宋德寬 杜皓蕾

（1.中國(guó)原子能研究院；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

煤、石油和天然氣是目前全球最主要的能源，其中除了碳氧元素組成的烴類化合物是供能的有效成分外，還有含硫、含氧、含氮化合物等鹽類以及金屬、瀝青、膠質(zhì)等［1］，使用后尾氣中會(huì)含有二氧化硫和大量的粉塵顆粒物，直接排放將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染［2］。凈化吸收煙氣中的二氧化硫?qū)⒂行Ь徑馑嵊陠栴}［3］，粉塵的分離脫除也將改善日益嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象［4］。因此，研究煙氣的脫硫除塵一體化具有十分重要的意義。Ma L等采用并聯(lián)噴射旋風(fēng)分離設(shè)備去除清焦煙氣細(xì)微粉塵［5］。Fu P B等通過逆旋分離器中的顆粒碰撞與捕獲來提高PM2.5的去除效率［6］。Ma L等采用噴射吸收技術(shù)達(dá)到高效凈化含氨廢氣的目的［7］。

筆者使用自行設(shè)計(jì)的噴射吸收旋風(fēng)分離器對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫除塵處理，以焚化爐尾氣為原料氣，2%wt的氫氧化鈉溶液為吸收液，研究了進(jìn)氣速度和吸收液噴射速度對(duì)氣相壓降、脫硫效率和除塵效率的影響，確定了噴射吸收旋風(fēng)分離器脫硫除塵最佳工藝參數(shù)的工況條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 噴射吸收旋風(fēng)分離器

傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器多相介質(zhì)由同一入口進(jìn)入，隨著芯管截面積的變化，介質(zhì)在旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)作用下進(jìn)行多相分離，主要為物理反應(yīng)。而筆者設(shè)計(jì)的噴射吸收旋風(fēng)分離器（圖1）沿用了旋風(fēng)分離器多段筒體結(jié)構(gòu)，且在上柱段部分設(shè)置液相射流孔。小孔群繞筒壁面等夾角均勻分布，氣相由切向矩形入口進(jìn)入，液相由射流孔噴入，液相射流場(chǎng)和氣相旋流場(chǎng)的耦合作用會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。該設(shè)備兼具氣液吸收、反應(yīng)和分離一體化功能。

圖1 噴射吸收旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖

噴射吸收旋風(fēng)分離器具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如下：

柱段長(zhǎng)度H1180mm

錐段長(zhǎng)度H2120mm

底流口長(zhǎng)度H340mm

柱段直徑D140mm

底流口直徑D218mm

噴射孔段長(zhǎng)度h 100mm

噴射孔間距l(xiāng) 10mm

噴射孔直徑d 1mm

進(jìn)口長(zhǎng)度a 25mm

進(jìn)口寬度b 14mm

插入管直徑Dx16mm

插入管深度S 150mm

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

工業(yè)焚化爐煙氣處理系統(tǒng)如圖2所示。焚化爐燃燒產(chǎn)生含有SO2和顆粒污染物的高溫焚燒煙氣，經(jīng)換熱器進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換收集后，含硫含塵煙氣進(jìn)入氣體處理罐；外置風(fēng)機(jī)為煙氣輸送提供動(dòng)力，氣路上的控制閥門和氣體流量計(jì)用于顯示和調(diào)節(jié)煙氣進(jìn)氣流量，壓差計(jì)檢測(cè)進(jìn)出氣口壓降；氣體處理罐中設(shè)有多個(gè)噴射吸收旋風(fēng)分離器，切向進(jìn)入的煙氣形成強(qiáng)烈的氣體旋流場(chǎng)。堿液罐儲(chǔ)有預(yù)設(shè)濃度的堿性吸收液，外置液體泵為吸收液的輸送循環(huán)提供動(dòng)力；液路上的控制閥門和液體流量計(jì)用于顯示和調(diào)節(jié)吸收液進(jìn)液流量，控制閥門用于控制堿液自循環(huán)混合均勻度；堿性吸收液進(jìn)入氣體處理罐的夾板，在壓力作用下形成穩(wěn)定的液相射流場(chǎng)；在氣體旋流場(chǎng)與液相射流場(chǎng)的耦合作用下，氣體不斷接觸、碰撞，并反復(fù)切割吸收液滴，完成濕法脫硫；由于噴射吸收旋風(fēng)分離器芯管截面積的變化，多相介質(zhì)在旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)作用下分離，潔凈氣體由溢流管經(jīng)煙囪高空外排；分離后含有固體顆粒物的堿液通過過濾器后返還至堿液罐，固體顆粒物集中收集處理。

圖2 工業(yè)焚化爐煙氣處理系統(tǒng)

利用凈化后氣體中SO2和粉塵的含量來計(jì)算SO2和粉塵的去除率η1和η2，計(jì)算式如下：

式中 CS,in、CD,in——原始煙氣中SO2和粉塵的濃度，ppm（1ppm=0.001‰）；

CS,out、CD,out——凈化后氣體中SO2和粉塵的濃度，ppm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓降

利用U形壓差計(jì)對(duì)噴射吸收旋風(fēng)分離器在不同進(jìn)氣速度和吸收液噴射速度下產(chǎn)生的氣相壓降進(jìn)行測(cè)定，研究二者對(duì)壓降△p的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣速度和吸收液噴射速度對(duì)壓降△p的影響

由圖3可以看出，隨著吸收液噴射速度從1.0m3/h不斷增大到2.8m3/h，氣相壓降不斷增大，壓降增長(zhǎng)的速率也在不斷上升；在相同的吸收液噴射速度下，隨著進(jìn)氣速度從30m3/h不斷增大到90m3/h，壓降不斷增大。在吸收液噴射速度為2.8m3/h、進(jìn)氣速度為90m3/h時(shí)，壓降△p最大，為4 800Pa。

從能量損耗的角度分析，不同于傳統(tǒng)的旋流器，噴射吸收旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣相壓降產(chǎn)生的原因除了與進(jìn)氣口、溢流口等氣流通道截面積突然改變有關(guān)外，更主要是因?yàn)閮?nèi)部氣體旋流場(chǎng)與液體射流場(chǎng)之間強(qiáng)烈的耦合作用。氣旋切割液滴形成分散相程度越高，耦合作用越強(qiáng)，因此壓降可以間接地反映氣液兩相相互作用的強(qiáng)度。

2.2 脫硫效率

研究在不同進(jìn)氣速度、吸收液噴射速度下脫硫效率的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著進(jìn)氣速度的不斷增大，凈化后SO2的濃度急劇減小，脫硫效率升高，當(dāng)進(jìn)氣速度增大到60～75m3/h以后，出口SO2濃度有所上升，相應(yīng)的脫硫效率逐漸減小。在相同的進(jìn)氣速度下，脫硫效率隨著吸收液噴射速度的增大而升高。當(dāng)進(jìn)氣速度為60m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時(shí)，脫硫效率最大，為96.6%。

圖4 進(jìn)氣速度和吸收液噴射速度對(duì)脫硫效率的影響

進(jìn)氣速度增大使得裝置內(nèi)氣體旋流場(chǎng)增強(qiáng)，氣液相間交互作用增強(qiáng)，傳質(zhì)速率增加，從而使脫硫效率增加；但另一方面，當(dāng)進(jìn)氣速度過高時(shí)，氣體在整個(gè)反應(yīng)器的停留時(shí)間過短，導(dǎo)致脫硫效率反而減小。當(dāng)吸收液噴射速度增大時(shí)，裝置內(nèi)液體的湍動(dòng)程度增強(qiáng)，有效相界面積增加（到一定程度后停止），所以脫硫效率隨吸收液噴射速度的增大而增大。

2.3 除塵效率

研究在不同進(jìn)氣速度、吸收液噴射速度下除塵效率的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 進(jìn)氣速度和吸收液噴射速度對(duì)除塵效率的影響

由圖5可以看出，隨著進(jìn)氣速度的不斷增大，處理后煙氣中粉塵顆粒濃度先減小后增大，在進(jìn)氣速度為45m3/h時(shí)達(dá)到最低值，此時(shí)除塵效率最高。這是由于入口速度的增大可以增大氣相旋流場(chǎng)強(qiáng)度，強(qiáng)化離心力作用，從而提高除塵效率，而當(dāng)進(jìn)氣速度繼續(xù)增大，氣流阻力增大的影響越來越大，反而削弱了旋流分離作用。在相同的進(jìn)氣速度下，除塵效率隨著吸收液噴射速度的增大而升高。當(dāng)進(jìn)氣速度為45m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時(shí)，除塵效率最大，為83.16%。吸收液噴射速度的增大可以在氣相旋流場(chǎng)作用下產(chǎn)生更多的小霧滴，對(duì)粉塵顆粒的吸附作用增強(qiáng)，因此有效提高了除塵效率。

3 結(jié)論

3.1 在同一進(jìn)氣速度下，壓降隨吸收液噴射速度的增加而增加；在同一吸收液噴射速度下，壓降隨進(jìn)氣速度的增加而增加。

3.2 在同一進(jìn)氣速度下，脫硫效率隨吸收液噴射速度的增加而增加；在同一吸收液噴射速度下，脫硫效率隨進(jìn)氣速度的增加先增加后減小。在進(jìn)氣速度為60m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時(shí)，脫硫效率最大，為96.6%。

3.3 在同一進(jìn)氣速度下，除塵效率隨吸收液噴射速度的增加而增加；在同一吸收液噴射速度下，除塵效率隨進(jìn)氣速度的增加先增加后減小。在進(jìn)氣速度為45m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時(shí)，除塵效率最大，為83.16%。