烟气脱硫除尘一体化综合性能实验研究

宋德宽 杜皓蕾

（1.中国原子能研究院；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）

煤、石油和天然气是目前全球最主要的能源，其中除了碳氧元素组成的烃类化合物是供能的有效成分外，还有含硫、含氧、含氮化合物等盐类以及金属、沥青、胶质等［1］，使用后尾气中会含有二氧化硫和大量的粉尘颗粒物，直接排放将造成严重的环境污染［2］。净化吸收烟气中的二氧化硫将有效缓解酸雨问题［3］，粉尘的分离脱除也将改善日益严重的雾霾现象［4］。因此，研究烟气的脱硫除尘一体化具有十分重要的意义。Ma L等采用并联喷射旋风分离设备去除清焦烟气细微粉尘［5］。Fu P B等通过逆旋分离器中的颗粒碰撞与捕获来提高PM2.5的去除效率［6］。Ma L等采用喷射吸收技术达到高效净化含氨废气的目的［7］。

笔者使用自行设计的喷射吸收旋风分离器对烟气进行脱硫除尘处理，以焚化炉尾气为原料气，2%wt的氢氧化钠溶液为吸收液，研究了进气速度和吸收液喷射速度对气相压降、脱硫效率和除尘效率的影响，确定了喷射吸收旋风分离器脱硫除尘最佳工艺参数的工况条件。

1 实验

1.1 喷射吸收旋风分离器

传统的旋风分离器多相介质由同一入口进入，随着芯管截面积的变化，介质在旋流场和重力场作用下进行多相分离，主要为物理反应。而笔者设计的喷射吸收旋风分离器（图1）沿用了旋风分离器多段筒体结构，且在上柱段部分设置液相射流孔。小孔群绕筒壁面等夹角均匀分布，气相由切向矩形入口进入，液相由射流孔喷入，液相射流场和气相旋流场的耦合作用会产生强烈的化学反应。该设备兼具气液吸收、反应和分离一体化功能。

图1 喷射吸收旋风分离器结构示意图

喷射吸收旋风分离器具体结构尺寸参数如下：

柱段长度H1180mm

锥段长度H2120mm

底流口长度H340mm

柱段直径D140mm

底流口直径D218mm

喷射孔段长度h 100mm

喷射孔间距l 10mm

喷射孔直径d 1mm

进口长度a 25mm

进口宽度b 14mm

插入管直径Dx16mm

插入管深度S 150mm

1.2 实验流程

工业焚化炉烟气处理系统如图2所示。焚化炉燃烧产生含有SO2和颗粒污染物的高温焚烧烟气，经换热器进行热能转换收集后，含硫含尘烟气进入气体处理罐；外置风机为烟气输送提供动力，气路上的控制阀门和气体流量计用于显示和调节烟气进气流量，压差计检测进出气口压降；气体处理罐中设有多个喷射吸收旋风分离器，切向进入的烟气形成强烈的气体旋流场。碱液罐储有预设浓度的碱性吸收液，外置液体泵为吸收液的输送循环提供动力；液路上的控制阀门和液体流量计用于显示和调节吸收液进液流量，控制阀门用于控制碱液自循环混合均匀度；碱性吸收液进入气体处理罐的夹板，在压力作用下形成稳定的液相射流场；在气体旋流场与液相射流场的耦合作用下，气体不断接触、碰撞，并反复切割吸收液滴，完成湿法脱硫；由于喷射吸收旋风分离器芯管截面积的变化，多相介质在旋流场和重力场作用下分离，洁净气体由溢流管经烟囱高空外排；分离后含有固体颗粒物的碱液通过过滤器后返还至碱液罐，固体颗粒物集中收集处理。

图2 工业焚化炉烟气处理系统

利用净化后气体中SO2和粉尘的含量来计算SO2和粉尘的去除率η1和η2，计算式如下：

式中 CS,in、CD,in——原始烟气中SO2和粉尘的浓度，ppm（1ppm=0.001‰）；

CS,out、CD,out——净化后气体中SO2和粉尘的浓度，ppm。

2 实验结果与讨论

2.1 压降

利用U形压差计对喷射吸收旋风分离器在不同进气速度和吸收液喷射速度下产生的气相压降进行测定，研究二者对压降△p的影响，结果如图3所示。

图3 进气速度和吸收液喷射速度对压降△p的影响

由图3可以看出，随着吸收液喷射速度从1.0m3/h不断增大到2.8m3/h，气相压降不断增大，压降增长的速率也在不断上升；在相同的吸收液喷射速度下，随着进气速度从30m3/h不断增大到90m3/h，压降不断增大。在吸收液喷射速度为2.8m3/h、进气速度为90m3/h时，压降△p最大，为4 800Pa。

从能量损耗的角度分析，不同于传统的旋流器，喷射吸收旋风分离器内部气相压降产生的原因除了与进气口、溢流口等气流通道截面积突然改变有关外，更主要是因为内部气体旋流场与液体射流场之间强烈的耦合作用。气旋切割液滴形成分散相程度越高，耦合作用越强，因此压降可以间接地反映气液两相相互作用的强度。

2.2 脱硫效率

研究在不同进气速度、吸收液喷射速度下脱硫效率的变化趋势，结果如图4所示。

由图4可以看出，随着进气速度的不断增大，净化后SO2的浓度急剧减小，脱硫效率升高，当进气速度增大到60～75m3/h以后，出口SO2浓度有所上升，相应的脱硫效率逐渐减小。在相同的进气速度下，脱硫效率随着吸收液喷射速度的增大而升高。当进气速度为60m3/h、吸收液喷射速度为2.8m3/h时，脱硫效率最大，为96.6%。

图4 进气速度和吸收液喷射速度对脱硫效率的影响

进气速度增大使得装置内气体旋流场增强，气液相间交互作用增强，传质速率增加，从而使脱硫效率增加；但另一方面，当进气速度过高时，气体在整个反应器的停留时间过短，导致脱硫效率反而减小。当吸收液喷射速度增大时，装置内液体的湍动程度增强，有效相界面积增加（到一定程度后停止），所以脱硫效率随吸收液喷射速度的增大而增大。

2.3 除尘效率

研究在不同进气速度、吸收液喷射速度下除尘效率的变化趋势，结果如图5所示。

图5 进气速度和吸收液喷射速度对除尘效率的影响

由图5可以看出，随着进气速度的不断增大，处理后烟气中粉尘颗粒浓度先减小后增大，在进气速度为45m3/h时达到最低值，此时除尘效率最高。这是由于入口速度的增大可以增大气相旋流场强度，强化离心力作用，从而提高除尘效率，而当进气速度继续增大，气流阻力增大的影响越来越大，反而削弱了旋流分离作用。在相同的进气速度下，除尘效率随着吸收液喷射速度的增大而升高。当进气速度为45m3/h、吸收液喷射速度为2.8m3/h时，除尘效率最大，为83.16%。吸收液喷射速度的增大可以在气相旋流场作用下产生更多的小雾滴，对粉尘颗粒的吸附作用增强，因此有效提高了除尘效率。

3 结论

3.1 在同一进气速度下，压降随吸收液喷射速度的增加而增加；在同一吸收液喷射速度下，压降随进气速度的增加而增加。

3.2 在同一进气速度下，脱硫效率随吸收液喷射速度的增加而增加；在同一吸收液喷射速度下，脱硫效率随进气速度的增加先增加后减小。在进气速度为60m3/h、吸收液喷射速度为2.8m3/h时，脱硫效率最大，为96.6%。

3.3 在同一进气速度下，除尘效率随吸收液喷射速度的增加而增加；在同一吸收液喷射速度下，除尘效率随进气速度的增加先增加后减小。在进气速度为45m3/h、吸收液喷射速度为2.8m3/h时，除尘效率最大，为83.16%。