周軼宗 沈 凱 梁世偉

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

2018年我國(guó)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(guó)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(gè)鋼鐵行業(yè)排放量的70%，顆粒物約占50%，因此對(duì)鋼鐵燒結(jié)煙氣進(jìn)行深度治理是實(shí)現(xiàn)我國(guó)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(dāng)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(dǎo)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(huì)導(dǎo)致煙囪周圍的設(shè)備腐蝕，產(chǎn)生安全隱患。濕煙羽治理主要有純加熱技術(shù)、冷凝技術(shù)和冷凝再熱技術(shù)3種[9]。本研究采用改進(jìn)的冷凝再熱技術(shù)對(duì)鋼鐵燒結(jié)煙氣濕煙羽進(jìn)行治理，相比于已有的冷凝再熱技術(shù)[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(duì)脫白系統(tǒng)增設(shè)煙氣再熱裝置，可節(jié)約一定的投資成本；整個(gè)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(duì)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(jiǎn)稱噴淋冷塔)出口煙氣溫度等參數(shù)尚未有完善的計(jì)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(duì)高溫?zé)煔馀c低溫液體直接換熱的換熱機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究，并建立了換熱量與低溫液體流速、流量的關(guān)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(jì)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(shè)噴淋冷塔內(nèi)的參數(shù)分布是一維穩(wěn)態(tài)的，以進(jìn)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(duì)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(gè)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(shí)間焓變計(jì)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(shí)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體摩爾體積，L/mol。

煙氣凝結(jié)放熱導(dǎo)致煙氣單位時(shí)間的能量變化計(jì)算公式見式(3)。

Δh2=W×r

(3)

式中：Δh2為煙氣凝結(jié)放熱導(dǎo)致煙氣單位時(shí)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(dǎo)致煙氣單位時(shí)間的能量變化計(jì)算公式見式(4)，根據(jù)整個(gè)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(dǎo)致煙氣單位時(shí)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(shí)際煙氣溫度相同。

綜上，可推導(dǎo)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(shí)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(shí)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(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù)，kg/m2。

單位時(shí)間內(nèi)需要的實(shí)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(shí)間實(shí)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(jiǎn)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(xiàng)目。該鋼鐵廠有兩臺(tái)規(guī)模為108 m2的燒結(jié)機(jī)，總設(shè)計(jì)煙氣體積流量為900 000 Nm3/h?，F(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(xiàng)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(shí)現(xiàn)含濕率的降低，通過換熱器左端和熱風(fēng)爐提供的熱源加熱后進(jìn)入脫硝反應(yīng)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(shè)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(jí)屋脊式除霧器?？账魉贋?.18 m/s，進(jìn)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(shí)間為3.08 s，可以保證氣液充分換熱。噴淋冷卻水在運(yùn)行過程中定期加堿進(jìn)行中和，避免酸性過強(qiáng)。

2.2 基于氣-液接觸傳熱傳質(zhì)模型的示范工程效果評(píng)價(jià)

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(xiàng)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(yàn)證時(shí)只需驗(yàn)證冬季的情況。在實(shí)際運(yùn)行的過程中隨機(jī)選取單臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行(即半負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài))和兩臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行(即滿負(fù)荷運(yùn)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(jì)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(shí)際值進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。噴淋冷塔出口處煙氣溫度實(shí)際值與計(jì)算值的最大相對(duì)誤差在單臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行下僅為1.28%，在兩臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行下為2.91%，且實(shí)際值均略低于計(jì)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(shí)際值與計(jì)算值的最大相對(duì)誤差在單臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行下為3.13%，在兩臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行下為3.22%，波動(dòng)范圍也不大。由此可見，模型能夠較好地應(yīng)用于濕煙羽治理時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

表1 T1與W的計(jì)算值和實(shí)際值比較

為進(jìn)一步確保模型的可靠性，以單臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行時(shí)的Vf=420 493.50 Nm3/h和T2=54.90 ℃工況為例，計(jì)算得到噴淋冷卻水量為659.92 m3/h，于是由式(7)計(jì)算得到煙氣與噴淋冷卻水的單位時(shí)間實(shí)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(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù)為5.17 kg/m2，由式(6)計(jì)算得到的煙氣與噴淋冷卻水的單位時(shí)間理論換熱面積為 87.42 m2。煙氣與噴淋冷卻水的單位時(shí)間理論換熱面積與實(shí)際換熱面積較為吻合，且實(shí)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(shè)計(jì)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(dāng)?shù)貧庀缶?。其中前15組數(shù)據(jù)只有單臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行，后14組數(shù)據(jù)兩臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行。同期平均氣溫為5.7 ℃，平均相對(duì)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(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)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(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，平均下降了15.96%；總體平均下降了15.87%，最高達(dá)到18.15%：均滿足15.0%以上的設(shè)計(jì)目標(biāo)。監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠保證不產(chǎn)生濕煙羽。相對(duì)濕度最大值出現(xiàn)在第28組數(shù)據(jù)中，相對(duì)濕度65%，氣溫0 ℃，出口處煙氣溫度44.90 ℃，排煙溫度90.70 ℃，現(xiàn)場(chǎng)目視無濕煙羽。由此可見，模型設(shè)計(jì)的降溫效果在氣象條件極為不利時(shí)也可達(dá)到預(yù)期效果。

2.2.3 基于模型設(shè)計(jì)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(diǎn)、午12點(diǎn)和晚6點(diǎn)的45組SO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖3可以看出，新增基于模型設(shè)計(jì)的噴淋冷塔能顯著降低煙氣中的SO2濃度，平均去除率可達(dá)到68.50%，最高可以達(dá)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(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中對(duì)于SO2排放質(zhì)量濃度不高于35 mg/m3的要求，而且對(duì)于日后進(jìn)一步收緊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還預(yù)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(shè)計(jì)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(diǎn)、午12點(diǎn)和晚6點(diǎn)的45組顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖4可以看出，新增基于模型設(shè)計(jì)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(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中對(duì)于顆粒物排放質(zhì)量濃度不高于10 mg/m3的要求，對(duì)于日后進(jìn)一步收緊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)用核算

示范工程燒結(jié)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間為8 400 h。根據(jù)模型計(jì)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(jià)格3.85元/t計(jì)算，年節(jié)省水費(fèi)75.8萬元。

3 結(jié) 論

(1) 氣-液接觸傳熱傳質(zhì)模型應(yīng)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(jì)算，得到的煙氣與噴淋冷卻水的單位時(shí)間理論換熱面積與實(shí)際換熱面積較為吻合，模型能夠較好地應(yīng)用于濕煙羽治理時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

(2) 在平均氣溫5.7 ℃、平均相對(duì)濕度59.7%的不利氣象條件下，無論是單臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)還是兩臺(tái)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，新增噴淋冷塔均可實(shí)現(xiàn)降溫15.0%以上的設(shè)計(jì)目標(biāo)，最低排煙溫度不低于90 ℃，能夠保證不產(chǎn)生濕煙羽，同時(shí)SO2和顆粒物去除效果良好，可以滿足生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中對(duì)于SO2和顆粒物的排放要求，并且對(duì)于日后進(jìn)一步收緊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)75.8萬元。