生活垃圾焚烧发电厂烟气脱白研究与应用

2023-11-16李磊于涛魏礼信陈菁豆文举何勇

能源与环境 2023年5期

李磊于涛魏礼信陈菁豆文举何勇

（浙江亿扬能源科技有限公司浙江杭州 310013）

0 引言

焚烧已经成为城市生活垃圾处理主要工艺之一，但垃圾焚烧烟气中的二噁英问题是目前垃圾焚烧备受人们关注的主要原因［1］，垃圾焚烧发电厂烟囱冒“白烟”现象，进一步影响了社会公众对电厂的认可度［2］。

烟囱“白烟”治理最早由煤电厂提出，主要是为了解决燃煤电厂湿法脱硫后烟气排放产生的“白烟”问题。国外主要采用干烟囱技术，即规定烟囱出口最低排烟温度，德国规定排烟温度不低于72 ℃，英国规定排烟温度不低于80 ℃，日本规定排烟温度为90～100 ℃［3-4］。近年来随着环保问题日益严峻，“脱白”治理问题在火电、冶金、垃圾焚烧及危废焚烧等行业得到比较多的关注［5-6］。目前，烟囱脱白主要技术路线有：直接加热法、烟气冷凝法以及先冷凝后升温法，对于处理规模较小的危废行业，也可利用掺混热空气法［7-10］。

本文通过分析烟囱白烟形成的原理，对比3 种脱白技术方案，阐述了先冷凝后升温的计算方法。以杭州地区某垃圾焚烧厂工程为例，通过分析杭州冬季气象数据，对项目烟囱脱白工艺进行设计，并取得较好效果。

1 “白烟”产生的原理

由于垃圾焚烧发电厂排烟含水率较高，通常在19%～27%。排烟含湿量远远高出外界环境大气含湿。当环境空气温度较低、相对湿度较高时，烟气在排入大气后会立即进入空气含湿量饱和区，此时，烟气中大量的水分析出产生白烟现象。因此，白烟的本质就是烟气中的水分析出的现象。白烟产生原理简化图如图1 所示，横坐标为温度，纵坐标为含湿量。A 点为环境状态点，D 为烟囱出口烟气状态点。当烟气在环境中扩散时，进入饱和区（B-C）后便会产生白烟。

图1 白烟产生原理简化图

因此，烟囱冒白烟可分为内部因素与外部因素，内部因素为烟气温度和烟气湿度。烟气中的水分是烟囱冒白烟的根本原因，水分含量越高，烟囱冒白烟概率越大，而烟气温度越高，烟气在环境中冷却时间相对充分，越不容易产生白烟现象。外部因素为外界环境温度和湿度，环境温度越低，相对湿度越大，烟囱冒白烟的概率越大。

2 消除白烟的方法

根据对白烟产生的原理分析可知，当烟气在空气中扩散时，经过水蒸气饱和曲线便会产生白烟，若在水蒸气饱和曲线下方时，便不会产生白烟现象。因此，使烟气扩散时处于水蒸气未饱和区是消除白烟现象的基本方法。

2.1 直接加热法

直接加热法消除白烟原理简图如图2 所示。通过直接加热方式将烟囱出口烟气温度抬升（D-D1），从而高温烟气在空气中扩散时可始终处于空气未饱和区（D1-A），避免白烟产生。直接加热法需要将烟气温度抬升较高，以垃圾焚烧发电厂为例，一般直接加热法需要将烟气温度抬升至280 ℃左右，消耗大量热能。

图2 直接加热法消除白烟原理简图

2.2 热空气掺混法

热空气掺混法消除白烟原理简图如图3 所示。通过加热部分空气（A1 点），将热空气与烟气预掺混（至D1），使得烟囱处烟气温度降低，含湿量降低，此时烟气在空气中扩散时也可始终处于空气未饱和区，避免白烟产生。热空气掺混法采用大量热空气掺混，需要加大烟囱内径，在夏季不需要脱白时，造成烟囱烟气流速较低。因此，本方法并不适合常规项目脱白使用。

图3 热空气掺混法消除白烟原理简图

2.3 降温脱水再热法

烟气中水分是白烟产生的根本原因，降温脱水再热法消除白烟原理简图如图4 所示。通过将原始烟气降温脱水后加热（D-C-B-D1），使得烟气含湿量大大降低，再加热后可保证烟气在空气中扩散时始终处于空气未饱和区，避免白烟产生。降温脱水再热法可以回收冷凝过程中脱除水资源，同时烟气在加热温度较直接加热法大幅度降低。另外可通过GGH 设备，用原高温烟气加热脱水后的烟气，降低烟气再热能耗。

图4 降温脱水再热法消除白烟原理简图

3 降温脱水再热法数学模型

3.1 空气含水量求解方程

空气中含水量的计算见式（1）。

式中：d 为含水量；P 为空气压力；Ps为水蒸气分压力；φ 为相对湿度。

水蒸气饱和含湿量（相对湿度φ=100%）的计算见式（2）。

由于大气压力基本上为定值，所以空气含湿量仅同水蒸气分压力Ps有关。目前，饱和蒸汽分压求解公式主要有7 种，分别为戈夫-格雷奇公式、马格努斯公式、Buck［1996］公式、泰登公式、纪利公式、Hyland-Wexler 公式以及Marti-Mauerberger公式，我国在空气调节领域中，主要采用Hyland-Wexler 公式［11］，见式（3）。

式中：Ps为水蒸气分压力；T 为温度；c1～7为常数系数。