一种高效除尘脱硫一体化设备的应用研究
摘要：综合喷淋洗涤、文丘里高效混合、旋风分离、拦截除雾等功能结构特点，研究开发出一种高效率的除尘脱硫一体化设备。实验和工程实例表明，该设备除尘脱硫效率高，投资运行费用低，除尘效率达98 %，脱硫效率大于80 %。高效除尘脱硫一体化设备适用于中小锅炉的烟气除尘脱硫处理。
关键词：除尘,脱硫,一体化设备,高效率
锅炉燃煤是造成大气污染的根本原因之一, 煤中可燃性硫及硫化合物在燃烧时生成SO2 和SO3，是形成二氧化硫和酸雨的主要来源。目前,我国锅炉约50 多万台,其中:中小型锅炉(1～35 t/h) 约占80 %，SO2 的排放量占锅炉燃煤排放量的1/3。烟气除尘脱硫则是现阶段控制SO2 和烟尘排放量的主要方式[1-4]。
针对我国中小锅炉较多的现状，有多种湿法除尘脱硫一体化设备已经投入使用，但几乎都存在脱硫效率低，设备阻力大，投资运行成本较高等缺点[4,5]。为此，研究和开发了一种高效除尘脱硫一体化设备。
1 高效除尘脱硫一体化设备研究目标和内容
高效除尘脱硫一体化设备应适用于中小型锅炉和相当容量工业窑炉、垃圾焚烧炉的烟气除尘、除SO2 和其他有毒有害气体的一体化净化装置。要求设备结构紧凑，安装操作方便，自动化程度高。占地面积小，喷淋洗涤液能够做到全封闭循环，没有废水排放，耗水量很少。系统阻力小，运行工况适应力强，烟气净化后没有夹雾带水现象，设备材质具有耐腐蚀性、耐磨、耐高温的性能，使用寿命长。除尘效率能达98 %以上，烟尘浓度小于100 mg/m3，除SO2 效率能达80 %以上。设备价格适中，不高于现有除尘脱硫一体化设备的市场价格，有市场竞争力。在研制过程中必须解决如下几个内容：
(1) 除尘脱硫一体化设备的优化设计； (2) 设备负荷稳定性的研究； (3) 飘尘捕集效应的研究； (4) 烟气脱水的研究。
2 高效除尘脱硫一体化设备的研究和设计
2.1 工艺路线分析
中小型锅炉烟气是从锅炉省煤器引出后的气固混合物，组分一般包括N2、O2、CO2、SO2、NOX、水蒸气等气体并携带大量细微粉尘；状态一般为：微负压，温度在150 ℃～250 ℃。湿法除尘脱硫的工艺路线多为如图1 所示的流程顺序。
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洗涤，这里是工艺过程中的核心步骤，完成对气体的吸收和降温，使气- 固混合物变成气- 液- 固三相混合物。吸收主要通过气液混合传质和化学反应进行，降温主要通过气液固混合传热，以喷淋液温度的升高和水的蒸发来达到降温目的，降温有利于气体的吸收。然后经过喷淋洗涤后的气液固三相混合物进入气液分离设备，完成气液和气固的分离操作，净化后的烟气经烟囱排出，液固混合物加入吸收剂再生，并产生部分固体沉淀，然后进入液固分离设备，分离后的液体用循环泵打入洗涤吸收设备。
2.2 除尘脱硫机理
烟气中悬浮着的烟尘或液体微粒和气体形成气固非均相体系，粒径小于10μm 时形成气溶胶，烟尘净化需在气固非均相体系中研究，找出固体颗粒分离的规律，脱水问题研究需要在气液非均相体系中研究，找出将液体颗粒分离的规律，而SO2 的净化是气气分离，SO2 被小液滴表面的液膜吸收后溶解在小液滴中，这属于气液分离。同时SO2 也会被尘粒表面上的液膜吸收从而随着烟气颗粒一同被净化分离出去，又属于气固分离。此外，SO2 也会与水蒸气中的水分子反应形成酸的蒸汽，在冷凝过程中形成小雾滴，雾滴的净化又是气液分离。
烟气净化过程首先是将气固非均一体系，变成气、液、固体系，如喷淋洗涤过程、组合文丘里过程，尽可能地将气、液、固三态物质混合，而在除去固体和液体颗粒时就需要体系的破坏。在体系的容量确定后，烟气的体积在一定范围内确定，那么烟气通过净化设备的时间就确定了，所以在结构设计时就要考虑如何能够在尽量短的时间内使气液、气固非均一相体系尽快地形成，而又如何使其在尽量短的时间内破坏、解体，如何延长烟气在设备中滞留的时间。
气固分离的物理基础之一是气体对颗粒的曳力，曳力的大小取决于气体的介质的密度，气体与颗粒间的相对速度，颗粒的形状及颗粒在气体介质中的运动状态。气固分离的物理基础之二是质点沉降的基本原理，它包括：重力沉降、离心力沉降、惯性沉降、接触效应、电力沉降、扩散沉降、热斥力。气液相非均一体系的荷电性、粘附性、湿润性等高于气固非均一体系，而摩擦性、研磨性相对较低，因为液体的颗粒密度较小而粘度大，因而分离相对多选用湿润法、离心分离法。此外，惯性碰撞、扩散、粘附、凝聚作用也利于分离。气流中SO2 或其他有害气体如NOx、HCl、H2S、NH3 等均为气态物质，将气态物质从气态体系中分离出去，与气固、气液非均一相体系的分离方法完全不同，因为它是均相体系，与固、液物质的净化原理不同，采用的方法也不同，以至于方法之间会出现矛盾，如固、液颗粒高速运动有利于分离，而气态SO2 需要缓慢流速，以利于与吸收物质有充分的接触时间。
SO2 被吸收液吸收过程中发生化学反应，因此系统中的温度、压力、洗涤液与烟气的液、气比例、烟气流速以及在设备中滞留时间均影响着SO2 去除率。为了增加化学反应，烟气的运动要处于湍流状态，因为湍流的扩散作用比起层流来要大，能更有效地输送动量、热量，而且耗散功能速度也要比层流快得多。
在高效除尘脱硫一体化设备中采用NaOH 和Ca(OH)2 双碱水溶液作为脱硫剂，喷淋洗涤液做到全封闭循环，操作方法为：在开车时加入NaOH，加入量按每小时的燃煤量中的硫含量以及每小时的循环水量计算，并使其pH 值控制在7± 1。
脱硫反应机理：
NaOH→Na+ +OH- 2 OH-+ SO2→SO3 2-+ H2O OH-+ SO2→HSO3-
按煤的硫含量加入Ca(OH)2，此时循环液中的SO3 2- 和HSO3- 变成CaSO3·2 H2O 沉淀出来，使循环液保持中性或弱碱性。
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↓
循环液的pH 值控制在7±1，以上反应顺利进行。在净化器的出水处加入Ca(OH)2 溶液，经过混合流动生成CaSO3· 2H2O 沉淀，洗涤液流入沉淀池后很容易沉淀下来，再经过 1-2 次的溢流沉降，洗涤液澄清，经离心泵加压后打入喷淋管道。采用双碱法流程克服了石灰- 石灰石法容易结垢的弱点，提高了SO2 的去除率，运行费用也很低[7]。
2.3 除尘脱硫一体化设备工艺系统
提高脱硫效率的关键：一是气液混合是否充分，二是气体在吸收设备内的停留时间，即气液接触反应时间。除尘效率的关键是气液分离的效率。综合除尘和脱硫的关键因素，设计了如图2 所示的高效率除尘脱硫一体化工艺系统。
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如图所示，除尘脱硫一体化设备由喷淋管道、多通道组合文丘里涤气器、上下导旋笼栅、除雾器和主体外壳等构成。导旋芯管采用不锈钢材质，其他部位可根据用户需要采用不锈钢或碳钢喷涂特种涂料。该设备根据气液传质理论和流体力学理论，综合了液相喷淋洗涤、组合文丘里、离心力分离、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使气液固三相接触混合和分离脱水都达到比较高的效率。
烟气在进入高效除尘脱硫一体化设备之前的烟道中基本是处于层流运动状态，在进入主体设备前端的喷淋管道和多通道组合文丘里后，设备的结构使流体由层流状态转变为湍流运动，因为湍流是以高频扰动旋涡为特征的三维运动，使固、液、气三态物质最大程度地混合，从而接近混沌状态。这样才能增大气、液态物质，即SO2、NOx 等有害气体分子和 H2O 的碰撞机率，增大粉尘颗粒和水粒的撞击、拦截以及凝聚的机率。多通道组合文丘里起到增大高频涡旋的作用，而且阻力小，气流冲击着水滴在惯性和重力作用下犹如雪崩现象，因此在喷淋管道和组合文丘里中，微碱性洗涤液对烟气进行充分的洗涤。
烟气经过组合文丘里进入水平喷淋管道，管道中分布着螺旋无堵塞喷咀，喷淋液体从喷咀出来后形成一个旋转面进而分散成小液滴，布满在实心锥形的空间内，每个小水滴都有一个初始速度，这与气流的方向和速度都不一样，就形成一个相对速度，使气流再次受到外力作用，使已经减弱了的湍流运动再次加强，气流在水平管道中第二次被洗涤，小液滴将气流中颗粒和气态物质再次捕获。
烟气通过水平管道第二次洗涤后，被加速进入净化器主体设备中，由于烟气从筒体切向进入，此时烟气开始作圆周运动，由原来的湍流运动变为二维的涡旋，大的固体颗粒和液滴碰到笼栅的栅叶上再次被捕获，只有旋转到与笼栅切线方向的缝隙位置时才能允许气流通过。湍流运动在这种结构下变为层流，这样极为有利于液态和固态物质分离出去，气流进入笼栅后，切向旋转速度增大，从下筒体气流中带上来的水滴在这种离心力作用下，极有利于分离。SO2 气体不断地被吸收到固、液小颗粒和容器壁上，被吸收后的SO2 变成离子状态，显酸性，溶入液滴后就服从气液非均一相体系的净化规律，受到离心力、扩散力，拦截作用等被捕获下来。在设备上部还设有除雾器，再次将细小雾滴和部分凝结水脱去。
综上所述，设备结构设计、参数确定的技术路线是从理论上研究清楚气、液、固三态物质混合相对运动和相对作用所必须遵循的流体力学规律，在设备的设计中特别强调了遵循理论规律和充分运用这些规律，参数设计中参考多种学科已有成功设计经验，取其长处，完善设计，使设备性能达到预期的效果。
2.4 高效除尘脱硫一体化设备的性能指标
(1) 烟气林格曼里度< 1 级 (2) 除尘效率> 98 % 排尘浓度< 100 mg/m3 (3) 除二氧化硫效率>80 % (4) 净化器主体阻力< 1500 Pa (5) 液气比2～3 l/m3 (6) 耗水量< 0.013～0.018 l/m3 (7) 喷淋液PH 控制范围7±1
3 工程实例及分析
该高效除尘脱硫一体化设备经中试和放大后，已经应用于多个锅炉烟气脱硫工程，如某化工厂4 t/h 锅炉除尘烟气脱硫工程、某水务有限公司两台6 t/h 锅炉烟气除尘脱硫工程、天津某焊条有限公司2 t/h 窑炉烟气除尘脱硫工程等。工程中，经过净化后的烟气粉尘和SO2 浓度都远远低于国家现有排放标准，且除尘脱硫效率都达到了设计要求。表一和表二为某水务有限公司6 t/h 锅炉烟气净化效率的测试数据，其中SO2 浓度、NOx 浓度的测定仪器是GA60(美国)。从表中测试数据来看，除尘效率大于98 %，脱硫效率达到90 %左右，脱氮效率大于50 %。
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4 结论
(1) 高效除尘脱硫一体化设备根据气液传质理论和流体力学理论，综合了液相喷淋洗涤、组合文丘里、离心力分离、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使气液固三相接触混合和分离脱水都达到比较高的效率。
(2) 高效除尘脱硫一体化设备是集除尘、除SO2 多功能效果的一体化设备，除尘效率达98 %以上（除小于10μm 粒径烟尘达90 %），除SO2 效率达80 %以上。
(3) 设备结构紧凑，占地面积小，耗水量少；循环洗涤液可以做到全封闭循环，无废水排放。净化后的烟气不夹雾带水，设备阻力小。设备运行过程中没有堵塞和积灰现象；设备负荷适应范围大，性能稳定。
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