为应对气候变化对人类社会的影响,习近平总书记提出了中国2030年碳达峰和2060年碳中和的宏伟目标。中国钢铁行业是碳排放大户,而高炉煤气是钢铁行业中最主要的CO2排放源。对高炉煤气进行CO2捕集不仅有助于冶金工业碳减排,还可以增加高炉煤气热值,从而带来经济效益。本文为探索高炉煤气氨法脱碳吸收过程的传热、传质、化学反应的关系,根据氨水吸收CO2的基础理论,设计高炉煤气氨法脱碳吸收塔,基于质量、热量的传递和守恒方程,建立吸收塔中高炉煤气氨法脱碳过程的传热传质数学模型,采用数值模拟的方法研究相关因素对脱碳过程性能的影响。首先,基于双膜理论和亨利定律,分析水吸收CO2过程的速率与传质阻力。氨水与CO2发生化学反应时可减小液膜阻力,降低CO2气相平衡分压,故氨法吸收CO2过程的速度和限度优于水吸收CO2等物理吸收。化学反应对氨法吸收CO2过程的增强效果用化学反应增强因子衡量,可借助氨水与CO2的化学反应原理及动力学数据计算得到。其次,介绍钢铁企业碳素流的分布及影响因素,分析高炉煤气脱碳对企业碳排放的影响和高炉煤气脱碳技术研究现状。针对某钢铁公司一号高炉炼铁系统,设计一座高炉煤气脱碳吸收塔。设计中高炉净煤气处理量为400 000Nm~3/h,CO2入口浓度为20%,脱除率不低于90%。选取质量分数为8%的氨水溶液作为吸收剂,在常温常压下进行吸收操作。填料选用聚丙烯塑料材质50mm尺寸的阶梯环散装填料,取液气比为6L/m~3,吸收塔塔径为10m,填料层高度为22m。然后,根据质量、热量守恒和传递定律,通过对微元填料层的CO2传递和热量传递分析,建立吸收塔中高炉煤气氨法脱碳过程的数学模型,包括四个控制方程及两个边界条件。利用Fortran语言编写计算程序,实现脱碳过程的模拟计算。通过与相关实验数据对比,验证模型的准确性。最后,以设计的高炉煤气氨法脱碳吸收塔为基础,模拟得到塔内CO2浓度、气液两相温度沿塔高的分布情况,分析设计条件下的传热传质规律。通过改变填料层高度、氨水浓度、液气比、氨水入口温度,模拟并分析其对脱碳过程的影响规律及程度大小。结果表明:设计条件下的CO2脱除率为90.2%,符合要求。选定的参数范围内,随着填料层高度、氨水浓度、液气比、氨水入口温度的增大,CO2脱除率均有不同程度的增加。当填料层高度从14m增加到22m时,脱除率由76.3%增加到90.2%,填料层高度为30m时,脱除率超过了95%;当氨水浓度从2%增加到8%时,脱除率由70.2%增加到90.2%,氨水浓度为10%时,脱除率为92.3%;当液气比从4L/m~3增加到12L/m~3时,脱除率由87.8%增加到93.2%。总体看来,氨水浓度和填料层高度对脱除率影响较大。本研究建立的传热传质数学模型,可为高炉煤气脱碳技术应用提供理论基础,能够指导高炉煤气CO2捕集系统设计和优化运行。