煉鋼廠熱潑渣廢氣白霧治理及水分回收系統(tǒng)

李新強(qiáng)，賴志強(qiáng)，艾 華，劉 健，劉維鴿

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安，710018)

0 前言

當(dāng)前環(huán)保形勢嚴(yán)峻，各地逐步開展了治理廢氣排放外觀的改造，如脫硫治理中80%采用濕法工藝，雖然采取了高效除霧器來實(shí)現(xiàn)氣液分離，但運(yùn)行中，仍有較多的游離水隨廢氣排放。一般廢氣煙囪處排放溫度在55 ℃左右，廢氣含濕量較高，排出煙囪后遇冷空氣凝結(jié)水，產(chǎn)生白霧。根據(jù)國家節(jié)能減排要求，近年來鋼鐵企業(yè)正在落實(shí)國家關(guān)于污染物超低排放的要求，同時企業(yè)為增強(qiáng)自身競爭力，節(jié)水節(jié)電等降低能耗技術(shù)也成為了研究的熱點(diǎn)問題[1,2]。鋼鐵企業(yè)存在大量的沖渣或冷卻水蒸氣等白霧，廢氣因溫度降低，濕度增大, 排入大氣時會引起“煙囪雨”或“白色煙羽”等[3，4]。研究表明濕煙氣中液態(tài)水及其溶解鹽質(zhì)量的增加和數(shù)量大幅增加，形成巨量PM顆粒物，導(dǎo)致了霧霾[5-8]，同時也存在大量的水資源浪費(fèi)。煙氣冷凝除濕技術(shù)采用冷源或冷源介質(zhì)對濕廢氣進(jìn)行冷卻，煙氣沿著飽和含濕量曲線降溫，過飽和狀態(tài)下水蒸氣冷凝析出，該過程廢氣的含濕量大幅下降。污染物協(xié)同治理煙氣瞬間加壓凝結(jié)消白技術(shù)利用流場結(jié)構(gòu)瞬間提高水蒸汽分壓，從而使其液化，同時蒸汽凝結(jié)液化釋放大量潛熱,提高了煙氣出口溫度,煙氣除濕與加熱的協(xié)同作用最終保障飽和濕煙氣消白[9-10]。

煉鋼廠的鋼渣在熱潑渣車間堆積后實(shí)施水噴淋，產(chǎn)生大量水蒸汽，此類廢氣顆粒物等污染物雖能達(dá)到目前排放要求，但其因含濕量較高，排出煙囪后遇冷空氣凝結(jié)水，產(chǎn)生明顯拖尾白霧，無法滿足各地環(huán)保要求，也不符合節(jié)能減排要求[11-14]。目前多數(shù)鋼鐵企業(yè)沒有針對此類廢氣進(jìn)行處理，在節(jié)能減排的大背景下，研究高效低能耗的廢氣治理、協(xié)同除塵及水分回收系統(tǒng)十分必要。

1 廢氣原始設(shè)計參數(shù)

河北某鋼鐵公司煉鋼廠的鋼渣在熱潑渣車間堆積后實(shí)施水噴淋，水沖渣有2個工位隔日交替使用，每個工位15 m×12 m，堆高4～5 m，噴水量380 t/d，運(yùn)行中產(chǎn)生大量的水蒸汽無組織排放，當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求進(jìn)行外觀整改。根據(jù)該煉鋼廠原始廢氣參數(shù)，設(shè)計了一套廢氣白霧處理、協(xié)同除塵并實(shí)現(xiàn)水分回收的低能耗一體化反應(yīng)塔。廢氣原始設(shè)計參數(shù)表1。

表1 廢氣原始設(shè)計參數(shù)

2 廢氣白霧治理及水分回收系統(tǒng)

2.1 理論分析及計算

目前很多企業(yè)使用電除霧器收集廢氣中機(jī)械水，效果較好，但粘接、腐蝕問題常見，同時，廢氣溫度沒有變化，仍處于飽和水狀態(tài)，還有大量的水微珠，即使夏天仍會有較大白霧，冬天更大[15-17]。國內(nèi)通常處理白霧拖尾，只對排放前的廢氣升溫降低其相對濕度，如表2所示。

表2 飽和空氣理論計算數(shù)值

空氣在不同溫度下的飽和度不同，隨著溫度的降低空氣含濕量也逐步降低，實(shí)質(zhì)性白霧治理及水分回收需對廢氣溫度降低10%～20%以脫除大部分水分。研究表明，環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度與白色煙羽長度關(guān)系密切，飽和曲線切線與環(huán)境相對濕度線交于一點(diǎn)，該點(diǎn)溫度為該相對濕度下無可見濕煙羽的臨界環(huán)境溫度[18，19]。空氣飽和水含量隨著溫度和壓力而變化，當(dāng)廢氣中的含水量超過大氣中的含水量時，就出現(xiàn)“白霧”現(xiàn)象，當(dāng)廢氣中的含水量低于大氣中的含水量時，就看不到“白霧”。

濕飽和狀態(tài)廢氣隨溫度變化的曲線如圖1所示，圖中B點(diǎn)為濕廢氣在排放口的狀態(tài)點(diǎn)，E為環(huán)境空氣狀態(tài)點(diǎn)，飽和曲線上方部分為過飽和區(qū)域，此區(qū)域有水分凝結(jié)析出，產(chǎn)生白煙；飽和曲線下方為未飽和區(qū)域，此區(qū)域煙氣冷卻過程中無白煙生產(chǎn)。當(dāng)濕廢氣從排放口排出與環(huán)境空氣混合，溫度和含濕量均下降，煙氣狀態(tài)沿飽和曲線BCD變化，煙氣處于過飽和狀態(tài)，氣態(tài)水凝結(jié)形成小液滴，出現(xiàn)“白霧”。D點(diǎn)到E點(diǎn)表示廢氣與空氣進(jìn)一步混合，“煙羽”消散。因此治理“白霧”的主要原理和方法為通過改變廢氣溫度、濕度，使廢氣處于未飽和的狀態(tài)即飽和曲線下方?！鞍嘴F”是否可見，還與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Α⒋髿庀鄬穸?、廢氣擴(kuò)散速度、擴(kuò)散高度、廢氣溫降差異等諸多因素有關(guān)[20]。

項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行過程中，要先將廢氣降溫達(dá)到降低廢氣含濕量，析出水分進(jìn)行回收，再將廢氣升溫達(dá)到降低廢氣相對濕度。根據(jù)廢氣原始參數(shù)，廢氣以濕空氣計算，其組分為空氣量和水蒸汽。

廢氣中干空氣量150000-14926=135074 Nm3/h

該系統(tǒng)換熱器采用波紋板式，其參數(shù)見表3。為降低能源消耗加熱利用原廢氣的熱量，根據(jù)計算，在塔上層布置GGH，管內(nèi)走高溫濕空氣，管外走冷空氣，經(jīng)GGH后80 ℃的濕空氣降溫至60 ℃左右，冷空氣從40 ℃升溫至60 ℃左右，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度5 ℃，60%濕度無明顯可見煙羽。

表3 換熱器設(shè)計參數(shù)

廢氣經(jīng)換熱器降溫后從塔底部再次進(jìn)塔，經(jīng)填料層和噴淋層冷卻降溫，析出部分氣態(tài)水，使廢氣從60 ℃降溫至40 ℃。噴淋層上部配置二層除霧器分離液態(tài)水，除霧器采用PP材質(zhì)，除霧器出口霧滴濃度不超過75 mg/Nm3。經(jīng)計算，該系統(tǒng)需初溫15 ℃的循環(huán)水200 t/h，經(jīng)過噴淋換熱后水溫約30 ℃，與廢氣凝結(jié)水一起進(jìn)入塔底排水槽自流至水循環(huán)系統(tǒng)。經(jīng)除霧器后的凈廢氣經(jīng)過換熱器加熱至約60 ℃后排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度5 ℃，60%濕度無明顯可見煙羽。

2.2 工藝技術(shù)路線

本文設(shè)計的熱潑渣廢氣白霧治理及水分回收系統(tǒng)為2條連鑄生產(chǎn)線配套的，新建2套處理系統(tǒng)，每套處理系統(tǒng)按15萬Nm3/h氣量設(shè)計，每座塔由底部匯水槽，底部進(jìn)氣連接管，填料層、噴淋層、雙層除霧器、GGH換熱器和頂部排氣筒組成。該熱潑渣廢氣白霧治理及水分回收系統(tǒng)處理流程：廢氣(溫度80 ℃)→廢氣冷卻(溫度60 ℃)→降溫噴水(溫度40 ℃)→廢氣加熱(溫度60 ℃)→排氣筒，如圖2所示。

圖2 熱潑渣廢氣白霧治理及水分回收系統(tǒng)處理流程

2.3 工藝控制過程

每條連鑄線上2個點(diǎn)的水蒸汽經(jīng)各自風(fēng)機(jī)抽引匯總后至反應(yīng)塔GGH換熱器降溫，降溫后的廢氣出GGH后從反應(yīng)塔的底部進(jìn)入，經(jīng)填料式換熱器與噴淋水充分接觸，溫度降低至40 ℃的飽和濕氣體，再經(jīng)二級屋脊除霧器去除霧滴后，經(jīng)GGH加熱后由排氣筒排放。圖2中各階段的廢氣溫度詳見表4。

從表4可以看出，原廢氣經(jīng)GGH換熱器將原廢氣的部分熱量釋放給經(jīng)兩級降溫后冷廢氣，冷廢氣也從40 ℃升溫至60 ℃左右，最終實(shí)現(xiàn)原廢氣從80 ℃降溫至60 ℃左右排放。廢氣經(jīng)過兩級降溫，經(jīng)換熱器一級降溫后，再噴淋降溫將廢氣再冷卻，煙氣溫度降低到40 ℃以下或更低，大大降低了廢氣的飽和度，析出大量的水分，降低廢氣含水率，再通過GGH換熱器升高廢氣溫度，使煙氣中的大部分飽和水蒸氣冷凝析出，降溫冷凝水通過沉淀后返回利用。白霧廢氣整個換熱降溫、噴淋冷凝廢氣處理工藝過程中，同時也除去夾帶的霧滴和小顆粒物，實(shí)現(xiàn)大氣污染物的深度治理[21]。

表4 各階段廢氣溫度

2.4 水分回收估算

煙氣降溫再熱技術(shù)是通過先降溫冷凝再加熱剩余濕煙氣，不僅可以回收濕煙氣降溫冷凝析出的水，而且水分析出后濕煙氣的定壓比熱降低[21]，與環(huán)境溫度的溫度差降低，冷卻后濕煙氣需要再加熱的熱量大為減少。

按該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，可完成雙脫水，一是回收大量游離水，二是回收大量廢氣中帶走的飽和水。按照熱潑渣車間堆積水噴淋380 t/d的水量，其中80%被蒸發(fā)計算，水分回收率90%，可減少水耗273.6 t/d，全年按照330天，節(jié)水量約9萬噸，節(jié)水效益按6元/噸計算，約54萬元。

3 結(jié)論

通過理論分析論及計算，為河北某鋼鐵公司煉鋼廠產(chǎn)生的鋼渣在熱潑渣車間，設(shè)計了一套不新增熱源的高效低能耗的處理系統(tǒng)。該熱潑渣廢氣白霧治理及水分回收系統(tǒng)采用先降溫再升溫的工藝，使得廢氣中的飽和水分大幅度降低，廢氣再通過換熱器升溫20℃，再降低相對濕度，使廢氣從飽和濕度狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜐穸龋瑢?shí)現(xiàn)環(huán)境溫度5 ℃，60%濕度無明顯可見煙羽，滿足地方環(huán)保要求，同時回收水分約9萬噸(全年按照330天計)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，為廢氣白霧治理、大氣污染物的協(xié)調(diào)深度治理及水分回收技術(shù)的應(yīng)用提供了一定的參考價值。