摘要：綜合噴淋洗滌、文丘里高效混合、旋風(fēng)分離、攔截除霧等功能結(jié)構(gòu)特點，研究開發(fā)出一種高效率的除塵脫硫一體化設(shè)備。實驗和工程實例表明，該設(shè)備除塵脫硫效率高，投資運行費用低，除塵效率達(dá)98 %，脫硫效率大于80 %。高效除塵脫硫一體化設(shè)備適用于中小鍋爐的煙氣除塵脫硫處理。

關(guān)鍵詞：除塵,脫硫,一體化設(shè)備,高效率

鍋爐燃煤是造成大氣污染的根本原因之一, 煤中可燃性硫及硫化合物在燃燒時生成SO2 和SO3，是形成二氧化硫和酸雨的主要來源。目前,我國鍋爐約50 多萬臺,其中:中小型鍋爐(1～35 t/h) 約占80 %，SO2 的排放量占鍋爐燃煤排放量的1/3。煙氣除塵脫硫則是現(xiàn)階段控制SO2 和煙塵排放量的主要方式[1-4]。

針對我國中小鍋爐較多的現(xiàn)狀，有多種濕法除塵脫硫一體化設(shè)備已經(jīng)投入使用，但幾乎都存在脫硫效率低，設(shè)備阻力大，投資運行成本較高等缺點[4,5]。為此，研究和開發(fā)了一種高效除塵脫硫一體化設(shè)備。

1 高效除塵脫硫一體化設(shè)備研究目標(biāo)和內(nèi)容

高效除塵脫硫一體化設(shè)備應(yīng)適用于中小型鍋爐和相當(dāng)容量工業(yè)窯爐、垃圾焚燒爐的煙氣除塵、除SO2 和其他有毒有害氣體的一體化凈化裝置。要求設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，安裝操作方便，自動化程度高。占地面積小，噴淋洗滌液能夠做到全封閉循環(huán)，沒有廢水排放，耗水量很少。系統(tǒng)阻力小，運行工況適應(yīng)力強(qiáng)，煙氣凈化后沒有夾霧帶水現(xiàn)象，設(shè)備材質(zhì)具有耐腐蝕性、耐磨、耐高溫的性能，使用壽命長。除塵效率能達(dá)98 %以上，煙塵濃度小于100 mg/m3，除SO2 效率能達(dá)80 %以上。設(shè)備價格適中，不高于現(xiàn)有除塵脫硫一體化設(shè)備的市場價格，有市場競爭力。在研制過程中必須解決如下幾個內(nèi)容：

(1) 除塵脫硫一體化設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計； (2) 設(shè)備負(fù)荷穩(wěn)定性的研究； (3) 飄塵捕集效應(yīng)的研究； (4) 煙氣脫水的研究。

2 高效除塵脫硫一體化設(shè)備的研究和設(shè)計

2.1 工藝路線分析

中小型鍋爐煙氣是從鍋爐省煤器引出后的氣固混合物，組分一般包括N2、O2、CO2、SO2、NOX、水蒸氣等氣體并攜帶大量細(xì)微粉塵；狀態(tài)一般為：微負(fù)壓，溫度在150 ℃～250 ℃。濕法除塵脫硫的工藝路線多為如圖1 所示的流程順序。

洗滌，這里是工藝過程中的核心步驟，完成對氣體的吸收和降溫，使氣- 固混合物變成氣- 液- 固三相混合物。吸收主要通過氣液混合傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，降溫主要通過氣液固混合傳熱，以噴淋液溫度的升高和水的蒸發(fā)來達(dá)到降溫目的，降溫有利于氣體的吸收。然后經(jīng)過噴淋洗滌后的氣液固三相混合物進(jìn)入氣液分離設(shè)備，完成氣液和氣固的分離操作，凈化后的煙氣經(jīng)煙囪排出，液固混合物加入吸收劑再生，并產(chǎn)生部分固體沉淀，然后進(jìn)入液固分離設(shè)備，分離后的液體用循環(huán)泵打入洗滌吸收設(shè)備。

2.2 除塵脫硫機(jī)理

煙氣中懸浮著的煙塵或液體微粒和氣體形成氣固非均相體系，粒徑小于10μm 時形成氣溶膠，煙塵凈化需在氣固非均相體系中研究，找出固體顆粒分離的規(guī)律，脫水問題研究需要在氣液非均相體系中研究，找出將液體顆粒分離的規(guī)律，而SO2 的凈化是氣氣分離，SO2 被小液滴表面的液膜吸收后溶解在小液滴中，這屬于氣液分離。同時SO2 也會被塵粒表面上的液膜吸收從而隨著煙氣顆粒一同被凈化分離出去，又屬于氣固分離。此外，SO2 也會與水蒸氣中的水分子反應(yīng)形成酸的蒸汽，在冷凝過程中形成小霧滴，霧滴的凈化又是氣液分離。

煙氣凈化過程首先是將氣固非均一體系，變成氣、液、固體系，如噴淋洗滌過程、組合文丘里過程，盡可能地將氣、液、固三態(tài)物質(zhì)混合，而在除去固體和液體顆粒時就需要體系的破壞。在體系的容量確定后，煙氣的體積在一定范圍內(nèi)確定，那么煙氣通過凈化設(shè)備的時間就確定了，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就要考慮如何能夠在盡量短的時間內(nèi)使氣液、氣固非均一相體系盡快地形成，而又如何使其在盡量短的時間內(nèi)破壞、解體，如何延長煙氣在設(shè)備中滯留的時間。

氣固分離的物理基礎(chǔ)之一是氣體對顆粒的曳力，曳力的大小取決于氣體的介質(zhì)的密度，氣體與顆粒間的相對速度，顆粒的形狀及顆粒在氣體介質(zhì)中的運動狀態(tài)。氣固分離的物理基礎(chǔ)之二是質(zhì)點沉降的基本原理，它包括：重力沉降、離心力沉降、慣性沉降、接觸效應(yīng)、電力沉降、擴(kuò)散沉降、熱斥力。氣液相非均一體系的荷電性、粘附性、濕潤性等高于氣固非均一體系，而摩擦性、研磨性相對較低，因為液體的顆粒密度較小而粘度大，因而分離相對多選用濕潤法、離心分離法。此外，慣性碰撞、擴(kuò)散、粘附、凝聚作用也利于分離。氣流中SO2 或其他有害氣體如NOx、HCl、H2S、NH3 等均為氣態(tài)物質(zhì)，將氣態(tài)物質(zhì)從氣態(tài)體系中分離出去，與氣固、氣液非均一相體系的分離方法完全不同，因為它是均相體系，與固、液物質(zhì)的凈化原理不同，采用的方法也不同，以至于方法之間會出現(xiàn)矛盾，如固、液顆粒高速運動有利于分離，而氣態(tài)SO2 需要緩慢流速，以利于與吸收物質(zhì)有充分的接觸時間。

SO2 被吸收液吸收過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此系統(tǒng)中的溫度、壓力、洗滌液與煙氣的液、氣比例、煙氣流速以及在設(shè)備中滯留時間均影響著SO2 去除率。為了增加化學(xué)反應(yīng)，煙氣的運動要處于湍流狀態(tài)，因為湍流的擴(kuò)散作用比起層流來要大，能更有效地輸送動量、熱量，而且耗散功能速度也要比層流快得多。

在高效除塵脫硫一體化設(shè)備中采用NaOH 和Ca(OH)2 雙堿水溶液作為脫硫劑，噴淋洗滌液做到全封閉循環(huán)，操作方法為：在開車時加入NaOH，加入量按每小時的燃煤量中的硫含量以及每小時的循環(huán)水量計算，并使其pH 值控制在7± 1。

脫硫反應(yīng)機(jī)理：

NaOH→Na+ +OH- 2 OH-+ SO2→SO3 2-+ H2O OH-+ SO2→HSO3-

按煤的硫含量加入Ca(OH)2，此時循環(huán)液中的SO3 2- 和HSO3- 變成CaSO3·2 H2O 沉淀出來，使循環(huán)液保持中性或弱堿性。

Ca(OH)2 + SO3 2-+2H2O→2OH- +CaSO3·2H2O↓ Ca(OH)2 + SO4 2- +2H2O→2OH- +CaSO4·2H2O↓ Ca(OH)2 + HSO3-→ SO3 2-+CaSO3·2H2O↓

循環(huán)液的pH 值控制在7±1，以上反應(yīng)順利進(jìn)行。在凈化器的出水處加入Ca(OH)2 溶液，經(jīng)過混合流動生成CaSO3· 2H2O 沉淀，洗滌液流入沉淀池后很容易沉淀下來，再經(jīng)過 1-2 次的溢流沉降，洗滌液澄清，經(jīng)離心泵加壓后打入噴淋管道。采用雙堿法流程克服了石灰- 石灰石法容易結(jié)垢的弱點，提高了SO2 的去除率，運行費用也很低[7]。

2.3 除塵脫硫一體化設(shè)備工藝系統(tǒng)

提高脫硫效率的關(guān)鍵：一是氣液混合是否充分，二是氣體在吸收設(shè)備內(nèi)的停留時間，即氣液接觸反應(yīng)時間。除塵效率的關(guān)鍵是氣液分離的效率。綜合除塵和脫硫的關(guān)鍵因素，設(shè)計了如圖2 所示的高效率除塵脫硫一體化工藝系統(tǒng)。

如圖所示，除塵脫硫一體化設(shè)備由噴淋管道、多通道組合文丘里滌氣器、上下導(dǎo)旋籠柵、除霧器和主體外殼等構(gòu)成。導(dǎo)旋芯管采用不銹鋼材質(zhì)，其他部位可根據(jù)用戶需要采用不銹鋼或碳鋼噴涂特種涂料。該設(shè)備根據(jù)氣液傳質(zhì)理論和流體力學(xué)理論，綜合了液相噴淋洗滌、組合文丘里、離心力分離、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使氣液固三相接觸混合和分離脫水都達(dá)到比較高的效率。

煙氣在進(jìn)入高效除塵脫硫一體化設(shè)備之前的煙道中基本是處于層流運動狀態(tài)，在進(jìn)入主體設(shè)備前端的噴淋管道和多通道組合文丘里后，設(shè)備的結(jié)構(gòu)使流體由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟\動，因為湍流是以高頻擾動旋渦為特征的三維運動，使固、液、氣三態(tài)物質(zhì)最大程度地混合，從而接近混沌狀態(tài)。這樣才能增大氣、液態(tài)物質(zhì)，即SO2、NOx 等有害氣體分子和 H2O 的碰撞機(jī)率，增大粉塵顆粒和水粒的撞擊、攔截以及凝聚的機(jī)率。多通道組合文丘里起到增大高頻渦旋的作用，而且阻力小，氣流沖擊著水滴在慣性和重力作用下猶如雪崩現(xiàn)象，因此在噴淋管道和組合文丘里中，微堿性洗滌液對煙氣進(jìn)行充分的洗滌。

煙氣經(jīng)過組合文丘里進(jìn)入水平噴淋管道，管道中分布著螺旋無堵塞噴咀，噴淋液體從噴咀出來后形成一個旋轉(zhuǎn)面進(jìn)而分散成小液滴，布滿在實心錐形的空間內(nèi)，每個小水滴都有一個初始速度，這與氣流的方向和速度都不一樣，就形成一個相對速度，使氣流再次受到外力作用，使已經(jīng)減弱了的湍流運動再次加強(qiáng)，氣流在水平管道中第二次被洗滌，小液滴將氣流中顆粒和氣態(tài)物質(zhì)再次捕獲。

煙氣通過水平管道第二次洗滌后，被加速進(jìn)入凈化器主體設(shè)備中，由于煙氣從筒體切向進(jìn)入，此時煙氣開始作圓周運動，由原來的湍流運動變?yōu)槎S的渦旋，大的固體顆粒和液滴碰到籠柵的柵葉上再次被捕獲，只有旋轉(zhuǎn)到與籠柵切線方向的縫隙位置時才能允許氣流通過。湍流運動在這種結(jié)構(gòu)下變?yōu)閷恿鳎@樣極為有利于液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)分離出去，氣流進(jìn)入籠柵后，切向旋轉(zhuǎn)速度增大，從下筒體氣流中帶上來的水滴在這種離心力作用下，極有利于分離。SO2 氣體不斷地被吸收到固、液小顆粒和容器壁上，被吸收后的SO2 變成離子狀態(tài)，顯酸性，溶入液滴后就服從氣液非均一相體系的凈化規(guī)律，受到離心力、擴(kuò)散力，攔截作用等被捕獲下來。在設(shè)備上部還設(shè)有除霧器，再次將細(xì)小霧滴和部分凝結(jié)水脫去。

綜上所述，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)確定的技術(shù)路線是從理論上研究清楚氣、液、固三態(tài)物質(zhì)混合相對運動和相對作用所必須遵循的流體力學(xué)規(guī)律，在設(shè)備的設(shè)計中特別強(qiáng)調(diào)了遵循理論規(guī)律和充分運用這些規(guī)律，參數(shù)設(shè)計中參考多種學(xué)科已有成功設(shè)計經(jīng)驗，取其長處，完善設(shè)計，使設(shè)備性能達(dá)到預(yù)期的效果。

2.4 高效除塵脫硫一體化設(shè)備的性能指標(biāo)

(1) 煙氣林格曼里度< 1 級 (2) 除塵效率> 98 % 排塵濃度< 100 mg/m3 (3) 除二氧化硫效率>80 % (4) 凈化器主體阻力< 1500 Pa (5) 液氣比2～3 l/m3 (6) 耗水量< 0.013～0.018 l/m3 (7) 噴淋液PH 控制范圍7±1

3 工程實例及分析

該高效除塵脫硫一體化設(shè)備經(jīng)中試和放大后，已經(jīng)應(yīng)用于多個鍋爐煙氣脫硫工程，如某化工廠4 t/h 鍋爐除塵煙氣脫硫工程、某水務(wù)有限公司兩臺6 t/h 鍋爐煙氣除塵脫硫工程、天津某焊條有限公司2 t/h 窯爐煙氣除塵脫硫工程等。工程中，經(jīng)過凈化后的煙氣粉塵和SO2 濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)，且除塵脫硫效率都達(dá)到了設(shè)計要求。表一和表二為某水務(wù)有限公司6 t/h 鍋爐煙氣凈化效率的測試數(shù)據(jù)，其中SO2 濃度、NOx 濃度的測定儀器是GA60(美國)。從表中測試數(shù)據(jù)來看，除塵效率大于98 %，脫硫效率達(dá)到90 %左右，脫氮效率大于50 %。

4 結(jié)論

(1) 高效除塵脫硫一體化設(shè)備根據(jù)氣液傳質(zhì)理論和流體力學(xué)理論，綜合了液相噴淋洗滌、組合文丘里、離心力分離、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使氣液固三相接觸混合和分離脫水都達(dá)到比較高的效率。

(2) 高效除塵脫硫一體化設(shè)備是集除塵、除SO2 多功能效果的一體化設(shè)備，除塵效率達(dá)98 %以上（除小于10μm 粒徑煙塵達(dá)90 %），除SO2 效率達(dá)80 %以上。

(3) 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，耗水量少；循環(huán)洗滌液可以做到全封閉循環(huán)，無廢水排放。凈化后的煙氣不夾霧帶水，設(shè)備阻力小。設(shè)備運行過程中沒有堵塞和積灰現(xiàn)象；設(shè)備負(fù)荷適應(yīng)范圍大，性能穩(wěn)定。  

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