濕法脫硫系統(tǒng)對窯尾煙囪的影響

于浩波，羅振，王愛琴

1 前言

在熟料生產線未配套濕法脫硫系統(tǒng)前，窯尾煙氣通常為干煙氣，溫度＞100℃，煙氣經(jīng)過窯尾除塵器后直接進入窯尾煙囪。隨著國家對SO2濃度排放限值的要求愈加嚴格，越來越多的熟料生產線選擇配套濕法脫硫系統(tǒng)進行脫硫處理，窯尾煙氣經(jīng)過濕法脫硫系統(tǒng)后變成飽和濕煙氣，此工藝變化勢必造成窯尾煙囪的設計變化。

2 窯尾煙氣風量對煙囪尺寸的影響

2.1 對煙囪直徑設計的影響

窯尾煙氣經(jīng)過濕法脫硫后，變成50℃～55℃的飽和濕煙氣，煙氣溫度的變化造成風量變化，風量變化影響煙囪出口風速，而出口風速是煙囪設計的關鍵參數(shù)。煙囪出口風速＜10m/s時，會出現(xiàn)煙氣不易擴散和下煙雨的現(xiàn)象；出口風速＞22m/s時，會出現(xiàn)系統(tǒng)阻力增加和帶出凝結水的現(xiàn)象。故煙囪出口風速值一般推薦15～20m/s。

煙氣出口風速計算公式：

式中：

V——煙氣出口風速，m/s

Q——煙氣出口風量（工況），m3/h

R——煙囪半徑，m

以我公司EPC總承包的某條萬噸熟料生產線為例，生料磨系統(tǒng)（喂料水分2.0%）開時，進入濕法脫硫系統(tǒng)的煙氣量為1 214 559m3/h（117℃）；生料磨系統(tǒng)關時，進入濕法脫硫系統(tǒng)的煙氣量為1 115 997m3/h（171℃）。經(jīng)過濕法脫硫后，假定煙氣溫度為55℃，且同時忽略水氣的影響，則生料磨系統(tǒng)開時工況風量為1 059 960m3/h，生料磨系統(tǒng)關時工況風量為855 531m3/h。

（1）計算未配套濕法脫硫系統(tǒng)時的煙囪出口風速（取窯尾煙囪設計直徑為4.5m）

生料磨系統(tǒng)開時的煙囪出口風速：

V1=1 214 559/（3 600×π×2.252）=21.2m/s

生料磨系統(tǒng)關時的煙囪出口風速：

V2=1 115 997/（3 600×π×2.252）=19.5m/s

（2）計算配套濕法脫硫系統(tǒng)時的煙囪出口風速（取窯尾煙囪設計直徑為4.2m）

生料磨系統(tǒng)開時的煙囪出口風速：

V1=1 059 960/（3 600×π×2.12）=21.3m/s

生料磨系統(tǒng)關時的煙囪出口風速：

V2=85 5531/（3 600×π×2.12）=17.1m/s

由此可見，生產線配套濕法脫硫系統(tǒng)前，煙囪設計直徑以4.5m為宜，而配置濕法脫硫系統(tǒng)后，煙囪設計直徑4.2m即可。

2.2 對煙囪高度設計的影響

煙囪的理論高度既要滿足大氣污染物的擴散稀釋要求，又要考慮節(jié)省投資。煙囪設計高度應能滿足使煙囪排放的大氣污染物在環(huán)境空氣中產生的地面濃度與背景值疊加后的預測濃度，不超過GB 3095-2012《環(huán)境空氣質量標準》規(guī)定的濃度限值“在二級地區(qū)SO2濃度的小時平均限值為150μg/m3”。據(jù)此，煙囪高度的計算普遍采用高斯擴散模式，高斯擴散模式的理論模型在相關資料中已有很多論述，此處不再贅述。筆者采用高斯簡化公式對前文所述的萬噸生產線窯尾煙氣污染物中SO2指標進行計算。

在煙囪下風向地面軸線上任意一點（x，0，0）的污染物濃度公式為：

式中：

H——煙囪有效高度，m

ρ——SO2濃度，g/m3

Q——源強，SO2排放速率，g/s

σy——側向擴散系數(shù)，m

σz——豎向擴散系數(shù)，m

為了簡化運算，σz/σy不隨距離變化而變化，取生產線所在地方環(huán)保標準規(guī)定，煙囪出口SO2排放限值為50mg/m3（標）（@10%O），而生料磨開時窯尾煙氣量為882 304m3（標）/h，排放速率Q=12.25g/s，代入相關參數(shù)，得：

煙囪的高度HS等于有效高度H減去煙氣抬升高度ΔH，根據(jù)相關經(jīng)驗公式：

式中：

ΔH——煙氣抬升高度，m

QH——煙氣的熱釋放率，kW

HS——煙囪高度，m

Pa——大氣壓力，hPa

QV——煙氣流量（工況），m3/s

ΔT——煙氣與環(huán)境溫度差值，℃

TS——煙氣溫度，℃

則：

根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)查得式（4）中：n0=0.292，n1=3/5，n2=2/5，代入ΔH計算公式，則：

煙囪的物理高度：HS=H-ΔH=91.2m-81.7m=9.5m

水泥生產線的工藝特點要求煙囪高度高于C1預熱器頂部，此項目中預熱器頂部高度約135m，窯尾高度依據(jù)工藝要求的設計高度，遠高于用污染物擴散模式計算出的數(shù)值，配套濕法脫硫后，對熟料生產線窯尾煙囪的高度設計基本沒有影響。在本文煙囪高度的模型計算中，只選擇了SO2這一項污染物指標進行核算，實際還應增加NOx、顆粒物、CH4等其他污染物指標進行核算，綜合比較驗算結果。因本文只討論濕法脫硫系統(tǒng)的影響，故省略了其他污染物的模型計算。

對于煙囪高度的設計，不同的設計規(guī)范有不同的規(guī)定，如GB/T 3840-1991《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》中規(guī)定，煙囪高度不得低于它所附屬建筑物高度的1.5～2.5倍，GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》中規(guī)定，煙囪高度應高于直徑200m范圍內最高建筑物5m以上。而實際工程中相關的標準往往更加嚴格，設計時應更加重視這些規(guī)定。

3 窯尾濕煙氣對煙囪防腐性能的影響

采用濕煙囪運行后，應重點考慮腐蝕問題。但目前濕法脫硫在水泥生產線中的應用時間不長，大家尚未認識到煙囪腐蝕問題的嚴重性。煙囪腐蝕來自于吸收塔中的濕態(tài)酸性煙氣，從脫硫塔入口至煙囪出口為止，所有與濕煙氣接觸的地方都應考慮防腐性能的要求。

目前，有很多防腐材料或防腐方案可供選擇，防腐材料主要有防腐漆、防腐耐酸磚、防腐玻璃鱗片、玻璃鋼、鎳合金和鈦合金，其中，防腐玻璃鱗片、玻璃鋼和合金應用較多。防腐玻璃鱗片作為防腐襯里使用，煙囪本體為普通碳鋼材料（Q235或Q345）；玻璃鋼可作為整體煙囪的制作材料；合金既可以作為襯里材料，也可以作為整個煙囪的使用材料。

碳鋼+玻璃鱗片防腐襯里具有高強度、高防腐、抗老化、壽命長、造價低等優(yōu)點，目前應用較普遍，但由于其施工難度大、基底處理要求高、施工環(huán)境要求苛刻，使得施工周期較長。

整體玻璃鋼煙囪具有重量輕、防腐耐磨性能高、壽命長、造價低、施工方便等優(yōu)點。但其彈性模量低、強度低、易老化、附屬框架較大，且玻璃鋼對于溫度因素更加敏感，對于高溫輻射較強的窯尾塔架，整體玻璃鋼煙囪的應用受到限制。

碳鋼+合金襯里或整體合金煙囪，具有高強度、高防腐性能、壽命長、維護量極少、易施工等優(yōu)點，較明顯的缺點是合金材料成本較高。

從防腐性能和成本造價角度而言，防腐鱗片和玻璃鋼是最佳選擇；從施工難度和系統(tǒng)維護角度而言，合金是最佳選擇。綜合分析，筆者認為整體合金煙囪是未來濕煙囪的首選。

4 結語

水泥熟料生產線配套濕法脫硫系統(tǒng)后，窯尾煙囪已成為濕法脫硫系統(tǒng)的一部分。濕法脫硫系統(tǒng)對窯尾煙囪的影響應綜合考慮尺寸設計、防腐性能和使用性能等，確保濕法脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。