煙氣脫硫除塵一體化綜合性能實驗研究

宋德寬 杜皓蕾

（1.中國原子能研究院；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

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、膠質等［1］，使用后尾氣中會含有二氧化硫和大量的粉塵顆粒物，直接排放將造成嚴重的環境污染［2］。凈化吸收煙氣中的二氧化硫將有效緩解酸雨問題［3］，粉塵的分離脫除也將改善日益嚴重的霧霾現象［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等采用并聯噴射旋風分離設備去除清焦煙氣細微粉塵［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達到高效凈化含氨廢氣的目的［7］。

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

1 實驗

1.1 噴射吸收旋風分離器

傳統的旋風分離器多相介質由同一入口進入，隨著芯管截面積的變化，介質在旋流場和重力場作用下進行多相分離，主要為物理反應。而筆者設計的噴射吸收旋風分離器（圖1）沿用了旋風分離器多段筒體結構，且在上柱段部分設置液相射流孔。小孔群繞筒壁面等夾角均勻分布，氣相由切向矩形入口進入，液相由射流孔噴入，液相射流場和氣相旋流場的耦合作用會產生強烈的化學反應。該設備兼具氣液吸收、反應和分離一體化功能。

圖1 噴射吸收旋風分離器結構示意圖

噴射吸收旋風分離器具體結構尺寸參數如下：

柱段長度H1180mm

錐段長度H2120mm

底流口長度H340mm

柱段直徑D140mm

底流口直徑D218mm

噴射孔段長度h 100mm

噴射孔間距l 10mm

噴射孔直徑d 1mm

進口長度a 25mm

進口寬度b 14mm

插入管直徑Dx16mm

插入管深度S 150mm

1.2 實驗流程

工業焚化爐煙氣處理系統如圖2所示。焚化爐燃燒產生含有SO2和顆粒污染物的高溫焚燒煙氣，經換熱器進行熱能轉換收集后，含硫含塵煙氣進入氣體處理罐；外置風機為煙氣輸送提供動力，氣路上的控制閥門和氣體流量計用于顯示和調節煙氣進氣流量，壓差計檢測進出氣口壓降；氣體處理罐中設有多個噴射吸收旋風分離器，切向進入的煙氣形成強烈的氣體旋流場。堿液罐儲有預設濃度的堿性吸收液，外置液體泵為吸收液的輸送循環提供動力；液路上的控制閥門和液體流量計用于顯示和調節吸收液進液流量，控制閥門用于控制堿液自循環混合均勻度；堿性吸收液進入氣體處理罐的夾板，在壓力作用下形成穩定的液相射流場；在氣體旋流場與液相射流場的耦合作用下，氣體不斷接觸、碰撞，并反復切割吸收液滴，完成濕法脫硫；由于噴射吸收旋風分離器芯管截面積的變化，多相介質在旋流場和重力場作用下分離，潔凈氣體由溢流管經煙囪高空外排；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 工業焚化爐煙氣處理系統

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

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 實驗結果與討論

2.1 壓降

利用U形壓差計對噴射吸收旋風分離器在不同進氣速度和吸收液噴射速度下產生的氣相壓降進行測定，研究二者對壓降△p的影響，結果如圖3所示。

圖3 進氣速度和吸收液噴射速度對壓降△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，壓降增長的速率也在不斷上升；在相同的吸收液噴射速度下，隨著進氣速度從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、進氣速度為90m3/h時，壓降△p最大，為4 800Pa。

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

2.2 脫硫效率

研究在不同進氣速度、吸收液噴射速度下脫硫效率的變化趨勢，結果如圖4所示。

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

圖4 進氣速度和吸收液噴射速度對脫硫效率的影響

進氣速度增大使得裝置內氣體旋流場增強，氣液相間交互作用增強，傳質速率增加，從而使脫硫效率增加；但另一方面，當進氣速度過高時，氣體在整個反應器的停留時間過短，導致脫硫效率反而減小。當吸收液噴射速度增大時，裝置內液體的湍動程度增強，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

研究在不同進氣速度、吸收液噴射速度下除塵效率的變化趨勢，結果如圖5所示。

圖5 進氣速度和吸收液噴射速度對除塵效率的影響

由圖5可以看出，隨著進氣速度的不斷增大，處理后煙氣中粉塵顆粒濃度先減小后增大，在進氣速度為45m3/h時達到最低值，此時除塵效率最高。這是由于入口速度的增大可以增大氣相旋流場強度，強化離心力作用，從而提高除塵效率，而當進氣速度繼續增大，氣流阻力增大的影響越來越大，反而削弱了旋流分離作用。在相同的進氣速度下，除塵效率隨著吸收液噴射速度的增大而升高。當進氣速度為45m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時，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作用下產生更多的小霧滴，對粉塵顆粒的吸附作用增強，因此有效提高了除塵效率。

3 結論

3.1 在同一進氣速度下，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，壓降隨進氣速度的增加而增加。

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

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