1 绪论
1.1 课题来源与研究意义
课题来源于河北邯郸某钢厂生产工艺过程，针对锅炉烟气消除白烟羽（简称烟气除白）进行研究与分析，综合考虑投资成本、运行成本和现有条件，在满足污染物排放标准的基础上消除白烟羽，推进社会主义“生态文明”建设。
目前火电和工业锅炉是我国燃煤的最主要消耗源[1]，分别对我国二氧化硫、氮氧化物和烟尘排放量的贡献了 90%、67%和 70%[2]。锅炉产生的烟气中含有多种有害物质，如烟尘、SO2、NOX 和微量重金属等，这些物质若处理不完全排放到外界大气中，对外界大气环境造成污染，诸如酸雨、温室效应、臭氧层破坏等；二氧化硫、氮氧化物和颗粒物作为主要大气污染物也是雾霆的主要形成因素[3]。这些都已经对人类的生活构成了威胁。工业锅炉主要以煤炭作为燃料，大气污染物主要来自燃料的燃烧，在 2013 年的统计中，我国能源消费构成中煤炭占 67.4%，石油占 17.1%，天然气占 5.3%[4]。我国的能源供给条件、经济水平和科技发展等因素决定了我国的煤炭格局在未来很长一段时间内不会发生变化，煤炭消耗将会继续增加。
锅炉烟气中的二氧化硫的控制途径有三个：燃烧前进行脱硫、燃烧中进行脱硫及燃烧后进行脱硫即烟气脱硫(FGD），但综合考虑技术和成本，在今后很长的一段时间内，烟气脱硫的方法仍将是主要方法[5]。烟气脱硫技术可根据工艺特点分为干法、半干法和湿法三类。其中，湿法脱硫工艺流程简单，技术成熟，烟气净化度高，成为应用最广泛的烟气脱硫工艺[6-7]。除尘装置可以除去部分颗粒物及灰尘。
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1.2 国内外烟气除白的相关政策
日本，很多锅炉以重油为燃料，脱硫前的湿含量约为 10%。湿法脱硫后增加到 15%。如此高的湿含量，加上日本冬季寒冷气候，需要完全消除白烟，需要将烟气从 50℃加热到 100℃-130℃[9]。
德国，《大型燃烧设备法》中规定，烟囱入口的最低温度为 72℃，以确保烟气的扩散，防止冷凝下来的烟雾下沉，即烟囱不允许有白烟羽形成。 美国 FGD 一般不使用烟气再热系统，但在烟囱上采取防腐蚀措施 [10]。由于烟气再加热成本较高，美国电力科学研究院(EPRI)提出了湿烟囱的设计导则及修订版[11]。
我国徐州电力烟气除白标准：在夏季烟气冷凝后的温度在 47℃以下，烟气的含湿量在 10.4%以下；在冬季，烟气冷凝后的温度在 45℃以下，烟气的含湿量在 9.5%以下。 我国唐山钢铁行业白烟羽治理标准：钢铁烧结机烟气在夏季（4 月-10 月）参照烟温降低 8%以上，含湿量降低 15%以上；冬季（11 月-次年 3 月）参照烟温降低 15%以上，含湿量降低 30%以上。
我国山西临汾钢铁和焦化行业白烟羽治理标准：锅炉烟气采用烟温控制等有效措施，消除白烟羽现象。烟温控制采取降温冷凝的，正常工况下达到以下要求：夏季(4 月-10 月)，冷凝后烟温达到 48℃以下，烟气含湿量 9.5%以下；冬季(11 月-次年 3 月)，冷凝后烟温达到 45℃以下，烟气含湿量 8.5%以下。
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2 白烟羽成因分析及工艺方案确定
2.1 引言
本章通过对影响白烟羽生成因素进行分析，分析得到了影响白烟生成的两个主要并且可控因素；应用饱和烟气焓湿图对白烟羽生成进行分析，得到了不产生白烟羽的临界条件，为接下来建立消除白烟羽数学模型提供理论基础。根据分析得到的影响白烟羽生成的可控因素，确定了除白烟工艺方案。介绍了该方案的工艺流程；简述了该方案的技术原理、技术特点；并完成了除白烟工艺流程的设计。
影响白烟形成的因素比较复杂，主要包括：外界大气温度、外界大气湿度、净化后排放烟气的绝对含湿量、净化烟气的排放温度、烟气排放线速度、烟囱顶部风速等因素。根据不同的外界条件，产生白烟的可能性也不一样，上述影响因素中，可控制的影响因素是净化后排放烟气的含湿量和净化烟气的排放温度。因此，消除白烟现象可以从这两方面进行着手。
根据白烟羽形成的机理，可以先对脱硫后的湿烟气进行降温，使净化湿烟气中的部分水冷凝下来，降低烟气中的含水量；再对冷凝后的饱和湿烟气进行升温，使其排放后与外界空气混合后气体的露点温度低于气体的干球温度，避免发生蒸汽凝结。
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2.2湿烟气除白工艺方案设计
2.2.1湿烟气除白烟冷凝再热复合技术路线
（1）技术原理
净化后排放烟气绝对含湿量的大小主要由烟气的相对湿度和烟气温度下的水蒸气分压决定。经过湿法脱离后，烟气接近饱和湿烟气状态，因此影响烟气绝对含湿量大小的是水蒸气分压，而水蒸气分压的大小由温度决定，因此，降低净化后排放烟气的绝对含湿量需要通过降温实现。降温冷却后可以使湿烟气冷凝部分水，可以降低烟气的绝对含湿量。降温后的烟气再进行升温使其露点温度升高，排放到外界大气中不易发生蒸汽凝结产生白烟。所以针对湿烟气除白工艺方案本文采用冷凝再热复合技术，冷凝再热复合技术综合了冷凝降温和加热升温技术的优点，可以更加有效地消除白烟。
（2）技术特点
烟气冷凝再热复合技术主要有如下特点:
①节水：通过冷凝降温方式降低烟气温度，使烟气为过饱和状态，水汽析出形成凝结水，通过换热管和除雾器实现液滴的有效捕集，实现节水功能。
②多污染物脱除：烟气冷凝技术通过各种功能，如烟气相变凝聚、热泳、雨室洗涤、湿式惯性碰撞捕集和湿式除尘等作用，进一步减少烟气中的3SO 、烟尘等污染物，实现多污染物联合脱除。
③降低烟气再热热源消耗：由于烟气经过冷凝降温后烟气含湿量降低，因此消除白烟羽所需的烟温升幅降低。这样可以降低烟气再加热能量的消耗，并且可以通过采用品质更低的热源加热，从而降低机组能量消耗。
④更有效的消除白烟羽现象：采用烟气再热技术将烟温从 40 ℃ 升高到 70 ℃，当环境温度低于约 15 ℃时，仍然会出现“湿烟羽”。当环境温度降低到 5 ℃ 时，烟气温度则需要加热到约 120 ℃ 才能消除“湿烟羽”。如果烟气温度降低 10 ℃ ，则烟气只需从40 ℃加热到约 70 ℃即可消除“湿烟羽”。即冷凝在热技术对消除白烟羽更加有效。
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3.1 引言 ................................ 11
3.2 除白烟羽数学模型建立 ........................ 11
4 湿烟气除白烟羽工艺系统分析 ......................... 24
4.1 概述 ................................ 24
4.2 湿烟气除白烟羽系统设计参数 ................................ 24
5 湿烟气除白烟羽控制系统设计 ............................... 39
5.1 概述 ................................ 39
5.2 湿烟气除白烟羽工艺简介及要求 ............................... 39
5 湿烟气除白烟羽控制系统设计
5.1 概述
本章湿烟气除白烟羽控制系统是以 STEP7-300PLC 为控制核心，STEP7 配备了梯形图、语句表和功能块图语言。梯形图是使用最多的编程语言，与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，所以本控制系统采用梯形图语言完成编程[42-46]。TIA Portal 博途是一款是基于全集成自动化的组态软件，可以实现工艺流程可视化、操作员对过程的控制、显示报警、记录功能及过程和设备的参数管理等，功能强大，因而本控制系统人机界面设计主要利用 TIA 博途组态软件完成[47-51]。
本章简述了湿烟气除白烟羽控制系统的控制要求，阐明控制系统功能，针对工艺控制要求，提出了基于西门子 STEP7-300PLC 为控制核心的总体方案和通讯方式的选择。根据选择的控制系统硬件进行 PLC 的硬件组态，软件部分包括 PLC 的程序设计和人机界面的设计。程序设计主要包括控制系统结构设计、模拟量转换、消除白烟羽数学模型、PID 温度控制等子程序的设计；人机界面设计主要对湿烟气除白烟羽工艺流程界面的设计[52-55]。
6 结论
本文对锅炉烟气消除白烟羽工艺系统进行研究，通过理论分析、数值分析建模和应用 Aspen Plus 进行模拟计算的方法对锅炉烟气除白烟羽工艺系统进行了深入的研究。本文主要结论如下：
（1）应用湿烟气焓湿图对白烟羽的形成机理进行了分析，通过分析得到，烟气排放到外界大气是否形成白烟羽取决于混合过程线与湿烟气饱和曲线是否相交，若相交则会产生白烟羽，若相切或混合过程线在湿烟气饱和曲线上方则不会产生白烟羽。即不产生白烟羽的临界条件为混合过程线与湿烟气饱和曲线相切。
（2）通过对影响白烟羽形成的因素进行分析，分析得到影响白烟羽形成的两个主要并且可控制的两个因素为排放烟气中绝对水含量和烟气的排放温度。在此基础上确定了白烟羽的主要治理技术，从而确定了锅炉烟气除白烟羽的工艺流程。
（3）以不产生白烟羽的临界条件为理论基础，通过数值分析建模方法，建立了外界大气温度、相对湿度、大气压、饱和湿烟气温度和排烟温度之间的数学关系。消除白烟羽数学模型为：
参考文献（略）