鋼鐵燒結(jié)煙氣濕煙羽治理氣-液接觸傳熱傳質(zhì)模型及其工程示范

周軼宗 沈 凱 梁世偉

(東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

2018年我國鋼鐵行業(yè)的SO2和顆粒物排放量分別為68.3萬、163.6萬t，是目前我國主要的大氣污染物排放源之一，其中鋼鐵燒結(jié)煙氣的SO2排放量約占整個鋼鐵行業(yè)排放量的70%，顆粒物約占50%，因此對鋼鐵燒結(jié)煙氣進行深度治理是實現(xiàn)我國大氣污染物總量減排的重要途徑[1-2]。

目前，鋼鐵燒結(jié)煙氣脫硫有相當一部分采用濕法脫硫工藝[3]，該工藝產(chǎn)生的煙氣排出煙囪后，煙囪周圍的氣態(tài)水易與煙氣中的污染物發(fā)生凝結(jié)形成濕煙羽[4-5]，這是導致霾發(fā)生的重要原因[6]。魯健[7]研究表明，濕法脫硫工藝的鋼鐵燒結(jié)煙氣由于濕度較大、含塵量較高，不僅形成濕煙羽，而且還富集有高濃度其他污染物。陸生寬等[8]還指出，濕煙羽的存在還會導致煙囪周圍的設備腐蝕，產(chǎn)生安全隱患。濕煙羽治理主要有純加熱技術、冷凝技術和冷凝再熱技術3種[9]。本研究采用改進的冷凝再熱技術對鋼鐵燒結(jié)煙氣濕煙羽進行治理，相比于已有的冷凝再熱技術[10]，煙氣在冷凝過程中直接與噴淋液滴逆流接觸，可以更好地脫除煙氣中的SO2和顆粒物[11]；無需針對脫白系統(tǒng)增設煙氣再熱裝置，可節(jié)約一定的投資成本；整個脫白過程收集到的冷凝水可用作脫硫除霧器的沖洗水，不產(chǎn)生額外的廢水排放。目前，對于鋼鐵燒結(jié)煙氣濕煙羽治理氣-液接觸的傳熱傳質(zhì)過程涉及的冷凝水量、噴淋冷卻水量、噴淋冷卻塔(以下簡稱噴淋冷塔)出口煙氣溫度等參數(shù)尚未有完善的計算模型。在與噴淋冷塔塔形及噴淋過程相似的脫硫塔中，祝杰等[12]建立了塔內(nèi)氣-液傳質(zhì)的模型；趙金姊等[13]建立了基于噴淋換熱的氣-液直接換熱的質(zhì)量和能量守恒方程；何安群[14]對高溫煙氣與低溫液體直接換熱的換熱機理進行了詳細研究，并建立了換熱量與低溫液體流速、流量的關系。

本研究建立了噴淋冷塔內(nèi)氣-液接觸的傳熱傳質(zhì)模型，并用于一示范工程中的核心參數(shù)計算，分析該示范工程的效果。

1 氣-液接觸傳熱傳質(zhì)模型

假設噴淋冷塔內(nèi)的參數(shù)分布是一維穩(wěn)態(tài)的，以進入噴淋冷塔內(nèi)的鋼鐵燒結(jié)煙氣和噴淋冷卻水作為研究對象，鋼鐵燒結(jié)煙氣通過與噴淋冷卻水直接接觸傳熱傳質(zhì)，從而使煙氣發(fā)生焓變和凝結(jié)放熱，在此過程中煙氣的溫度和含濕率均下降；而煙氣所釋放的熱量由噴淋冷卻水吸收。在整個傳熱傳質(zhì)過程中，煙氣和噴淋冷卻水之間能量守恒、質(zhì)量守恒。

噴淋冷塔內(nèi)的鋼鐵燒結(jié)煙氣單位時間焓變計算公式見式(1)。

Δh1=cp,mM(T2-T1)

(1)

式中：Δh1為噴淋冷塔內(nèi)的鋼鐵燒結(jié)煙氣單位時間焓變，kJ/h；cp,m為鋼鐵燒結(jié)煙氣的定壓摩爾熱容，kJ/(kmol·K)，本研究主要考慮N2、O2、水蒸氣，因此取30.912 kJ/(kmol·K)；M為噴淋冷塔內(nèi)煙氣的物質(zhì)的量流量，kmol/h；T1、T2分別為噴淋冷塔出口處和入口處的煙氣溫度，K。

噴淋冷塔內(nèi)煙氣凝結(jié)放熱產(chǎn)生的冷凝水量計算公式見式(2)。

(2)

式中：W為噴淋冷塔內(nèi)煙氣凝結(jié)放熱產(chǎn)生的冷凝水量，kg/h；Vf為噴淋冷塔內(nèi)煙氣的體積流量，Nm3/h；w1、w2分別為噴淋冷塔出口處和入口處煙氣溫度下的飽和空氣含濕率，%；mn為水的摩爾質(zhì)量，g/mol；Vn為標準狀況下的氣體摩爾體積，L/mol。

煙氣凝結(jié)放熱導致煙氣單位時間的能量變化計算公式見式(3)。

Δh2=W×r

(3)

式中：Δh2為煙氣凝結(jié)放熱導致煙氣單位時間的能量變化，kJ/h；r為水的汽化潛熱，kJ/kg，本研究中水的汽化潛熱取2 401 kJ/kg。

噴淋冷卻水吸熱導致煙氣單位時間的能量變化計算公式見式(4)，根據(jù)整個過程的能量守恒可知Δh3=Δh1+Δh2，由此可以求得噴淋冷卻水量。

Δh3=p×m×Δt

(4)

式中：Δh3為噴淋冷卻水吸熱導致煙氣單位時間的能量變化，kJ/h；p為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；m為噴淋冷卻水量，kg/h；Δt為噴淋冷卻水換熱后與換熱前的溫度差，℃，本研究中噴淋冷卻水換熱前的溫度為28.00 ℃，換熱后的溫度與噴淋冷塔出口處實際煙氣溫度相同。

綜上，可推導出噴淋冷塔出口處煙氣溫度(見式(5))。

(5)

煙氣與噴淋冷卻水的單位時間理論換熱面積可以通過氣-液接觸傳質(zhì)方程(見式(6))確定。

(6)

式中：A為煙氣與噴淋冷卻水的單位時間理論換熱面積，m2/h；mf為噴淋冷塔內(nèi)煙氣的質(zhì)量流量，kg/h；d1、d2分別為噴淋冷塔出口處和入口處煙氣溫度下的飽和空氣含水量，kg/kg；hmd為以入口處煙氣溫度下的飽和空氣含水量為基準的傳質(zhì)系數(shù)，kg/m2。

單位時間內(nèi)需要的實際換熱面積根據(jù)式(7)確定。

A1=m×dsw

(7)

式中：A1為煙氣與噴淋冷卻水的單位時間實際換熱面積，m2/h；dsw為噴淋液滴的比表面積，m2/kg，取0.485 m2/kg。

2 示范工程

2.1 示范工程簡介

示范工程是山東某鋼鐵廠燒結(jié)煙氣濕煙羽治理改造項目。該鋼鐵廠有兩臺規(guī)模為108 m2的燒結(jié)機，總設計煙氣體積流量為900 000 Nm3/h。現(xiàn)階段噴淋冷塔入口處煙氣溫度冬季為53 ℃左右，夏季為55 ℃左右，改造項目擬使出口處溫度在冬季降低15.0%以上，在夏季降低9.6%以上。該示范工程工藝流程見圖1。鋼鐵燒結(jié)煙氣匯合至靜電集塵器后，依次經(jīng)過脫硫塔、濕式靜電除塵器。新建噴淋冷塔位于原有濕式靜電除塵器之后，煙氣在噴淋冷塔中降溫冷凝實現(xiàn)含濕率的降低，通過換熱器左端和熱風爐提供的熱源加熱后進入脫硝反應器，再由換熱器右端回收熱量(可用于左端供熱)后，保證排煙溫度不低于90 ℃，防止產(chǎn)生濕煙羽。

圖1 示范工程工藝流程Fig.1 Process flow of the engineering demonstration

新建噴淋冷塔塔徑為10 m，塔高為29 m，內(nèi)設4層噴淋冷凝層，下部安裝有一層合金托盤，頂部安裝有三級屋脊式除霧器。空塔流速為3.18 m/s，進口煙氣中心線高為7.7 m，最上層噴淋冷凝層高17.5 m，故氣液接觸時間為3.08 s，可以保證氣液充分換熱。噴淋冷卻水在運行過程中定期加堿進行中和，避免酸性過強。

2.2 基于氣-液接觸傳熱傳質(zhì)模型的示范工程效果評價

2.2.1 模型檢證

由于冬季氣溫低，氣象條件不利于濕煙羽的治理，且改造項目的噴淋冷塔入口處煙氣溫度冬季要求降低15.0%以上，因此模型驗證時只需驗證冬季的情況。在實際運行的過程中隨機選取單臺燒結(jié)機運行(即半負荷運行狀態(tài))和兩臺燒結(jié)機運行(即滿負荷運行狀態(tài))各3組噴淋冷塔內(nèi)煙氣的體積流量和噴淋冷塔入口處的煙氣溫度計算噴淋冷塔出口處的煙氣溫度和噴淋冷塔內(nèi)煙氣凝結(jié)放熱產(chǎn)生的冷凝水量，并與實際值進行比較，結(jié)果見表1。噴淋冷塔出口處煙氣溫度實際值與計算值的最大相對誤差在單臺燒結(jié)機運行下僅為1.28%，在兩臺燒結(jié)機運行下為2.91%，且實際值均略低于計算值，有利于煙氣的濕煙羽治理。噴淋冷塔內(nèi)煙氣凝結(jié)放熱產(chǎn)生的冷凝水量實際值與計算值的最大相對誤差在單臺燒結(jié)機運行下為3.13%，在兩臺燒結(jié)機運行下為3.22%，波動范圍也不大。由此可見，模型能夠較好地應用于濕煙羽治理時的設計計算。

表1 T1與W的計算值和實際值比較

為進一步確保模型的可靠性，以單臺燒結(jié)機運行時的Vf=420 493.50 Nm3/h和T2=54.90 ℃工況為例，計算得到噴淋冷卻水量為659.92 m3/h，于是由式(7)計算得到煙氣與噴淋冷卻水的單位時間實際換熱面積為88.91 m2。在該工況下，噴淋冷塔內(nèi)煙氣的質(zhì)量流量根據(jù)噴淋冷塔內(nèi)煙氣的體積流量和煙氣密度1.267 kg/m3換算得到，噴淋冷塔出口處和入口處煙氣溫度下的飽和空氣含水量分別為69.803、103.788 kg/kg，以入口處煙氣溫度下的飽和空氣含水量為基準的傳質(zhì)系數(shù)為5.17 kg/m2，由式(6)計算得到的煙氣與噴淋冷卻水的單位時間理論換熱面積為 87.42 m2。煙氣與噴淋冷卻水的單位時間理論換熱面積與實際換熱面積較為吻合，且實際換熱面積大于理論換熱面積，模型可靠。

2.2.2 基于模型設計的示范工程降溫效果

圖2為某年冬季連續(xù)29天的29組煙氣溫度、>排煙溫度和氣象數(shù)據(jù)(氣象數(shù)據(jù)來自當?shù)貧庀缶?。其中前15組數(shù)據(jù)只有單臺燒結(jié)機運行，后14組數(shù)據(jù)兩臺燒結(jié)機運行。同期平均氣溫為5.7 ℃，平均相對濕度為59.7%，屬于不利于濕煙羽消除的氣象條件。

圖2 示范工程的降溫效果Fig.2 Cooling effect of the engineering demonstration

在單臺燒結(jié)機運行狀態(tài)下，噴淋冷塔出口處煙氣溫度相比入口處平均下降了15.78%；在兩臺燒結(jié)機運行狀態(tài)下，平均下降了15.96%；總體平均下降了15.87%，最高達到18.15%：均滿足15.0%以上的設計目標。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，冬季平均排煙溫度為96.86 ℃，最低排煙溫度為90.70 ℃，滿足排煙溫度不低于90 ℃的設計目標，能夠保證不產(chǎn)生濕煙羽。相對濕度最大值出現(xiàn)在第28組數(shù)據(jù)中，相對濕度65%，氣溫0 ℃，出口處煙氣溫度44.90 ℃，排煙溫度90.70 ℃，現(xiàn)場目視無濕煙羽。由此可見，模型設計的降溫效果在氣象條件極為不利時也可達到預期效果。

2.2.3 基于模型設計的示范工程SO2去除效果

圖3是某年冬季連續(xù)15天早6點、午12點和晚6點的45組SO2監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖3可以看出，新增基于模型設計的噴淋冷塔能顯著降低煙氣中的SO2濃度，平均去除率可達到68.50%，最高可以達到82.99%，SO2最高排放質(zhì)量濃度為17.20 mg/m3，滿足生態(tài)環(huán)境部《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中對于SO2排放質(zhì)量濃度不高于35 mg/m3的要求，而且對于日后進一步收緊相關標準還預留有足夠的減排空間。

圖3 示范工程的SO2去除效果Fig.3 SO2 removal effect of the engineering demonstration

2.2.4 基于模型設計的示范工程顆粒物去除效果

圖4是某年冬季連續(xù)15天早6點、午12點和晚6點的45組顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖4可以看出，新增基于模型設計的噴淋冷塔也能有效降低煙氣中的顆粒物濃度，平均去除率為62.02%，最高為73.33%，顆粒物最高排放質(zhì)量濃度為4.7 mg/m3，滿足生態(tài)環(huán)境部《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中對于顆粒物排放質(zhì)量濃度不高于10 mg/m3的要求，對于日后進一步收緊相關標準也留有足夠的減排空間。

圖4 示范工程的顆粒物去除效果Fig.4 Particulate matter removal effect of the engineering demonstration

2.2.5 節(jié)水費用核算

示范工程燒結(jié)機年運行時間為8 400 h。根據(jù)模型計算得到噴淋冷塔內(nèi)煙氣凝結(jié)放熱產(chǎn)生的冷凝水量平均為24.75 t/h，循環(huán)過程中按5%的損耗考慮，則平均回收冷凝水量為23.51 t/h，一年可以減少水耗19.7萬t，按工業(yè)用水價格3.85元/t計算，年節(jié)省水費75.8萬元。

3 結(jié) 論

(1) 氣-液接觸傳熱傳質(zhì)模型應用于示范工程冬季的噴淋冷塔出口處煙氣溫度和噴淋冷塔內(nèi)煙氣凝結(jié)放熱產(chǎn)生的冷凝水量計算，得到的煙氣與噴淋冷卻水的單位時間理論換熱面積與實際換熱面積較為吻合，模型能夠較好地應用于濕煙羽治理時的設計計算。

(2) 在平均氣溫5.7 ℃、平均相對濕度59.7%的不利氣象條件下，無論是單臺燒結(jié)機運行狀態(tài)還是兩臺燒結(jié)機運行狀態(tài)，新增噴淋冷塔均可實現(xiàn)降溫15.0%以上的設計目標，最低排煙溫度不低于90 ℃，能夠保證不產(chǎn)生濕煙羽，同時SO2和顆粒物去除效果良好，可以滿足生態(tài)環(huán)境部《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中對于SO2和顆粒物的排放要求，并且對于日后進一步收緊相關標準也留有足夠的減排空間。

(3) 噴淋冷塔內(nèi)煙氣凝結(jié)放熱產(chǎn)生的冷凝水量平均為24.75 t/h，一年可以節(jié)省水耗19.7萬t，年節(jié)省水費75.8萬元。