氣相旋流-液相射流凈化器用于脫除HCl

毛衛崗 馬 良

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.華東理工大學機械與動力工程學院）

HCl氣體對環境有相當的危害性，對于人體的眼部、呼吸道等部位有強烈的刺激性，可引起的相關癥狀包括結膜炎、角膜壞死及支氣管炎等。目前HCl的排放要求為小于0.2 mg/m3，因此不管在工業或是民用企業內， 都必須對含HCl的尾氣進行處理。 工業上處理含HCl的尾氣通常采用2～3座酸洗噴淋塔與1～2座堿洗噴淋塔串聯的方式進行吸收。但這種處理方式因單個噴淋塔的吸收效率較低而導致總成本極高， 且占地面積相當大。 個別情況下，有廠家加入了冷卻系統，通過降低溫度的方式優化吸收效果，但收效甚微，依舊需要至少3座噴淋吸收塔才能達到排放要求。 Ochowiak M等對噴淋塔界面進行了改性， 雖然能在一定程度上提高噴淋塔的效率， 但沒有解決噴淋塔占地面積過大導致的成本高的問題［1］。 在Lokhandwala K A等提出了膜法除氯的工藝［2］、Lindbr?then A等討論了膜法除氯的可行性［3］后，San Roman M F等使用了膜法回收廢液中的HCl［4］。 目前膜法主要用于液相內的HCl處理，而非廢氣中。Zhu X等提出了用鈦渣制備高純二氧化鈦，以避免HCl的排放，但此工藝距離工業化還很遙遠［5］。 Kurella S等使用Multistage Dual-Flow Sieve Plate Wet Scrubber處理HCl氣體，其吸收率達到了93.8%［6］；Bal M等使用Self-priming Venturi Scrubber處理HCl氣體， 吸收率達到了92.54%［7］，這兩種方法雖然吸收效果一般，但運行成本較低。

氣相旋流-液相射流凈化器，通過獨特的破碎霧化效果［8～10］，在對廢氣的吸收脫除方面表現出極佳的效果， 同時其運行成本較傳統的吸收塔來說有極大幅度的降低， 占地面積也大幅減?。?1～13］。 同時還具有結構簡單、無內部部件、廢水適應面廣、 可自清潔及不怕堵塞和結垢等優點。 為此，筆者以Ca（OH）2、Na2CO3、NaOH溶液和水為吸收劑對脫除HCl氣體進行研究，主要包含HCl氣體的處理量、吸收劑循環流量和氣體中HCl的濃度對HCl氣體吸收率的影響。 同時探討脫除HCl過程的傳質機理，對氣相旋流-液相射流凈化器脫除HCl氣體的效果和可行性進行研究，拓展該裝置于此領域的應用。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

整套實驗設備由氣相旋流-液相射流凈化器、水箱、循環泵、風機、氣液分離器與為進行實驗所配套的液體、 氣體流量計及壓強計等構成（圖1）。

圖1 實驗設備示意圖

氣相旋流-液相射流凈化器的結構如圖2所示。筒體內徑為16 mm，總體高度為77 mm，筒體的上半部設置小孔，用于水力噴射。 設有孔的區域總長度為15 mm，孔徑為0.8 mm，每兩個孔的軸向間距為3 mm。 吸收器側壁均勻分布8列孔，每列6個孔，總計48個孔。 筒體設有孔的區域外部夾套為液體分布區，主要用途是液體射流，確保將液體均勻地噴入氣瓶， 并具有足夠的壓力使之霧化。 氣體入口為長方形管，長9 mm，寬6 mm。 裝置的中間排氣管內徑5 mm，排氣管的氣體入口處于液體射流區下部。 分離器底部為圓錐形連接圓管，總長12 mm，出口管內徑6 mm。 裝置整體壁厚1 mm，材料為有機玻璃，以便于觀察實驗過程中的氣液耦合過程和反應劇烈程度。

圖2 氣相旋流-液相射流凈化器

1.2 實驗原理

傳統的濕法吸收HCl氣體的方法通常是直接將含HCl的氣體通入吸收劑中， 但這嚴重制約了吸收劑作用的發揮。 而氣相旋流-液相射流凈化器能夠將事先準備好的針對待處理氣體的吸收劑以噴射的形式（在設備中表現為細小液柱狀或霧狀） 與運動軌跡為旋流狀的含HCl的氣體相接觸。 柱狀或霧狀的吸收劑液滴表層被以極高速度沿旋流運動的待吸收氣體施以剪切方向的力，導致吸收劑液滴破碎重組，使吸收劑表層吸收能力始終最佳，達到最佳的吸收結果。

由于HCl氣體易溶于水，其水溶液呈酸性，因此使用堿性溶液有利于脫除HCl氣體。

當吸收劑使用強堿性的Ca（OH）2溶液時，將發生中和反應：Ca（OH）2＋2HCl→CaCl2＋H2O，反應得到的氯化鈣易溶于水，為中性溶液。

當吸收劑使用弱堿性的Na2CO3溶液時，將發生復分解反 應：Na2CO3＋2HCl→2NaCl＋H2CO3，H2CO3→H2O＋CO2↑，反應結果與吸收劑使用Ca（OH）2溶液時的相似，但反應時會有氣泡（二氧化碳氣體）產生。

當吸收劑使用強堿性的NaOH溶液時， 將發生中和反應：NaOH＋HCl→NaCl＋H2O，反應得到的氯化鈉易溶于水，為中性溶液。

當溫度為20 ℃、標準壓強下，每100 g水中約可溶解72 g的HCl，因此也可使用水作為HCl氣體吸收劑。

1.3 HCl脫除實驗流程

本次實驗使用純度為99.9%的HCl氣體，通過控制HCl和空氣的進氣量并混合， 得到不同濃度的HCl氣體。 使用濃度為1.5%的Ca（OH）2溶液、1.5%的Na2CO3溶液、1.5%的NaOH溶液和水作為吸收劑進行實驗研究。

實驗時，事先加入調配完成的吸收劑，并打開循環，使吸收劑的進入速率達到較大值，充滿實驗設備，并對液體出口進行液封，防止氣體從排液口噴出。 啟動裝置，分別從存有99.9%濃度的HCl氣瓶與大氣中抽取氣體，根據流量計確定HCl濃度。等待約2 min，當混合氣體趨穩后，適當降低吸收劑的進入速率， 使其流量達到實驗預定值。繼續等待約3 min，吸收劑的噴射液柱重新達到穩定。吸收劑被循環使用，通過檢測其pH值，確保吸收劑濃度處于預定值附近。 每隔10 min測量一次HCl的吸收率和各個參數值，每組數據重復測量3次，取平均值作為實驗結果，若有某個參數值偏差過大，則重新測量。 每次實驗變量的改變作為一個周期，每個周期均重復上述操作。 出口處的氣體中含HCl的濃度由氯化氫檢測儀檢測， 測量范圍為0～100ppm（1ppm=0.001‰）時，誤差為±2ppm，測量范圍為0～1 000ppm時，誤差為±20ppm。氯化氫吸收率η定義為：

式中 cin——進口處HCl濃度；

cout——出口處HCl濃度。

2 實驗結果與分析

2.1 吸收劑流量對吸收率的影響

圖3顯示了當室溫為25 ℃，HCl濃度為1.0%，氣體流量為25.0 L/min時，不同吸收劑流量對吸收率的影響。 當吸收劑流量為30 L/h時，吸收率介于98.0%～99.9%之間， 當吸收劑流量為60 L/h時，吸收率介于99.4%～99.9%之間，當吸收劑流量為90 L/h時，吸收率介于99.5%～99.9%之間。

圖3 不同吸收劑流量對吸收率的影響

從圖3可以看出，無論使用何種吸收劑，吸收劑流量越大，吸收效果越好。 原因是吸收劑流量越大， 氣相旋流-液相射流凈化器內液相噴射的速率越大， 液滴的破碎重組現象變得更為劇烈，氣、液兩相能更好地互相耦合，增強了反應速率，同時也增加了吸收液與待處理氣體的接觸面積，提升了有效傳質面積，達到了更好的吸收效果。

2.2 氣體流量對吸收率的影響

圖4顯示了當室溫為25 ℃，吸收劑流量為40 L/h，HCl濃度保持1.0%時， 不同氣體流量對吸收率的影響。 當氣體流量為15.0 L/min時，吸收率介于99.4%～99.9%之間，當氣體流量為22.5 L/min時，吸收率介于99.1%～99.9%之間，當氣體流量為30.0 L/min時，吸收率介于98.0%～99.9%之間。

圖4 氣體流量改變對吸收率的影響

從圖4可以看出，隨著氣體流量的提升，吸收率總體呈現下降趨勢。 原因是隨著氣體流量的升高，更多的HCl氣體進入氣相旋流-液相射流凈化器內， 提高了設備內強旋混合氣流場的強度，使得吸收液液滴的破碎重組現象變得更為劇烈，氣、液兩相能更好地互相耦合，但更多的待處理氣體同時也為設備帶來了更大的凈化負荷，導致整體凈化效果下降。 與此同時，氣液兩相耦合時的氣相分壓得到了提高，在體積總傳質系數降低的同時，總吸收速率同樣得到了提高。

2.3 HCl濃度對吸收率的影響

圖5顯示了當室溫為25 ℃，吸收劑流量為40 L/h，氣體流量為25 L/min時，HCl濃度對吸收率的影響。當HCl濃度為0.8%時，吸收率介于99.0%～99.9%之間， 當HCl濃度為1.4%時， 吸收率介于98.50%～99.85%之間，當HCl濃度為2.0%時，吸收率介于95.0%～99.9%之間。

圖5 HCl濃度對吸收率的影響

從圖5可以看出，隨著HCl濃度的提高，吸收率的變化趨勢與增加氣體流量時的情況類似。 原因是單純提高HCl的濃度，而不提升氣相速率，并不能強化WSA的強旋氣流場，也不能提高氣液耦合的強度與烈度，因此吸收率降低。 但是隨著HCl濃度的提高，氣相分壓得到了提高，總吸收速率反而得到了提高。

3 結論

3.1 使用氣相旋流-液相射流凈化器能夠有效地對富含HCl的氣體進行脫除處理，使用強堿性吸收劑時， 吸收率始終維持在99.0%以上， 最高可達99.9%，符合各種工業應用的要求，且占地面積小，效果遠優于當前常用的各種堿洗噴淋吸收塔。

3.2 在相同條件下，吸收劑流量的提高能大幅度提升弱堿性吸收劑與水的吸收率，但是對強堿性吸收劑吸收率的提升作用不大。

3.3 在相同條件下，單位時間內氣體流量越大或HCl濃度越大，吸收率越小，但強堿性吸收劑依然能維持一個相當好的吸收效果。