李新強，賴志強，艾 華，劉 健，劉維鴿

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安，710018)

0 前言

當前環(huán)保形勢嚴峻，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現氣液分離，但運行中，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水，產生白霧。根據國家節(jié)能減排要求，近年來鋼鐵企業(yè)正在落實國家關于污染物超低排放的要求，同時企業(yè)為增強自身競爭力，節(jié)水節(jié)電等降低能耗技術也成為了研究的熱點問題[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)水及其溶解鹽質量的增加和數量大幅增加，形成巨量PM顆粒物，導致了霧霾[5-8]，同時也存在大量的水資源浪費。煙氣冷凝除濕技術采用冷源或冷源介質對濕廢氣進行冷卻，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。污染物協同治理煙氣瞬間加壓凝結消白技術利用流場結構瞬間提高水蒸汽分壓，從而使其液化，同時蒸汽凝結液化釋放大量潛熱,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施水噴淋，產生大量水蒸汽，此類廢氣顆粒物等污染物雖能達到目前排放要求，但其因含濕量較高，排出煙囪后遇冷空氣凝結水，產生明顯拖尾白霧，無法滿足各地環(huán)保要求，也不符合節(jié)能減排要求[11-14]。目前多數鋼鐵企業(yè)沒有針對此類廢氣進行處理，在節(jié)能減排的大背景下，研究高效低能耗的廢氣治理、協同除塵及水分回收系統(tǒng)十分必要。

1 廢氣原始設計參數

河北某鋼鐵公司煉鋼廠的鋼渣在熱潑渣車間堆積后實施水噴淋，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，運行中產生大量的水蒸汽無組織排放，當地環(huán)保部門要求進行外觀整改。根據該煉鋼廠原始廢氣參數，設計了一套廢氣白霧處理、協同除塵并實現水分回收的低能耗一體化反應塔。廢氣原始設計參數表1。

表1 廢氣原始設計參數

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，實質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系密切，飽和曲線切線與環(huán)境相對濕度線交于一點，該點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]?？諝怙柡退侩S著溫度和壓力而變化，當廢氣中的含水量超過大氣中的含水量時，就出現“白霧”現象，當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點為濕廢氣在排放口的狀態(tài)點，E為環(huán)境空氣狀態(tài)點，飽和曲線上方部分為過飽和區(qū)域，此區(qū)域有水分凝結析出，產生白煙；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。當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)水凝結形成小液滴，出現“白霧”。D點到E點表示廢氣與空氣進一步混合，“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。“白霧”是否可見，還與當地大氣壓力、大氣相對濕度、廢氣擴散速度、擴散高度、廢氣溫降差異等諸多因素有關[20]。

項目實際運行過程中，要先將廢氣降溫達到降低廢氣含濕量，析出水分進行回收，再將廢氣升溫達到降低廢氣相對濕度。根據廢氣原始參數，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，其參數見表3。為降低能源消耗加熱利用原廢氣的熱量，根據計算，在塔上層布置GGH，管內走高溫濕空氣，管外走冷空氣，經GGH后80 ℃的濕空氣降溫至60 ℃左右，冷空氣從40 ℃升溫至60 ℃左右，實現環(huán)境溫度5 ℃，60%濕度無明顯可見煙羽。

表3 換熱器設計參數

廢氣經換熱器降溫后從塔底部再次進塔，經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，除霧器出口霧滴濃度不超過75 mg/Nm3。經計算，該系統(tǒng)需初溫15 ℃的循環(huán)水200 t/h，經過噴淋換熱后水溫約30 ℃，與廢氣凝結水一起進入塔底排水槽自流至水循環(huán)系統(tǒng)。經除霧器后的凈廢氣經過換熱器加熱至約60 ℃后排放，實現環(huán)境溫度5 ℃，60%濕度無明顯可見煙羽。

2.2 工藝技術路線

本文設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氣量設計，每座塔由底部匯水槽，底部進氣連接管，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個點的水蒸汽經各自風機抽引匯總后至反應塔GGH換熱器降溫，降溫后的廢氣出GGH后從反應塔的底部進入，經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，再經二級屋脊除霧器去除霧滴后，經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GGH換熱器將原廢氣的部分熱量釋放給經兩級降溫后冷廢氣，冷廢氣也從40 ℃升溫至60 ℃左右，最終實現原廢氣從80 ℃降溫至60 ℃左右排放。廢氣經過兩級降溫，經換熱器一級降溫后，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，實現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)實際運行數據，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 結論

通過理論分析論及計算，為河北某鋼鐵公司煉鋼廠產生的鋼渣在熱潑渣車間，設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?，實現環(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)，具有較好的經濟效益，為廢氣白霧治理、大氣污染物的協調深度治理及水分回收技術的應用提供了一定的參考價值。