钢铁烧结烟气湿烟羽治理气-液接触传热传质模型及其工程示范

周轶宗 沈 凯 梁世伟

(东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096)

2018年我国钢铁行业的SO2和颗粒物排放量分别为68.3万、163.6万t，是目前我国主要的大气污染物排放源之一，其中钢铁烧结烟气的SO2排放量约占整个钢铁行业排放量的70%，颗粒物约占50%，因此对钢铁烧结烟气进行深度治理是实现我国大气污染物总量减排的重要途径[1-2]。

目前，钢铁烧结烟气脱硫有相当一部分采用湿法脱硫工艺[3]，该工艺产生的烟气排出烟囱后，烟囱周围的气态水易与烟气中的污染物发生凝结形成湿烟羽[4-5]，这是导致霾发生的重要原因[6]。鲁健[7]研究表明，湿法脱硫工艺的钢铁烧结烟气由于湿度较大、含尘量较高，不仅形成湿烟羽，而且还富集有高浓度其他污染物。陆生宽等[8]还指出，湿烟羽的存在还会导致烟囱周围的设备腐蚀，产生安全隐患。湿烟羽治理主要有纯加热技术、冷凝技术和冷凝再热技术3种[9]。本研究采用改进的冷凝再热技术对钢铁烧结烟气湿烟羽进行治理，相比于已有的冷凝再热技术[10]，烟气在冷凝过程中直接与喷淋液滴逆流接触，可以更好地脱除烟气中的SO2和颗粒物[11]；无需针对脱白系统增设烟气再热装置，可节约一定的投资成本；整个脱白过程收集到的冷凝水可用作脱硫除雾器的冲洗水，不产生额外的废水排放。目前，对于钢铁烧结烟气湿烟羽治理气-液接触的传热传质过程涉及的冷凝水量、喷淋冷却水量、喷淋冷却塔(以下简称喷淋冷塔)出口烟气温度等参数尚未有完善的计算模型。在与喷淋冷塔塔形及喷淋过程相似的脱硫塔中，祝杰等[12]建立了塔内气-液传质的模型；赵金姊等[13]建立了基于喷淋换热的气-液直接换热的质量和能量守恒方程；何安群[14]对高温烟气与低温液体直接换热的换热机理进行了详细研究，并建立了换热量与低温液体流速、流量的关系。

本研究建立了喷淋冷塔内气-液接触的传热传质模型，并用于一示范工程中的核心参数计算，分析该示范工程的效果。

1 气-液接触传热传质模型

假设喷淋冷塔内的参数分布是一维稳态的，以进入喷淋冷塔内的钢铁烧结烟气和喷淋冷却水作为研究对象，钢铁烧结烟气通过与喷淋冷却水直接接触传热传质，从而使烟气发生焓变和凝结放热，在此过程中烟气的温度和含湿率均下降；而烟气所释放的热量由喷淋冷却水吸收。在整个传热传质过程中，烟气和喷淋冷却水之间能量守恒、质量守恒。

喷淋冷塔内的钢铁烧结烟气单位时间焓变计算公式见式(1)。

Δh1=cp,mM(T2-T1)

(1)

式中：Δh1为喷淋冷塔内的钢铁烧结烟气单位时间焓变，kJ/h；cp,m为钢铁烧结烟气的定压摩尔热容，kJ/(kmol·K)，本研究主要考虑N2、O2、水蒸气，因此取30.912 kJ/(kmol·K)；M为喷淋冷塔内烟气的物质的量流量，kmol/h；T1、T2分别为喷淋冷塔出口处和入口处的烟气温度，K。

喷淋冷塔内烟气凝结放热产生的冷凝水量计算公式见式(2)。

(2)

式中：W为喷淋冷塔内烟气凝结放热产生的冷凝水量，kg/h；Vf为喷淋冷塔内烟气的体积流量，Nm3/h；w1、w2分别为喷淋冷塔出口处和入口处烟气温度下的饱和空气含湿率，%；mn为水的摩尔质量，g/mol；Vn为标准状况下的气体摩尔体积，L/mol。

烟气凝结放热导致烟气单位时间的能量变化计算公式见式(3)。

Δh2=W×r

(3)

式中：Δh2为烟气凝结放热导致烟气单位时间的能量变化，kJ/h；r为水的汽化潜热，kJ/kg，本研究中水的汽化潜热取2 401 kJ/kg。

喷淋冷却水吸热导致烟气单位时间的能量变化计算公式见式(4)，根据整个过程的能量守恒可知Δh3=Δh1+Δh2，由此可以求得喷淋冷却水量。

Δh3=p×m×Δt

(4)

式中：Δh3为喷淋冷却水吸热导致烟气单位时间的能量变化，kJ/h；p为水的比热容，kJ/(kg·℃)；m为喷淋冷却水量，kg/h；Δt为喷淋冷却水换热后与换热前的温度差，℃，本研究中喷淋冷却水换热前的温度为28.00 ℃，换热后的温度与喷淋冷塔出口处实际烟气温度相同。

综上，可推导出喷淋冷塔出口处烟气温度(见式(5))。

(5)

烟气与喷淋冷却水的单位时间理论换热面积可以通过气-液接触传质方程(见式(6))确定。

(6)

式中：A为烟气与喷淋冷却水的单位时间理论换热面积，m2/h；mf为喷淋冷塔内烟气的质量流量，kg/h；d1、d2分别为喷淋冷塔出口处和入口处烟气温度下的饱和空气含水量，kg/kg；hmd为以入口处烟气温度下的饱和空气含水量为基准的传质系数，kg/m2。

单位时间内需要的实际换热面积根据式(7)确定。

A1=m×dsw

(7)

式中：A1为烟气与喷淋冷却水的单位时间实际换热面积，m2/h；dsw为喷淋液滴的比表面积，m2/kg，取0.485 m2/kg。

2 示范工程

2.1 示范工程简介

示范工程是山东某钢铁厂烧结烟气湿烟羽治理改造项目。该钢铁厂有两台规模为108 m2的烧结机，总设计烟气体积流量为900 000 Nm3/h。现阶段喷淋冷塔入口处烟气温度冬季为53 ℃左右，夏季为55 ℃左右，改造项目拟使出口处温度在冬季降低15.0%以上，在夏季降低9.6%以上。该示范工程工艺流程见图1。钢铁烧结烟气汇合至静电集尘器后，依次经过脱硫塔、湿式静电除尘器。新建喷淋冷塔位于原有湿式静电除尘器之后，烟气在喷淋冷塔中降温冷凝实现含湿率的降低，通过换热器左端和热风炉提供的热源加热后进入脱硝反应器，再由换热器右端回收热量(可用于左端供热)后，保证排烟温度不低于90 ℃，防止产生湿烟羽。

图1 示范工程工艺流程Fig.1 Process flow of the engineering demonstration

新建喷淋冷塔塔径为10 m，塔高为29 m，内设4层喷淋冷凝层，下部安装有一层合金托盘，顶部安装有三级屋脊式除雾器。空塔流速为3.18 m/s，进口烟气中心线高为7.7 m，最上层喷淋冷凝层高17.5 m，故气液接触时间为3.08 s，可以保证气液充分换热。喷淋冷却水在运行过程中定期加碱进行中和，避免酸性过强。

2.2 基于气-液接触传热传质模型的示范工程效果评价

2.2.1 模型检证

由于冬季气温低，气象条件不利于湿烟羽的治理，且改造项目的喷淋冷塔入口处烟气温度冬季要求降低15.0%以上，因此模型验证时只需验证冬季的情况。在实际运行的过程中随机选取单台烧结机运行(即半负荷运行状态)和两台烧结机运行(即满负荷运行状态)各3组喷淋冷塔内烟气的体积流量和喷淋冷塔入口处的烟气温度计算喷淋冷塔出口处的烟气温度和喷淋冷塔内烟气凝结放热产生的冷凝水量，并与实际值进行比较，结果见表1。喷淋冷塔出口处烟气温度实际值与计算值的最大相对误差在单台烧结机运行下仅为1.28%，在两台烧结机运行下为2.91%，且实际值均略低于计算值，有利于烟气的湿烟羽治理。喷淋冷塔内烟气凝结放热产生的冷凝水量实际值与计算值的最大相对误差在单台烧结机运行下为3.13%，在两台烧结机运行下为3.22%，波动范围也不大。由此可见，模型能够较好地应用于湿烟羽治理时的设计计算。

表1 T1与W的计算值和实际值比较

为进一步确保模型的可靠性，以单台烧结机运行时的Vf=420 493.50 Nm3/h和T2=54.90 ℃工况为例，计算得到喷淋冷却水量为659.92 m3/h，于是由式(7)计算得到烟气与喷淋冷却水的单位时间实际换热面积为88.91 m2。在该工况下，喷淋冷塔内烟气的质量流量根据喷淋冷塔内烟气的体积流量和烟气密度1.267 kg/m3换算得到，喷淋冷塔出口处和入口处烟气温度下的饱和空气含水量分别为69.803、103.788 kg/kg，以入口处烟气温度下的饱和空气含水量为基准的传质系数为5.17 kg/m2，由式(6)计算得到的烟气与喷淋冷却水的单位时间理论换热面积为 87.42 m2。烟气与喷淋冷却水的单位时间理论换热面积与实际换热面积较为吻合，且实际换热面积大于理论换热面积，模型可靠。

2.2.2 基于模型设计的示范工程降温效果

图2为某年冬季连续29天的29组烟气温度、>排烟温度和气象数据(气象数据来自当地气象局)。其中前15组数据只有单台烧结机运行，后14组数据两台烧结机运行。同期平均气温为5.7 ℃，平均相对湿度为59.7%，属于不利于湿烟羽消除的气象条件。

图2 示范工程的降温效果Fig.2 Cooling effect of the engineering demonstration

在单台烧结机运行状态下，喷淋冷塔出口处烟气温度相比入口处平均下降了15.78%；在两台烧结机运行状态下，平均下降了15.96%；总体平均下降了15.87%，最高达到18.15%：均满足15.0%以上的设计目标。监测数据显示，冬季平均排烟温度为96.86 ℃，最低排烟温度为90.70 ℃，满足排烟温度不低于90 ℃的设计目标，能够保证不产生湿烟羽。相对湿度最大值出现在第28组数据中，相对湿度65%，气温0 ℃，出口处烟气温度44.90 ℃，排烟温度90.70 ℃，现场目视无湿烟羽。由此可见，模型设计的降温效果在气象条件极为不利时也可达到预期效果。

2.2.3 基于模型设计的示范工程SO2去除效果

图3是某年冬季连续15天早6点、午12点和晚6点的45组SO2监测数据。由图3可以看出，新增基于模型设计的喷淋冷塔能显著降低烟气中的SO2浓度，平均去除率可达到68.50%，最高可以达到82.99%，SO2最高排放质量浓度为17.20 mg/m3，满足生态环境部《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中对于SO2排放质量浓度不高于35 mg/m3的要求，而且对于日后进一步收紧相关标准还预留有足够的减排空间。

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

2.2.4 基于模型设计的示范工程颗粒物去除效果

图4是某年冬季连续15天早6点、午12点和晚6点的45组颗粒物监测数据。由图4可以看出，新增基于模型设计的喷淋冷塔也能有效降低烟气中的颗粒物浓度，平均去除率为62.02%，最高为73.33%，颗粒物最高排放质量浓度为4.7 mg/m3，满足生态环境部《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中对于颗粒物排放质量浓度不高于10 mg/m3的要求，对于日后进一步收紧相关标准也留有足够的减排空间。

图4 示范工程的颗粒物去除效果Fig.4 Particulate matter removal effect of the engineering demonstration

2.2.5 节水费用核算

示范工程烧结机年运行时间为8 400 h。根据模型计算得到喷淋冷塔内烟气凝结放热产生的冷凝水量平均为24.75 t/h，循环过程中按5%的损耗考虑，则平均回收冷凝水量为23.51 t/h，一年可以减少水耗19.7万t，按工业用水价格3.85元/t计算，年节省水费75.8万元。

3 结 论

(1) 气-液接触传热传质模型应用于示范工程冬季的喷淋冷塔出口处烟气温度和喷淋冷塔内烟气凝结放热产生的冷凝水量计算，得到的烟气与喷淋冷却水的单位时间理论换热面积与实际换热面积较为吻合，模型能够较好地应用于湿烟羽治理时的设计计算。

(2) 在平均气温5.7 ℃、平均相对湿度59.7%的不利气象条件下，无论是单台烧结机运行状态还是两台烧结机运行状态，新增喷淋冷塔均可实现降温15.0%以上的设计目标，最低排烟温度不低于90 ℃，能够保证不产生湿烟羽，同时SO2和颗粒物去除效果良好，可以满足生态环境部《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中对于SO2和颗粒物的排放要求，并且对于日后进一步收紧相关标准也留有足够的减排空间。

(3) 喷淋冷塔内烟气凝结放热产生的冷凝水量平均为24.75 t/h，一年可以节省水耗19.7万t，年节省水费75.8万元。