喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器.pdf

化工装备技术第2 9 卷第3 期2 0 0 8 年 喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器 李秋萍程建伟邵国兴 ( 上海化工研究院) 摘要简单介绍了喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器的结构特点及性能。并以工业应用 装置的操作参数为基础，进行分析汇总，提出了各设备的设计参数，供同行参考。 关键词湿式洗涤器喷淋洗涤塔液柱塔动力波洗涤器除尘雾化喷嘴脱硫设备 0 前言 湿法除尘设备是采用液体( 通常为水) 作为洗 涤液，通过气液两相的接触，实现气液两相间的传 热、传质等过程，以满足气体净化( 除尘或吸收) 、 冷却、增湿等要求。 湿法除尘设备具有结构简单、投资少、操作及 维修方便等优点。但在使用中产生的污水、污泥必 须进行处理，否则会造成二次污染。另外，当气体 中含有腐蚀性介质时，要考虑设备的防腐措施。 湿法除尘设备设计的关键是要使气液两相充分 接触，增加洗涤液与粉尘颗粒的碰撞概率等，以提 高设备的除尘效率。 喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器均采用液 相喷嘴将洗涤液雾化成细小液滴，均匀地分散于气 相中，增大液相的比表面积，有利于提高碰撞及拦 截粉尘的概率，达到较高的除尘效率。上述设备均 由空筒体、喷嘴及除沫器三部分组成，结构简单， 操作维修方便，而且不易产生结垢和堵塞问题，能 够确保设备安全长期连续运行。另外，该类设备还 具有放大效应小的特点，更适用于作为超大气量的 洗涤设备。 近年来，随着人们环保意识的日益加强，烟气 脱硫除尘问题受到各方面广泛关注。而火电厂烟气 脱硫除尘系统的烟气处理量特别大，一般为 1 0 5 1 0 6 N m 3 h 。在采用石灰石一石膏湿法脱硫工 艺中，喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器成了脱 硫吸收塔的首选设备，并在工程应用中得到了不断 的改进与提高。本文以工业应用装置的操作参数为 李秋萍女，1 9 6 6 年8 月生，高级工程师。上海市，2 0 0 0 6 2 。 基础，进行分析汇总，提出了这三种设备的合适的 设计参数，供同行参考。 1 喷淋洗涤塔结构形式及传统设计方法 喷淋洗涤塔是一种古老的湿法除尘设备，由于 其结构简单，阻力小，在工业生产中，特别是作为 环保设备得到广泛应用。 喷淋洗涤塔结构如图( 1 ) 所示。洗涤液通过 喷嘴雾化成细小液滴均匀地向下喷淋，含尘气体由 喷淋塔下部进入，自下向上流动，两者逆流接触， 利用尘粒与水滴的接触碰撞而相互凝聚或尘粒间团 聚，使其重量大大增加，靠重力作用而沉降下来。 被捕集的粉尘，在贮液槽内作重力沉降，形成底部 的高含固浓相液并定期排出作进一步处理。部分澄 清液可循环使用，与少量的补充清液一起经循环泵 从塔顶喷嘴进入喷淋塔进行喷淋洗涤，从而减少了 液体的耗量以及二次污水的处理量。经喷淋洗涤后 的净化气体，通过除沫器除去气体所夹带的细小液 滴后，由塔顶排出。 影响喷淋塔除尘效率的主要因素是液滴分布的 均匀度、液滴粒径及粒径分布。因此，选择合适的 雾化喷嘴及喷嘴的合理布置是设计喷淋洗涤塔的关 键之一。 ( 1 ) 喷嘴布置 喷淋塔内喷嘴的布置应使喷淋塔横截面被喷淋 液完全、均匀地覆盖。一般都采用多层喷嘴的布置 方式，相邻两层间的喷嘴呈交错布置。两层问的距 离为1 2 m 。每个喷淋层上必须布置足够数量的喷 万方数据 2 喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器 嘴，相邻喷嘴喷出的水雾相互搭接叠盖，不留空 隙，使喷出的液滴完全覆盖喷淋塔的整个断面，而 且要尽可能减少沿塔壁流淌的液体量，同时要降低 喷淋液对塔壁的直接冲刷磨损。 净化气体出口 补充水 图1喷淋洗涤塔结构 循环泵 ( 2 ) 喷淋覆盖率 喷嘴喷出的液体必须能够完全覆盖离喷嘴出口 一定距离的喷淋塔截面，防止喷淋塔内出现没有喷 淋液的区域而产生气体短路问题。一般要求每个喷 淋层的喷淋覆盖率以2 0 0 一3 0 0 为宜。喷淋覆 盖率可按下式计算： 喷淋覆盖率= N 。A 。A 式中。每个喷淋层内喷嘴数量； A 。距离喷嘴出口1 m 处测得的每个喷 嘴喷淋面积，m 2 ； A 距离喷嘴出口l m 处的喷淋塔横截面 积，m 2 。 ( 3 ) 喷淋液滴粒径及主要设计参数 本文认为选择最佳的喷淋液滴粒径是确定喷淋 塔主要设计参数的先决条件。众所周知，在相同的 喷淋条件下，雾化液滴粒径愈大，其比表面积愈 小，降低除尘效率。但液滴粒径太小，易被汽化或 者被气流带走，增加了除沫器的负荷，而且直接减 少了喷淋洗涤的液滴量，同样会影响除尘效率。表 1 列出了不同粒径液滴在气相中的“终端沉降速 度”或称为“带出速度”。当喷淋的液滴粒径确定 后，也就确定了喷淋塔的空塔速度，即不能超过该 粒径的带出速度。 表1液滴的带出速度 传统的设计方法选择的喷淋液滴粒径为O 5 1 0 r a m ( 平均粒径) 。考虑到喷嘴喷出的液滴的粒 径分散度，一般取空塔速度小于该液滴带出速度的 1 2 ，具体的设计参数为： 空塔速度：K = 0 6 1 2 m s ； 喷淋液气比：W = 0 0 6 6 0 2 6 6 L m 3 ( 气) ； 喷雾压力：P I = ( 1 4 7 3 ) X 1 0 5 P a ； 喷淋液滴粒径：d 。= 0 5 1 0 m m ； 设备压降：P = 2 0 0 P a 。 从上述设计参数可以看出，用传统的设计方法 设计的喷淋塔空塔速度很小，带来的问题是设备庞 大，增加了设备的占地面积及投资。近年来，随着 超大烟气量的净化处理的需要，必须提高空塔速 度，也就是要增大喷淋液滴的粒径，缩小粒径分布 的分散度，减少细颗粒液滴的百分比。这样有利于 减少净化气体的雾沫夹带量，降低除沫器的负荷。 在相同喷淋液量的条件下，喷淋的液滴粒径愈 小，其比表面积愈大，有利于提高除尘效率；相 反，喷淋的液滴粒径愈大，其比表面积愈小，除尘 效率降低。因此目前大型喷淋塔采用提高喷淋量， 也就是提高喷淋液气比，然后再加大喷淋的液滴粒 径，保持原有的比表面积，确保除尘效率，达到提 高空塔速度，减少设备直径，降低设备造价及占地 面积的目的。另外，提高了喷淋液气比，又缩小了 设备直径，能有效地加大设备的喷淋密度，有助于 提高设备的除尘效率。 目前工业应用的大型喷淋塔的设计参数为： 空塔速度：K = 3 4 m s ； 液气比：W 1 L m ( 气) ； 喷雾压力：P I = ( O 7 1 ) 1 0 5 P a ； 喷淋液滴粒径：d 。= 1 5 3 0 m m ( 粒径小于 0 5 r a m 的液滴数量不超过5 ) 。 ( 4 ) 喷嘴结构及特性 喷淋洗涤塔的性能主要取决于液滴粒径和数 量，而液滴粒径和数量又取决于洗涤液总流量和喷 嘴的特性。喷嘴喷雾特性主要包括喷嘴操作压力、 万方数据 化工装备技术第2 9 卷第3 期2 0 0 8 年 3 流量及喷雾粒径、粒径分布、雾化角和允许通过喷 嘴的最大固相颗粒。允许通过的固相颗粒粒径愈 大，表明该喷嘴不易堵塞，操作稳定性好，可利用 含固量高的循环喷淋液进行反复喷淋洗涤，减少补 充水的消耗，同时也减少了污水的排放量。喷淋液 滴的粒径分布也是喷嘴的一个重要特性，喷淋塔要 求喷淋的液滴粒径分布窄，尤其是要求小于 0 5 m m 的液滴要尽量少，因为细液滴会被气流夹 带进入除沫器，增加除沫器的负荷，并减少有效的 洗涤液量。 液滴粒径分布采用分散度作为衡量指标，其定 义为： S = ( d 。，一如。) 如， 式中S 分散度指标； o 进口 进口 d n 卟d n ，、d 分别表示液滴质量百分含 量小于9 0 、5 0 、1 0 的颗粒粒径，m m 。 s 值愈大表示粒径分散度愈大，液滴颗粒大小 愈不均匀。 采用传统的设计参数所设计的喷淋塔，配套应 用的喷嘴为碗形喷嘴，该喷嘴的喷雾压力为2 2 5X1 0 5 P a ，喷淋液滴平均粒径小于0 5 m m ，要求 喷淋液中不能有大于1 m m 的固体颗粒，或含固浓 度不能太高，否则易造成喷嘴堵塞。该喷嘴只能用 于空塔速度l m s 以下的喷淋塔。目前，大型工业 装置中应用的喷淋塔所采用的喷嘴有切向、轴向喷 嘴和螺旋形喷嘴，其结构形式及喷雾液滴的流形如 图2 所示。 黝黝黝彪 水l 旋流 I 出口 t 实 心 锥 流 形 进口 切向喷嘴 ( b ) 轴向喷嘴( c ) 螺旋型 图2 雾化喷嘴 ( a ) 切向喷嘴，又称为空心锥切线型喷嘴 ( h o l l o wc o n et a n g e n t i a l ) 。洗涤液从切线方向进入喷 嘴的旋涡腔内，然后呈旋转流型从喷孔喷出，形成 中空锥流型的液滴群，在下游截面上呈圆环状图形 ( 见图2 a ) 。喷嘴无内部构件，允许通过的最大固 体颗粒直径约为喷孑L 直径的8 0 。 ( b ) 轴向喷嘴，又称为实心锥喷嘴( f u l l c o n e ) 。这种喷嘴内置旋流片，喷嘴的进出口在同 一轴线上，洗涤液进入喷嘴通过旋流片呈旋转流从 喷孔喷出，呈全充满的锥形的液滴群，在下游截面 上呈圆状图形( 见图2 b ) 。由于该喷嘴内设置旋流 片，因此对高含固量的洗涤液的使用有一定的要 同 心 环 流 形 喷喷 求，易于产生堵塞现象，允许通过的最大固体颗粒 直径约为喷孔直径的2 5 。 ( c ) 螺旋形喷嘴( s p i r a ln o z z l e ) ，该喷嘴的出 口为一个倒锥形的螺旋带，进入喷嘴的洗涤液以高 速射流的形式被螺旋带剪切、冲击产生l 一2 个同 轴的空心锥形液滴群，在下游截面上呈l 一2 个同 心的圆环状图形( 见图2 c ) 。由于该喷嘴没有内部 构件，因此允许通过的最大固体颗粒直径几乎与喷 孔直径( 或螺旋带之间的间隙) 相接近。 上述三种喷嘴中，螺旋形喷嘴的能耗最小，喷 雾的粒径也最小，而切向喷嘴的喷雾粒度分布较为 均匀，分散度最小，在喷雾压力变化时，喷雾的雾 拿 万方数据 4 喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器 化角变化不大，操作稳定可靠。 尿素喷雾造粒塔的尾气净化问题至今尚未得到 有效解决，既浪费了尿素又污染了环境。本文作者 采用湿式洗涤的方法，在造粒塔顶部，精心设计增 设一个喷淋洗涤段，采用螺旋形喷嘴及波板填料除 沫器，取得了良好的捕集效果，既消除了环境污染 又能回收尿素粉尘，取得了明显的经济效益和社会 效益。 2 液柱塔 液柱塔是在喷淋塔的基础上发展而来的一种新 型湿式洗涤设备，结构如图3 所示。气体由设备下 部进入，净化后气体经除沐器后由顶部出口管排 出，塔内的气体作自下而上的流动，与喷淋塔的气 流运动状态相同。所不同的是，洗涤液是由塔下部 的喷嘴自下向上喷射进入设备，喷射液柱在达到最 高点后，自然散开，形成无数液滴作重力沉降，与 上升的气流产生高效的气液接触，达到高效洗涤除 尘作用。 气 图3液柱塔结构 液柱塔与喷淋塔的最大区别是，喷淋塔采用雾 化喷射，对喷嘴有较高的要求，否则系统就容易结 垢堵塞；而液柱塔采用的是射流喷嘴，喷嘴结构简 单，喷头孔径大，不易堵塞。而且系统能够在比较 大的范围内调节，因此对控制水平和循环水含固粒 度要求不高。由于液柱塔内的吸收液呈液柱状，分 散的液滴粒径相对较大，因此在液柱塔内可以采用 较高的空塔速度，一般为4 2 5 6 m s 。另外，由 于液柱塔仅设置一层喷嘴，而且安装在设备下部， 位置较低，安装及维护方便。 液柱塔内向上喷射的液柱与塔内的气流为同向 运动，由于高速射流的液柱对气流会产生一定的引 射作用，有助于降低气体的阻力。 由于依靠上升液柱动能为零时，液柱自然散开 而产生的液滴，一般粒径都比较大，虽然可大大降 低除沐器的负荷，但液相的比表面积明显减少，影 响捕集效率，所以必须提高液气比。考虑到喷射散 开的覆盖面积比较小，要求布置较多的喷嘴，一般 要求每平方米安装约4 个喷嘴。 液柱塔的设计参数为： 空塔速度：K = 4 2 5 6 m s ； 液气比：W = 1 3 2 5 L m 3 ( 气) ； 喷射压力：P L = ( 0 7 1 ) 1 0 5 P a 。 3 动力波洗涤器 动力波洗涤器是一种新型、高效的湿式洗涤设 备，其结构如图( 4 ) 所示。其作用原理是：气体自 上向下高速进入洗涤管，洗涤液通过特殊结构的喷 嘴自下向上逆向喷入气流中，气液两相高速逆向对 撞，当气液两相的动量达到平衡时，形成一个高度 湍动的泡沫区，在该区域内，气液两相呈高速湍流 接触，接触表面积大，而且这些接触表面不断地得 到迅速更新，达到高效的洗涤效果。 气体进口 图4动力波洗涤器结构 l 一洗涤管2 一喷嘴3 一混合元件4 一循环泵 5 一气体出口管6 一液沫分离器7 一洗涤液贮槽 本文作者利用该设备的结构特点及气液两相流 万方数据 化工装备技术第2 9 卷第3 期2 0 0 8 年 5 的流动状况，在其泡沫区的下部适当位置又增设了 “顺流混合元件”，使气液两相再一次进行湍流混 合，起到了顺流洗涤的作用，在一机内实现了两级 串联的洗涤效果，成功地开发了“带混合元件的 动力波洗涤器”。该设备具有以下一些优良的性能 特点： ( 1 ) 净化效率高。动力波洗涤器的净化效率远 高于喷淋塔、填料塔等传统的洗涤设备，一般来说 除尘效率均达9 9 以上，表2 列出了带混合元件 的动力波洗涤器的性能试验结果。 表2带混合元件的动力波洗涤器的试验结果 ( 2 ) 能耗低，其阻力损失仅为文丘里洗涤器 的一半。由于动力波洗涤器在运行过程中既利用了 气流的能量，也巧妙地利用了液流的能量，而且因 为泵的效率通常高于风机，所以，与等效率的其他 设备相比，其阻力并不算高。 ( 3 ) 操作稳定可靠，喷嘴不易堵塞。由于液 体喷入气体是由一个大的开有孔的液体喷嘴进行， 这样循环液可以允许较高的含固量而不堵塞。循环 液含固量较高，可使污水排放量减少，从而减轻了 污水处理装置的负荷和规模。一般传统洗涤设备很 难承受3 以上的循环液含固量，而动力波洗涤器 可以达到2 0 的循环液含固量而不堵塞。所以， 动力波洗涤器的可靠性高，不易损坏，操作维护简 单，运转周期长。开孔喷射的另一个优点是液体不 发生雾化，排气中的液体雾沫极少，使用常规的除 沫器即可脱除。 ( 4 ) 配置灵活，适用范围广。经过适当设计， 动力波洗涤器几乎可以用于任何气体净化过程。例 如，其降温效果颇佳，可用于处理各种高温气体， 不易堵塞，气体中的含尘量几乎没有限制，循环液 中的允许含尘量也极高。如果过程本身允许，可大 大减少废液抽出量，使废液的处理更为容易。外形 小巧，强度及密封问题易于解决，且工作过程不受 压力的影响，所以可在任何压力下运行。泡沫区的 面积很大，有较宽范围的气量适应能力，可以适应 5 0 1 0 0 的气量变化而不降低洗涤效率。总之， 动力波洗涤器具有广泛的适用性。 ( 5 ) 投资低。该设备结构简单，外形小巧， 配置方便灵活，材料易解决，节省投资和占地。动 力波净化系统的投资比传统工艺节省3 0 以上。 动力波洗涤器的设计参数： 空塔速度：K = 1 0 2 0 m s ； 液气比：肜 3 I V m ( 气) ； 喷射压力：P I = ( 0 7 1 ) 1 0 P a 。 4 结束语 喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器的共同点 是：( 1 ) 均采用液相喷嘴将洗涤液雾化成细小液 滴，均匀地分散于气相中，增大液相的比表面积， 达到较高的除尘效率。( 2 ) 均由空简体、喷嘴及除 沫器三部分组成，结构简单，操作维修方便，而且 不易产生结垢和堵塞问题，设备能够安全长期连续 运行。( 3 ) 该类设备还具有放大效应小的特点，更 适用于作为超大气量的洗涤设备。 上述三种设备的不同点是：( 1 ) 动力波洗涤器 的外形更小巧，配置方便灵活，设备投资低，而喷 淋洗涤塔、液柱塔的外形相对庞大，设备投资较 高。( 2 ) 动力波洗涤器的净化效率较高，而喷淋洗 涤塔、液柱塔的净化效率相对较低。( 3 ) 动力波洗 涤器的阻力降相对于喷淋洗涤塔、液柱塔的阻力降 要高。( 4 ) 喷淋塔采用雾化喷射，对喷嘴有较高的 要求，否则系统就容易结垢堵塞，而液柱塔和动力 波洗涤器采用的是射流喷嘴，喷嘴结构简单，喷头 孔径大，不易堵塞。 喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器各有特 点，因此，在进行湿法除尘设备的选型时，应根据 具体的工艺特点和要求，来选择最合适的设备。 参考文献 1 周至祥等。火电厂湿法烟气脱硫技术手册 M 北京：中 国电力出版社，2 0 0 6 2 李秋萍，等湿式动力波洗涤器的工业应用 J ，化工装 备技术，2 0 0 6 ，( 1 ) ：1 7 2 0 3 李兆东，等湿法烟气脱硫睃嘴雾化特性研究 J 电力 环境保护，2 0 0 6 ( 4 ) ( 收稿E t 期：2 0 0 r 7 一1 1 1 0 ) 万方数据 喷淋洗涤塔、