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        煙氣脫硫除塵一體化綜合性能實驗研究

        2021-08-05 07:58:40宋德寬杜皓蕾
        化工機械 2021年3期
        關(guān)鍵詞:煙氣效率

        宋德寬 杜皓蕾

        (1.中國原子能研究院;2.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

        煤、石油和天然氣是目前全球最主要的能源,其中除了碳氧元素組成的烴類化合物是供能的有效成分外,還有含硫、含氧、含氮化合物等鹽類以及金屬、瀝青、膠質(zhì)等[1],使用后尾氣中會含有二氧化硫和大量的粉塵顆粒物,直接排放將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。凈化吸收煙氣中的二氧化硫?qū)⒂行Ь徑馑嵊陠栴}[3],粉塵的分離脫除也將改善日益嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象[4]。因此,研究煙氣的脫硫除塵一體化具有十分重要的意義。Ma L等采用并聯(lián)噴射旋風(fēng)分離設(shè)備去除清焦煙氣細(xì)微粉塵[5]。Fu P B等通過逆旋分離器中的顆粒碰撞與捕獲來提高PM2.5的去除效率[6]。Ma L等采用噴射吸收技術(shù)達到高效凈化含氨廢氣的目的[7]。

        筆者使用自行設(shè)計的噴射吸收旋風(fēng)分離器對煙氣進行脫硫除塵處理,以焚化爐尾氣為原料氣,2%wt的氫氧化鈉溶液為吸收液,研究了進氣速度和吸收液噴射速度對氣相壓降、脫硫效率和除塵效率的影響,確定了噴射吸收旋風(fēng)分離器脫硫除塵最佳工藝參數(shù)的工況條件。

        1 實驗

        1.1 噴射吸收旋風(fēng)分離器

        傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器多相介質(zhì)由同一入口進入,隨著芯管截面積的變化,介質(zhì)在旋流場和重力場作用下進行多相分離,主要為物理反應(yīng)。而筆者設(shè)計的噴射吸收旋風(fēng)分離器(圖1)沿用了旋風(fēng)分離器多段筒體結(jié)構(gòu),且在上柱段部分設(shè)置液相射流孔。小孔群繞筒壁面等夾角均勻分布,氣相由切向矩形入口進入,液相由射流孔噴入,液相射流場和氣相旋流場的耦合作用會產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。該設(shè)備兼具氣液吸收、反應(yīng)和分離一體化功能。

        圖1 噴射吸收旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖

        噴射吸收旋風(fēng)分離器具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如下:

        柱段長度H1180mm

        錐段長度H2120mm

        底流口長度H340mm

        柱段直徑D140mm

        底流口直徑D218mm

        噴射孔段長度h 100mm

        噴射孔間距l(xiāng) 10mm

        噴射孔直徑d 1mm

        進口長度a 25mm

        進口寬度b 14mm

        插入管直徑Dx16mm

        插入管深度S 150mm

        1.2 實驗流程

        工業(yè)焚化爐煙氣處理系統(tǒng)如圖2所示。焚化爐燃燒產(chǎn)生含有SO2和顆粒污染物的高溫焚燒煙氣,經(jīng)換熱器進行熱能轉(zhuǎn)換收集后,含硫含塵煙氣進入氣體處理罐;外置風(fēng)機為煙氣輸送提供動力,氣路上的控制閥門和氣體流量計用于顯示和調(diào)節(jié)煙氣進氣流量,壓差計檢測進出氣口壓降;氣體處理罐中設(shè)有多個噴射吸收旋風(fēng)分離器,切向進入的煙氣形成強烈的氣體旋流場。堿液罐儲有預(yù)設(shè)濃度的堿性吸收液,外置液體泵為吸收液的輸送循環(huán)提供動力;液路上的控制閥門和液體流量計用于顯示和調(diào)節(jié)吸收液進液流量,控制閥門用于控制堿液自循環(huán)混合均勻度;堿性吸收液進入氣體處理罐的夾板,在壓力作用下形成穩(wěn)定的液相射流場;在氣體旋流場與液相射流場的耦合作用下,氣體不斷接觸、碰撞,并反復(fù)切割吸收液滴,完成濕法脫硫;由于噴射吸收旋風(fēng)分離器芯管截面積的變化,多相介質(zhì)在旋流場和重力場作用下分離,潔凈氣體由溢流管經(jīng)煙囪高空外排;分離后含有固體顆粒物的堿液通過過濾器后返還至堿液罐,固體顆粒物集中收集處理。

        圖2 工業(yè)焚化爐煙氣處理系統(tǒng)

        利用凈化后氣體中SO2和粉塵的含量來計算SO2和粉塵的去除率η1和η2,計算式如下:

        式中 CS,in、CD,in——原始煙氣中SO2和粉塵的濃度,ppm(1ppm=0.001‰);

        CS,out、CD,out——凈化后氣體中SO2和粉塵的濃度,ppm。

        2 實驗結(jié)果與討論

        2.1 壓降

        利用U形壓差計對噴射吸收旋風(fēng)分離器在不同進氣速度和吸收液噴射速度下產(chǎn)生的氣相壓降進行測定,研究二者對壓降△p的影響,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 進氣速度和吸收液噴射速度對壓降△p的影響

        由圖3可以看出,隨著吸收液噴射速度從1.0m3/h不斷增大到2.8m3/h,氣相壓降不斷增大,壓降增長的速率也在不斷上升;在相同的吸收液噴射速度下,隨著進氣速度從30m3/h不斷增大到90m3/h,壓降不斷增大。在吸收液噴射速度為2.8m3/h、進氣速度為90m3/h時,壓降△p最大,為4 800Pa。

        從能量損耗的角度分析,不同于傳統(tǒng)的旋流器,噴射吸收旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣相壓降產(chǎn)生的原因除了與進氣口、溢流口等氣流通道截面積突然改變有關(guān)外,更主要是因為內(nèi)部氣體旋流場與液體射流場之間強烈的耦合作用。氣旋切割液滴形成分散相程度越高,耦合作用越強,因此壓降可以間接地反映氣液兩相相互作用的強度。

        2.2 脫硫效率

        研究在不同進氣速度、吸收液噴射速度下脫硫效率的變化趨勢,結(jié)果如圖4所示。

        由圖4可以看出,隨著進氣速度的不斷增大,凈化后SO2的濃度急劇減小,脫硫效率升高,當(dāng)進氣速度增大到60~75m3/h以后,出口SO2濃度有所上升,相應(yīng)的脫硫效率逐漸減小。在相同的進氣速度下,脫硫效率隨著吸收液噴射速度的增大而升高。當(dāng)進氣速度為60m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時,脫硫效率最大,為96.6%。

        圖4 進氣速度和吸收液噴射速度對脫硫效率的影響

        進氣速度增大使得裝置內(nèi)氣體旋流場增強,氣液相間交互作用增強,傳質(zhì)速率增加,從而使脫硫效率增加;但另一方面,當(dāng)進氣速度過高時,氣體在整個反應(yīng)器的停留時間過短,導(dǎo)致脫硫效率反而減小。當(dāng)吸收液噴射速度增大時,裝置內(nèi)液體的湍動程度增強,有效相界面積增加(到一定程度后停止),所以脫硫效率隨吸收液噴射速度的增大而增大。

        2.3 除塵效率

        研究在不同進氣速度、吸收液噴射速度下除塵效率的變化趨勢,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 進氣速度和吸收液噴射速度對除塵效率的影響

        由圖5可以看出,隨著進氣速度的不斷增大,處理后煙氣中粉塵顆粒濃度先減小后增大,在進氣速度為45m3/h時達到最低值,此時除塵效率最高。這是由于入口速度的增大可以增大氣相旋流場強度,強化離心力作用,從而提高除塵效率,而當(dāng)進氣速度繼續(xù)增大,氣流阻力增大的影響越來越大,反而削弱了旋流分離作用。在相同的進氣速度下,除塵效率隨著吸收液噴射速度的增大而升高。當(dāng)進氣速度為45m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時,除塵效率最大,為83.16%。吸收液噴射速度的增大可以在氣相旋流場作用下產(chǎn)生更多的小霧滴,對粉塵顆粒的吸附作用增強,因此有效提高了除塵效率。

        3 結(jié)論

        3.1 在同一進氣速度下,壓降隨吸收液噴射速度的增加而增加;在同一吸收液噴射速度下,壓降隨進氣速度的增加而增加。

        3.2 在同一進氣速度下,脫硫效率隨吸收液噴射速度的增加而增加;在同一吸收液噴射速度下,脫硫效率隨進氣速度的增加先增加后減小。在進氣速度為60m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時,脫硫效率最大,為96.6%。

        3.3 在同一進氣速度下,除塵效率隨吸收液噴射速度的增加而增加;在同一吸收液噴射速度下,除塵效率隨進氣速度的增加先增加后減小。在進氣速度為45m3/h、吸收液噴射速度為2.8m3/h時,除塵效率最大,為83.16%。

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