冶炼烟气消白技术研究及应用.pdf

Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY*收稿日期：2023-04-20作者简介：辜锋（1979-），男，云南彝良人，高级工程师，主要从事冶金与环境工程技术研究。Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY冶炼烟气消白技术研究及应用*辜锋(云南科力环保股份公司，云南 昆明 650051)摘要：比较了有色冶炼烟气消白处理工艺，提出并实施了冷凝降温除水及再热升温提高排放烟气不饱和度的技术路线。结果表明：当环境温度小于 10 益、15 益和大于 15 益，烟气分别降温至 30 益、33 益、35 益以下，均再升温 75 益以上，可达到烟气消白的目的。关键词：有色冶炼烟气；烟气消白；冷凝-再热；节水；减排中图分类号：TU834.6+34文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）04-0167-05Research and Application on Eliminating White Smoke Technologyof Smelting Off-gasGU Feng(Yunnan Keli Environmental Protection Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650051,China)ABSTRACT：Eliminating white smoke technologies of non-ferrous metal smelting off-gas were compared,and based on the results,it is proposed and conducted a technology that water removal by condensation cooling and heating up the temperature to increase theunsaturation of off-gas.Results show:when environment temperature is less than 10 益,15 益 and more than 15 益,temperature of off-gas drops below 30 益,33 益,35 益 separately,and then it shall be heated up again over 75 益,the aim of eliminating white smoke canbe reached.KEY WORDS：non-ferrous smelting off-gas;eliminating white smoke of off-gas;condensation-heating up again;water conservation;emission reduction当前，有色金属冶炼企业生产时的烟气在排入大气前均需经过除尘、或湿法脱硫处理，湿法处理后的湿饱和烟气含有大量水份，以及水份中溶解的硫酸盐等颗粒物1。这些湿饱和烟气温度高达（4050）益或更高，其气量波动大，携带的水量和硫酸盐等颗粒物的量也波动大，不可忽视。在排放进入低温冷空气环境后，会形成大量白色烟雾。当烟气含有的颗粒物较多时，甚至会呈现有色烟雾，造成视觉污染。假定单根烟囱排放气量为 10 万 Nm3/h，烟气含水在 10%（V%）时，每小时带出的水为 8.03 t/h，一天的水资源损失即为 192.7 t/d。全国数以万计的烟囱排放则每天的水资源损失数以百万吨计，从水资源的节约利用考虑烟气消白有其必要性。同时，烟气排放会携带大量溶解性硫酸盐等颗粒物，烟气在消白除水的过程中，通过混合处理可截留部分溶解性盐等颗粒物，也即是进一步降低颗粒物的排放。因而，烟气消白也是对颗粒物的深度处理，对整体的大气污染物减排有实质作用。因此，烟气消白对水资源的节约及污染物减排是非常必要的，能消除生产企业周边群众的疑虑，特别是城市周边地区生产企业，关注人群较为庞大，更需求及时解决烟气消白问题。有色冶166张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用表 1烟气消白工艺比较Tab.1Comparison among eliminating white smoke technologies工艺比较项目冷凝加热冷凝-再热冷风降温、混热风排放投 资大大大小工艺原理降温冷凝除水，降低温差排放加热升温提高烟气水份不饱和度排放先降温冷凝除水，再升温提高烟气水份不饱和度排放降温同时降低烟气水份的不饱和度排放、提高温度、提高烟气水份不饱和度排放节水量节水量大不节水中不节水蒸汽耗量不消耗大量偏小不消耗冷却水需要量需消耗冷媒介质降到更低温度，能耗较大不需要偏小不需要能 耗不消耗蒸汽，需消耗冷媒，能耗大消耗大量蒸汽，不需要冷却水蒸汽耗量偏小，冷却水需要偏小不消耗蒸汽、不消耗循环冷却水，但烟气量增大，电能偏高运行费用大大相对小稍高适用条件小气量小气量大气量小气量环保政策法规允许允许允许存在混空气偷排违反环保法律的风险炼行业烟气消白同样是亟待解决的问题，本文研究开发这项技术，并应用于实际有色冶炼生产烟气治理。1消白工艺选择分析比较烟气消白中的冷凝、再热、冷凝-再热、混风等几种工艺技术特点、环保法律法规许可情况，汇总各种工艺技术特点列于表 12。由表 1 可见，几种消白工艺中，冷凝消白技术节水量大，对污染物略有减排，但减轻视觉污染效果有限，冷源要求较高，能耗高；加热消白技术只能减轻视觉污染，烟气含湿量和污染物排放总量并未降低3；与前两种技术相比，冷凝再热、混风工艺综合指标上较有优势。但混风工艺涉及到混入冷空气稀释排放烟气中污染物浓度问题，环保政策上存在违反环保法律的风险，同时混风后烟气气量成倍增加，烟气系统、增压风机投资、电耗增大，经济性不高，且冶炼烟气颗粒物含量高，难以做到颗粒物减排，综上所述，采用冷凝再热烟气消白工艺是有色冶炼烟气消除视觉污染，进一步实现污染物减排较为适宜的技术路线。2冷凝-再热消白工艺原理当含有大量水份的烟气排放进入低温冷空气环境后，过饱和湿气就会形成大量白色烟雾，要消除白雾就必须避免出现过饱和含水量4。如图 1所示，烟气排入大气冷空气环境后，降温冷凝过程状态点不能出现在环境空气温度下饱和含水状态线左侧5。冷凝-再热消白工艺技术参数按如下过程设计，首先应通过计算获得当地气象条件下的环境空气饱和含湿量-温度曲线6。1）当地大气压力 P1、查饱和蒸汽分压 P2，以每 1 益为单位，计算不同温度下环境空气饱和含湿量（g/kg 干空气）；2）计算得到的不同温度下的环境空气饱和含湿量，以 1 益为横坐标单位，以饱和含湿量为纵坐图 1烟气消白工艺原理（环境空气温度-饱和含湿量曲线）Fig.1Process principle of eliminating white smoke(ambientair temperature-saturated moisture content curve)辜锋：冶炼烟气消白技术研究及应用167Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY标，做出环境空气饱和含湿量曲线。在以计算数据为 X、Y 轴坐标点，得到环境空气饱和含湿量-温度曲线后，假设湿法脱硫处理的湿饱和烟气状态点 A，排放到环境空气时不可见白烟状态点 C，则：1）在曲线图上确定项目建设所需达到的不可见白烟环境温度点 C；2）以环境温度点 C、作饱和温度曲线切线 CB；3）按项目冷源实际，设定冷凝过程可降温的温度 D，作横坐标水平线，与切线的交点 E，即为降温后升温温度点 E；排放烟气温度变化过程 A寅D寅E 即为烟气消白采用先降温节水，再升温排放的技术的工艺控制参数。最终烟气在 E 点排放后，经过 E寅C 过程降温，不会进入环境温度饱和含湿量曲线左侧，即不会出现烟气达到饱和态冷凝出现白烟现象。3工艺试验装置3.1试验装置设计方案1）基准环境空气温度 C 点取值。消白系统设计中重要的基准设计参数是环境空气温度，即要求在何种环境温度条件下无可见白烟。要求的基准环境温度越低，消白过程需要降温的温度越低，升温温度越高，系统投资越高，建成后运行能耗越大；反之，如果要求不可见白烟的基准环境温度提高，则降温或升温幅度小，系统投资降低，建成后运行能耗较低7。本次试验装置拟建地点温度气象资料如表 2。本次试验装置选取基准环境温度 C=8 益；2）降温提水温度 D 点取值。拟建试验装置地点厂区可提供循环冷却水作为冷源，参数如表 3。鉴于拟建试验装置地点环境温度低，夏季厂区循环冷却水供水水温也较低，本次试验装置选取降温提水温度 D=32 益；3）升温排放温度 E 点取值。依据计算的当地大气压下的温度-饱和含湿量曲线8（见下图），以及设定的消白基准环境温度 C、降温温度 D、可得到理论升温温度 E=70 益。理论计算如图 2 所示。3.2试验装置实物在确定试验装置设计方案后，在某有色冶炼企业建设了一套处理气量 Q=36 000 Nm3/h 的渣干燥窑烟气消白试验装置，对渣干燥尾气进行节水及颗粒物深度处理。试验装置采用“洗涤净化+冷却降温+烟气再热”等处理过程。其中洗涤净化和烟气冷却降温在洗涤塔内完成。通过采用低温洗涤液与高温烟气直接接触方式降低烟气温度。直接接触降温效率更好，能耗损耗小。洗涤烟气后的洗涤液温度升高，设置一台冷却表 3循环冷却水参数表Tab.3Parameters list of circulating cooling water供水压力/MPa0.3耀0.4循环水品质：符合循环冷却水水质要求循环冷却水水温/益臆 28表 2拟建地点温度表Tab.2Thermometer at proposed location益年平均温度14.4极端最低温度-14.1最热月平均温度20最冷月平均温度7.1极端最高温度32.2图 2烟气消白温度取值Fig.2Temperature value of eliminating white smoke168张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用器，通过循环冷却水将热量导出，洗涤液温度降低到 32 益以内，确保烟气降温温度在 32 益以下。在洗涤降温塔后设置净化塔一座，对洗涤降温后的烟气进行颗粒物、水雾的去除。确保烟气再热环节，水雾低，能耗低。烟气净化后，设置烟气再热器一台，对最终排放烟气进行升温，使烟气达到高温不饱和状态，排入低温环境后，降温冷凝短时间、短距离内未达到饱和状态，达到烟气不出现白烟目的。试验装置工艺处理过程如图 3。图 3工艺处理过程Fig.3Treatment process试验装置配套建设有供电系统、系统温度、压力、流量等监测仪表、PLC 控制系统等。3.3技术措施本次试验装置主要目的是为验证冷凝-再热消白工艺理论计算结果的正确性，为此试验装置设置大量的温度、压力、流量等监测仪表。1）烟气进口、降温后、升温后设置温度计，用于记录烟气冷凝、再热温度变化；2）洗涤液进塔前、出塔后设置温度计，用于记录降温液体初始温度，降温后液体升温温度；3）循环冷却水进水、出水设置温度计，用于监测循环冷却水温升变化，核算试验装置热力计算准确性；4）低压饱和蒸汽、循环冷却水设置调节功能，并设置流量计记录流量变化。通过设置上述监测仪器仪表，实现全过程循环冷却水流量的控制、烟气降温温度值的实时调整、低压饱和蒸汽流量的调节和烟气升温温度的调整，以及系统烟气侧、洗涤液测、冷却水测等过程中各环节实时温度记录，便于验证消白温度值控制参数。4冶炼烟气消白应用效果试验装置建成后，进行了工业试验运行。运行效果见图 4 所示。装置运行的典型参数及视觉污染治理效果如表 4 所示（其它环境温度类似，效果相同数据未列出），烟气污染物减排效果如表 5 所示。从表 4、表 5 可知，结合图 2 中烟气消白温度取值情况，在试验装置应用地区的气象条件下，当环境温度在臆10 益时，烟气降温到达 D 点温度臆30 益，升温到达 E 点温度逸75 益，可达到无白烟；当环境温度在臆15 益时，降温在 D 点温度臆33 益，升温到 E 点温度逸75 益，可达到无白烟；当环境温度在逸15 益时，降温 D 点温度应控制在臆35 益，升温 E 点温度逸75 益，可达到无白a）烟气处理前b）试验装置c）烟气处理后图 4消白工艺处理前后烟囱排放尾气对比Fig.4Comparison on off-gas discharged by chimney before and after eliminating white smoke辜锋：冶炼烟气消白技术研究及应用169Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY表 4装置生产时典型运行参数及视觉污染治理效果Tab.4Typical operating parameters and visual pollutioncontrol effect of device operation益数据记录进口烟温T1烟气冷却后温度T2烟气再热后温度T3环境温度（T0）及达到效果数据1054.7834.9276.55晴，T0=19 益，无烟数据154.0032.5076.50晴，T0=14 益，无烟数据254.3035.3078.30晴，T0=16 益，无烟数据355.2035.8078.80晴，T0=18 益，无烟数据452.8027.4076.00阴，T0=8 益，无烟数据554.7926.8075.60小雨，T0=7 益，无烟数据654.1826.9276.85阴，T0=5 益，无烟数据753.4833.7379.46晴，T0=13 益，无烟数据853.4433.1076.27阴，T0=12 益，无烟数据954.2734.4676.78晴，T0=17 益，无烟表 5烟气污染物减排效果Tab.5Emission reduction results of off-gas pollution3.4322.8编号监测项目出口33 429104.635.59.119.3含湿量/%烟温/益硫酸雾/（mg/Nm3）烟气流量/（Nm3/h）二氧化硫/（mg/Nm3）氮氧化物/（mg/Nm3）烟尘浓度/（mg/Nm3）含氧量/%进口36 000293.538.025.818.411.5555.5烟。同时，从实验数据也可看出，烟气流量、二氧化硫、氮氧化物、烟尘浓度、含湿量及硫酸雾等污染物均有不同程度的下降，达到一定的减排效果。试验结果与理论设定温度有一定差距，如：理论计算气降温到 32 益以下时，升温只需升到70 益即可实现无白烟，但实际试验结果中，烟气温度降到 32 益以下时，烟气升温需升到 75 益以上，才能实现烟气无白烟。经分析，此种现象是试验烟气降温后烟气携带有液态水，难以做到理论计算中所设定烟气中水全部是气态水的假定条件。综上所述，实际应用表明，利用环境空气饱和含湿量-温度曲线可有效规划冷凝-再热烟气消白处理过程，针对有色冶炼行业烟气温度高、含湿量大、颗粒物含量高的特点，采用冷凝-再热烟气消白工艺，完全可达到消白效果，有利于水资源的节约及在一定程度上减少污染物排放。5结 语通过试验装置开展工业试验，获得真实的有色冶炼烟气消白工业参数。1）当环境温度小于 10 益、15 益和大于 15 益，烟气分别降温至 30 益、33 益、35 益以下，均再升温 75 益以上，可达到有色冶炼烟气消白的目的；2）结合应用地区的气象条件及环境温度，控制冷凝降温温度和再热升温温度可达到无白烟的效果；3）试验结果与理论设定温度有一定差距，可在理论计算中增加降温后烟气带液态水量，核算加热热值、修正烟气升温温度解决该问题。参考文献：1 刘军，孟昭华.脱硫技术在铅锌冶炼烟气治理中的应用探讨J.中国有色冶金，2009（36）：36-402 陆生宽，孟维.烟气湿烟羽产生机理、影响因素及其解决方法J.资源节约与环保，2019，39（1）：26-273 余波，王浩，吕冬强，等.两种湿烟气脱白 工艺路线比较研究J.冶金能源，2020，39（4）：56-59.4 樊瑞民.浅谈烟气消白原理及烟气消白治理J.科学技术创新，2019（36）：54-555 朱明善，刘颖，林兆庄，等，工程热力学M.北京：清华大学出版社，2011.6 邓斌，韩长民，赵红，等.CFD 模拟在湿烟羽控制技术中的应用J.环保科技，2018，24（5）：6-107 谭鑫波，胡亮.喷淋冷凝再升温技术在铅锌冶炼烟气治理中的研究J.环境科学导刊，2020，39（S1）：61-648 严家騄，余晓福，王永青，等.水和水蒸气热力性质图表M.北京：高等教育出版社，2004.170