2.90×103~2.94×103m3·h-1,含濕量由14.1%~14.3%降為5.8%~5.9%,含氧量由15.4%~15.6%升到16.0%,這主要是由于溫度的降低導(dǎo)致煙氣體積減少、水蒸氣遇冷凝結(jié)降低了含濕量、復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)中空氣的進(jìn)入升高了含氧量。
表1 改造前后煙氣排放參數(shù)Tab. 1 Flue gas emission parameters before and after reconstruction
復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用前PM基準(zhǔn)排放濃度為7.9~8.1 mg·m-3,排放速率1.38×10-2~1.42×10-2kg·h-1;SO2基準(zhǔn)排放濃度為12~16 mg·m-3,排放速率2.32×10-2~2.88×10-2kg·h-1;NOx基準(zhǔn)排放濃度為75~80 mg·m-3,排放速率1.34×10-1~1.43×10-1kg·h-1。SO2、PM、NOx的排放速率均大大低于北京市大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(DB11/ 501—2017)規(guī)定的上限,但基準(zhǔn)排放濃度均略低于DB11/ 501—2017規(guī)定的上限。為應(yīng)對異味投訴和未來排放標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán),進(jìn)行設(shè)備改造、降低污染物排放非常有必要。
復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)投入使用后PM基準(zhǔn)排放濃度不高于1.1 mg·m-3,排放速率0.81×10-3~1.25×10-3kg·h-1;SO2基準(zhǔn)排放濃度為7~8 mg·m-3,排放速率7.95×10-3~9.22×10-3kg·h-1;NOx基準(zhǔn)排放濃度為46~50 mg·m-3,排放速率5.26×10-2~5.76×10-2kg·h-1。PM排放量降低80%以上,SO2、NOx的排放量降低30%以上,排出的氣體無塵、無色。
未經(jīng)處理的燃燒爐煙氣含水率為14.1%~14.3%,經(jīng)復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)篩板式水洗塔處理后含水率為5.8%~5.9%,因此煙氣中的水分在水洗塔處理后轉(zhuǎn)移到清洗水中。生產(chǎn)過程中,通過篩板式水洗塔水箱上的兩個(gè)液位開關(guān),自動(dòng)控制補(bǔ)水操作和塔循環(huán)泵的啟停。當(dāng)水箱中液位過高時(shí),會通過溢流管排出多余的清洗水排放至廠區(qū)集中污水處理系統(tǒng),排放量約為1.0 m3·h-1。對設(shè)備運(yùn)行以來廢水的NH3-N、COD、pH三項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了月度檢測,每次結(jié)果取3組平行樣均值,結(jié)果如表2所示。廢水的NH3-N為0.11~0.13 mg·L-1,COD為5.2~6.1 mg·L-1,pH值范圍為6.71~6.81,均符合北京市水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)DB11/307—2013。
表2 改造后排放廢水的NH3-N、COD濃度和pHTab. 2 The concentrations of NH3-N and COD and the pH in waste water discharged after reconstruction
在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的成本包括水資源消耗和電資源消耗,同時(shí)余熱回收過程產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益。
2.4.1 水資源消耗
包括噴淋水換水、管殼換熱器蒸發(fā)、水箱換水。HQ17型篩板式水洗塔在生產(chǎn)結(jié)束后水洗塔排污球閥、塔循環(huán)泵排污電磁閥自動(dòng)打開,排出系統(tǒng)的噴淋水1.0 m3,第二天生產(chǎn)前自動(dòng)補(bǔ)水1.0 m3;管殼換熱器每小時(shí)蒸發(fā)0.9 m3;水箱每月?lián)Q水1次,一次18.0 m3。系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的污水排放達(dá)標(biāo),無處理費(fèi)用產(chǎn)生。
2.4.2 電資源消耗
系統(tǒng)中的主要耗電設(shè)備及其功率為:負(fù)壓風(fēng)機(jī)功率22 kW、塔循環(huán)泵功率3.7 kW、冷卻水循環(huán)泵功率37 kW、冷卻水冷卻塔功率15 kW,系統(tǒng)運(yùn)行過程中每天的電耗量共計(jì)550 kW·h。
2.4.3 余熱回收收益
復(fù)合煙氣系統(tǒng)在運(yùn)行過程中通過余熱回收,每小時(shí)可以回收12.2~18.7 m3的天然氣熱值,熱量經(jīng)鍋爐房回收后用于卷煙生產(chǎn)過程中必需的烘焙、高溫回潮等工藝。
系統(tǒng)一年運(yùn)行200 d,每日運(yùn)行11 h。一年消耗水資源2.4×103m3,水資源價(jià)格5.00元·m-3,每年水資源使用費(fèi)1.2萬元。一年累計(jì)用電1.1×105kW·h,用電價(jià)格為0.92元·(kW·h)-1,一年電資源使用費(fèi)為10.2萬元。每年節(jié)約天然氣2.44×103~3.74×103m3,天然氣價(jià)格2.43元·m-3,相當(dāng)于余熱回收每年節(jié)約6.5~10.0萬元。三項(xiàng)合計(jì)每年的復(fù)合煙氣處理系統(tǒng)運(yùn)行成本為1.4~4.9萬元。
SO2易溶于水,溶于水后與水反應(yīng)生成亞硫酸根[17-18]。在水洗塔噴淋過程中,一方面SO2迅速溶于水生成亞硫酸根,另一方面設(shè)備改造前SO2基準(zhǔn)排放濃度低于16 mg·m-3,屬于低濃度排放。因此設(shè)備改造后無需加入堿液,即可實(shí)現(xiàn)有效脫硫,降低煙氣中的SO2濃度30%以上。
PM減排分為二步:第一步,經(jīng)余熱回收換熱器降溫后,小粒徑PM占比減小,大粒徑PM占比增加,降溫過程中存在明顯的PM團(tuán)聚現(xiàn)象[19]。煙氣中高溫時(shí)處于半揮發(fā)性的物質(zhì),受物理、化學(xué)作用快速凝聚或者吸附到PM表面,使得氣態(tài)向顆粒態(tài)轉(zhuǎn)化。第二步,PM在篩板式水洗塔噴淋過程中一方面繼續(xù)團(tuán)聚,另一方面經(jīng)水洗后進(jìn)入廢液中,從而降低煙氣中的PM濃度。
二氧化碳線燃燒爐爐溫度高達(dá)1000℃以上,很難生成NO2,煙氣中NOx以NO為主,約占NOx總量的80%~95%[20],因此降低煙氣中的NOx排放主要是降低NO排放。煙氣中含氧量約為16%,在篩板式水洗塔噴淋過程中與大量H2O接觸,因此煙氣中的NO能夠與O2、H2O反應(yīng)進(jìn)入液相,其反應(yīng)過程分為兩步,第一步為NO氧化成化學(xué)活性高、水溶性好NO2
[21],反應(yīng)方程式表示為:
其反應(yīng)速率常數(shù)[22]表示為:
該反應(yīng)的速率隨著溫度的降低而升高,常壓下低于200℃時(shí)逆反應(yīng)可以忽略[22]。在余熱回收換熱器中,煙氣溫度由350℃降低到140℃,部分NO被O2氧化為NO2;在篩板式水洗塔,煙氣溫度由140℃降低到50℃過程中,大量的NO被O2氧化為NO2。
第二步為在篩板式水洗塔中NO2與H2O反應(yīng)被消耗進(jìn)入液相,NO2與H2O的接觸超過10 s將被有效吸收[23],化學(xué)反應(yīng)為方程(5)和(6)[22]:
方程(5)和(6)可以合并為水吸收NO2的總反應(yīng)方程式:
其反應(yīng)速率常數(shù)[22]表示為:
方程(4)與方程(8)聯(lián)立計(jì)算求解得到T <225℃時(shí)第一步為速率控制步驟,因此在煙氣溫度為50℃~140℃的篩板式水洗塔中,生成的NO2與H2O迅速反應(yīng)生成2/3的HNO3被噴淋水吸收,生成1/3的NO繼續(xù)被氧化為NO2后進(jìn)行下一循環(huán)吸收。此外,在水洗塔噴淋水循環(huán)過程中,HNO3的存在能夠提高NO2的吸收效率[24]。
(1)對煙氣采用余熱回收和篩板水洗復(fù)合處理方式,適用于低排放的高溫爐窯煙氣處理,有效利用余熱并充分降溫,同時(shí)降低PM、SO2、NOx的排放,是一種新型高效的處理方式。
(2)系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng),對燃燒爐工藝要求低,布置靈活,動(dòng)力設(shè)備便于維護(hù),是一種高性價(jià)比的環(huán)保設(shè)備,在新時(shí)代發(fā)展理念及工業(yè)企業(yè)綠色生產(chǎn)要求背景下可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會效益,具有良好的推廣價(jià)值。
(3)通過PID調(diào)節(jié)方式,利用微壓變送器測量值控制負(fù)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率,通過保持煙囪測壓點(diǎn)壓力穩(wěn)定保證煙氣排放順暢,進(jìn)而保證燃燒爐運(yùn)行平穩(wěn),爐溫波動(dòng)和運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)于增加煙氣處理系統(tǒng)前,表明該控制方式響應(yīng)速度快,參數(shù)跟蹤及調(diào)節(jié)效果好。
(4)當(dāng)煙氣溫度降低到200℃以下,大量NO被氧化為化學(xué)活性高、水溶性好的NO2,在水洗塔中NO2與H2O迅速反應(yīng)生成2/3的HNO3被噴淋水吸收,生成1/3的NO繼續(xù)被氧化成NO2后進(jìn)行下一循環(huán)吸收,使得NOx排放濃度降低30%以上。