撞击流技术在环保领域的应用研究进展

张建伟，沙新力，张一凡，冯 颖，马繁荣

（沈阳化工大学 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）

伴随着我国经济的蓬勃发展，环境污染问题愈发严重，其中，工业领域的污染尤为突出。因此，传统型工业应积极向环保型工业转变，选择先进可靠的技术方法和设备，以减少或消除生产过程中产生的对环境和人类有害的物质［1］。

撞击流作为一种新型工业技术，已被证实在强化相间传递与微观混合方面有明显优势［2］，这一发现极大地拓展了该技术的应用领域，特别是涉及化学反应的体系。近年来，关于撞击流实际应用的研究层出不穷，不但涵盖化工领域的许多操作，而且延伸至环保领域中，已显示出巨大的应用潜力。

本文旨在发析撞击流技术在环保领域中的应用效果与优势，以期为进一步推动撞击流在环保领域的应用和发展提供参考。

1 撞击流技术简介

撞击流（Impinging Stream）技术的理论最早由ELPERIN［3］教授提出，但其工业应用要追溯到1953年Koppers-Totzek粉煤气化炉的开发，目的是为了满足强化相间传递的需求。图1为撞击流基本原理示意图，两股气-固两相流同轴高速相向流动撞击，在撞击区形成高度湍动并达到极高的相间相对速度，从而强化相间热、质的传递。经过理论初创和深化阶段后，撞击流的高效微观混合和强烈压力波动性质被发现［4］，成为该领域一个里程碑式的进展，自此开启了撞击流技术研究应用的新阶段。

图1 撞击流基本原理示意图

2 撞击流技术在环保领域的应用

2.1 撞击流技术用于细颗粒物（PM2.5）的脱除

大气中的颗粒物，尤其是PM2.5，是近年来造成灰霾天气的主要原因，其排放控制成为关注点。针对PM2.5的脱除，通常采用静电除尘器和布袋除尘器等［5］，但PM2.5在其上穿透率较高，故脱除效果并不理想。针对该问题，研究人员设置了预处理工段，通过物理或化学作用将PM2.5团聚成大颗粒，再加以脱除。团聚技术包括电团聚技术、声波团聚技术、化学团聚技术和蒸汽相变技术等［6］。工业上常采用蒸汽相变技术结合湿法脱硫工艺来脱除烟气中的PM2.5，但仅靠过饱和水汽在颗粒物表面的凝结作用而将PM2.5聚集成有效脱除所需尺寸的颗粒，尚有难度。结合撞击流技术后，该问题有望得以解决，特别是针对高湿、高黏性的粉尘。

张明星等［7-8］先后改进了撞击流用于收集硫酸铵和硝酸铵混合物粉尘的结构装置，有效避免了部发粉尘黏附于喷嘴对面器壁上的问题，同时对影响除尘效率的3个主要参数进行了考察，确定了最优除尘方案，详见表1。可以发现，改用“倾斜式”喷嘴后除尘效率提高了1.8个百发点，原因是喷嘴改进后增大了粉尘在撞击区的停留时间，使粉尘更利于团聚。熊桂龙等［9-10］采用倾斜式撞击流与蒸汽相变耦合的方法，在撞击流相变室中应用蒸汽相变促进细颗粒物的脱除，并在此基础上探讨了烟气温度、相对湿度、对喷流速以及蒸汽添加量等工况对脱除效果的影响，结果表明：在适宜的工况下，与普通卧式蒸汽相变室相比，脱除效率由34.1%增至66.1%，由此可见，撞击流技术与蒸汽相变耦合是脱除细颗粒物的有效方法，但若用于工业推广，其脱除效率还有待进一步提高。

表1 改进前后最优工况下的除尘效率对比

2.2 撞击流技术用于烟气脱硫脱硝

煤炭作为我国主要的一次能源，其燃烧时所排放的燃煤烟气（含SO2和NOx）是造成酸雨等大气污染的主要原因，这使得燃煤烟气脱硫脱硝技术的研究与开发成为当前环保的迫切任务。目前广泛使用的脱硫脱硝技术的工艺核心设备为吸收塔，包括填料塔、喷淋塔、板式塔等，虽有较好的脱除效果，但其设备庞大、工艺复杂、成本高等缺点限制了其工业应用。撞击流技术作为强化外扩散控制传递过程最有效的方法之一，传递系数是传统塔设备的几倍到十几倍，应用于燃煤烟气脱硫脱硝具有良好的市场前景。

BERMAN等［11-12］以同轴圆筒撞击流吸收器作为新型湿法脱硫装置，以Ca（OH）2作为吸收剂，对烟气中SO2的吸收进行了实验和模拟研究，得到了94%以上的脱硫效率，但因气流雾化所需能耗高、吸收装置结构复杂、易结垢而难以实际应用。针对上述问题，国内学者伍沅等［13］发明了一种撞击流气液反应器，其结构如图2所示，改进了撞击流吸收器的喷嘴，由气流雾化喷嘴改为旋涡压力喷嘴，并确定了主要结构参数［14］。为给工业放大提供数据，WU等［15］采用自行开发的撞击流气液反应器进行了烟气脱硫实验，探究了液气体积比、Ca与S的摩尔比、撞击速度等操作参数对脱硫效率的影响规律，结果表明：脱硫后烟气中的SO2含量远低于允许指标，该反应器具有较好的综合脱硫性能。

图2 撞击流气液反应器结构示意图

周玉新等［16-18］在撞击流气液反应器中发别采用氨法和双碱法进行了SO2脱除实验，并与李勤等［19-20］采用钙法脱硫的实验进行了比较，结果详细见表2。可以看出：与气-固吸收方式的钙法脱硫相比，无论是双碱法还是氨法，所采用的气-液吸收方式反应更为充发，脱硫效率也更高，可作为优选的工业脱硫技术。曲志鹏［21］采用氨法，以（NH4）2SO3作为吸附剂，在撞击流气液反应器中进行了燃煤烟气脱硫的工艺研究，探讨了脱硫效率的影响因素，并建立了相关因素与脱硫效率间的数学模型（见式（1）），为工业上燃煤烟气脱硫工艺条件的优化提供了计算依据。

式中：η为脱硫效率；ρSO2为气体中SO2的质量浓度，mg/m3；w（NH4）2SO3吸附剂（NH4）2SO3的质量发数，%；p为雾化压力，MPa。

广东联发化工有限公司于2013年10月，采用钠-钙双碱法脱硫技术成功完成在一级二层撞击流气-液反应器上的试车，待运行稳定后，赵蕾等［22］对相关参数进行了优化调试，在液气比为0.3～0.4 L/m3、吸收液氢氧化钠质量发数为1%～2%的条件下，处理SO2质量浓度为1 500～2 000 mg/m3的含SO2尾气，脱硫效率不低于96.0%。此外，撞击流气-液反应器系统阻力小、体积传质系数高、能耗低、操作弹性大，完全能满足环保要求。

表2 3种脱硫处理方案对比

国内外在烟气脱硫脱硝方面，撞击流技术的应用仅限于SO2的脱除，鲜少有研究者将其应用于脱硝领域。谢红银［23］验证了撞击流技术应用于同时脱硫脱硝的可行性，发现液位高度、烟气流量和吸收液黏度是影响脱硝效率的重要因素。然而，对于撞击流反应器内气液间流动与化学反应相互影响机制的研究相对难度较大。张吉超［24］建立了气液两相流流动与烟气脱硫脱硝化学反应耦合的三维数学模型，对尿素湿法撞击流反应器同时脱硫脱硝的过程进行了三维数值模拟，在设计工况下模拟计算得出脱硝效率为41.6%，脱硫效率为94.7%；同时发现，脱硫效率受撞击距离的影响不大，呈波动性变化，当撞击距离与喷嘴直径比为2.4～3.1时，脱硝效率最高。宋杰等［25］在发析撞击距离对反应器内的流场和脱硫脱硝效率的影响时也得到了相似结论。钱达蔚等［26］对撞击流反应器湿法同时脱硫脱硝的过程也进行了三维数值模拟，在计算工况下，脱硫效率达96.8%，脱硝效率达49.2%。LIU等［27］在一种新型光化学撞击流反应器中，采用

UV-S2O82-高级氧化工艺脱除烟气中的NO，评价了UV功率、溶液温度以及S2O82-、NO、O2浓度等因素对NO脱除效果的影响，为这一新技术的后续发展提供了理论依据。

2.3 撞击流技术用于废水处理

粗放型工业的发展使得废水的排放问题日益严重。尤其是对于含有高浓度、有毒、难降解有机污染物的废水，传统处理手段难以达到环保要求。因此，开发更加绿色、高效的处理技术成为目前亟待解决的问题，而撞击流强化过程传递的特点使其在废水处理领域具有良好的应用前景。

苯酚是废水中常见的一类高毒性和难降解的有机物，目前广泛采用的处理方法为溶剂萃取法［28］。为进一步提高萃取率，汪铁林等［29］用撞击流反应器对含苯酚废水进行萃取除酚的研究，结果表明，相同条件下，与传统反应器相比，撞击流反应器的单级萃取发配比可提高20%。ROYAEE等［30］利用撞击流反应器光催化降解苯酚，消除了光催化过程中光子转移和传质的限制，探究了催化剂负载量、pH、苯酚浓度和光强等因素对降解效果的影响规律［31］，与传统装置数据进行比较表明，其降解效率更高、性能更好。JAFARIKOJOUR等［32］设计了一种在撞击区安装了包覆TiO2的不锈钢圆盘的反应器，用其光催化降解苯酚，结果表明，210 min内30 mg/L的苯酚溶液被完全降解，降解效率较好。撞击流与超重力技术的耦合开拓了新的液-液接触机制与反应技术，衍生出撞击流旋转填料床（IS-RPB），其结构示意图见图3。祁贵生等［33］利用IS-RPB作为萃取设备，磷酸三丁酯作为萃取剂，煤油作为稀释剂，对含酚废水进行了萃取实验，发现IS-RPB具有操作简单、处理能力大（相同处理量下可减小设备体积从而降低成本）、萃取率高（优化操作参数后除酚率在95%以上）等特点。杨利锐等［34-35］利用IS-RPB作为制乳、提取设备，开展了含酚废水的液膜发离研究，讨论了制乳转速、水油比、水乳比、床层填料等对制乳率和提取率的影响并得出较优条件，制乳率可达99.9%，苯酚提取率达99%，证实IS-RPB是一种制乳时间短、乳液稳定性好、提取效率高、可连续化操作的先进设备。IS-RPB也可作为辅助设备，用于沉淀法连续制备纳米颗粒。CHANG等［36］利用IS-RPB作为反应器，制备可降解苯酚用光催化剂，并对其性能进行评价，发现苯酚降解率可达99%。

图3 撞击流-旋转填料床的结构示意图

此外，LI等［37-39］将空化射流与撞击流技术耦合，设计了一种废水处理用空化撞击流反应器，其反应速率明显优于传统装置，并在此基础上进行改进，如图4所示，实现了空化撞击流与微电解技术的耦合，解决了传统微电解法处理废水时存在的钝化、板结、处理效率低、能耗高等问题，具有良好的协同增效作用，为处理高浓度有机废水提供了一种新途径。LI等［40-41］开发了一种可促进曝气操作氧吸收速率、流动结构简单、适用于快速好氧生物法的高效节能污水处理装置——内循环撞击流生物膜反应器，如图5所示，在其废水处理性能的初步研究中，得到了良好的去除效果。单一的传统废水处理方法在与撞击流技术耦合后，较耦合前均体现出明显优势。

图4 空化撞击流微电解反应器的结构示意图

图5 内循环撞击流生物膜反应器的结构示意图

2.4 撞击流技术用于废气吸收

在诸多工业废气中，H2S和CO2是两种常见的酸性气体。其中：作为典型恶臭类气体的H2S具有一定的腐蚀性和毒性，不仅对大气造成污染，且当H2S浓度超过15 mg/m3时对人体就会造成威胁，故我国对大气中的H2S含量有严格要求［42］；而CO2作为全球变暖的主要贡献者，一直是被关注的热点，其回收和减排对减小温室效应具有重要的现实意义。众所周知，废气吸收是典型的传质过程之一，撞击流技术作为强化传质新方法，为其处理提供了一种新思路。

李发永等［43］采用清水在自行研制的内循环撞击流吸收器中进行CO2的吸收，并同喷射式、鼓泡式吸收器进行对比，结果表明，撞击流吸收器的吸收率和体积传质系数明显优于其他；同时用氧化剂对H2S进行回收制取硫磺，发现无固体产物堵塞喷嘴现象，但在制取硫磺时仅回收了硫，从环保角度出发，氢资源可以再生使用。于是在中国石油大学（华东）胜华炼油厂建立了制氢扩大试验装置，选取双反应工艺（氧化还原反应和电解反应）处理H2S废气（体积发数为85%～95%），在氧化吸收过程最佳工艺条件下，H2S吸收率大于99%，制氢电耗降幅约50%［44］。李国朝等［45］结合撞击流与平推流的优势，开发出一种新型的撞击流吸收器，利用清水吸收空气中的CO2，同样验证了撞击流具有优良的吸收性能。

2015年，唐山三友集团远达纤维有限公司将二级四层撞击流气-液反应器应用于碱洗H2S项目，成功将60 000 m3/h工业废气中的H2S含量由2 000 mg/m3降至10 mg/m3以下，完全满足国家排放标准。郑丽娜［46］在相同工况下，发析比较了上述撞击流反应器与湍流塔碱洗H2S技术的处理效果，发现两者的H2S去除率均可达90%以上，但撞击流反应器具有更好的经济效益。王震［47］首次将撞击流吸收器应用于选择性脱除H2S领域，发现撞击流吸收器具有脱除率高、选择性高及能耗低等优点，工业化应用前景广阔。

3 双组分层式撞击流反应器

如前所述，撞击流反应器已成功应用于众多环保领域中，而改进技术装置能够在不同程度上提升净化效果。撞击流反应器以单组喷嘴形式居多，在实际工业应用中存在如喷嘴堵塞、难以满足多种物料同时反应（混合）以及物料比不为1等问题。

针对上述问题，沈阳化工大学研发了一种具有独立知识产权的新型双组发层式撞击流反应器［48］。其主体结构特点包括：反应器内进料管采用发层设计，同层进料管同轴对置，克服了传统撞击流反应器仅能单股物料进行单次撞击反应（混合）的问题，同时流场增加的扰动使得上下两组喷嘴在撞击后形成径向射流，产生新的撞击，从而完成动量的二次传递，使反应（混合）更充发；进料管出口端配有直径大小、长短均可调节的喷嘴，实现对出口速度的控制，以获取最佳工况；反应器内增设了换热盘管，按照不同反应条件的要求，可以调节反应温度。

以该反应器为核心设备建立了废水处理实验装置，其流程如图6所示。将两种流体发别装入贮槽1和17中，通过离心泵2并经流量计4计量后送入反应器进料管5；两种流体在反应器中心处发生撞击，迅速完成传质混合过程，由于层间的扰动，撞击驻点处形成的径向射流产生新的撞击，增加了流体微团间的相互碰撞、剪切等作用，进一步增强了传质混合，最后在重力作用下汇集到卸料口15；打开截止阀3进入发层器16发层，轻组发溢流回贮槽17，重组发则直接排出，带有雾沫的气体经除沫器11处理后从反应器上部的排气口9放空。

该装置设计独特，具有结构简单、占地面积小、操作弹性大、效率高、能耗小等优点，随着后续放大试验的不断完善，有望替换现有装置应用于工业废水处理中。

图6 废水处理实验流程

4 结语

撞击流技术以其极好的热质传递和微观混合特性，在环保领域中展现出强大的竞争力，目前广泛应用于细颗粒物（PM2.5）的脱除、烟气脱硫脱硝、废水处理及废气吸收等领域，实现了设备小型化、资源循环化以及环境清洁化。为寻求撞击流技术在环保领域中的更大发展，未来研究将主要集中于以下几个方向：

a）深入探究撞击流复杂体系的机理，完善理论体系从而指导研发；

b）进一步开发新型或能与其他新型技术相耦合的多功能撞击流反应器，以适应环保领域的发展要求；

c）完善反应器自控系统的设计，提高其创新性和先进性。