一種高效除塵脫硫一體化設備的應用研究
鍋爐燃煤是造成大氣污染的根本原因之一, 煤中可燃性硫及硫化合物在燃燒時生成 SO2和 SO3，是形成二氧化硫和酸雨的主要來源。目前,我國鍋爐約50 多萬臺,其中:中小型鍋爐 (1～35 t/h)約占 80 %，SO2 的排放量占鍋爐燃煤排放量的 1/3。煙氣除塵脫硫則是現階段控制 SO2 和煙塵排放量的主要方式。
針對我國中小鍋爐較多的現狀，有多種濕法除塵脫硫一體化設備已經投入使用，但幾乎都存在脫硫效率低，設備阻力大，投資運行成本較高等缺點。為此，研究和開發了一種高效除塵脫硫一體化設備。
高效除塵脫硫一體化設備研究目標和內容
高效除塵脫硫一體化設備應適用于中小型鍋爐和相當容量工業窯爐、垃圾焚燒爐的煙氣除塵、除SO2 和其他有毒有害氣體的一體化凈化裝置。要求設備結構緊湊，安裝操作方便，自動化程度高。占地面積小，噴淋洗滌液能夠做到全封閉循環，沒有廢水排放，耗水量很少。系統阻力小，運行工況適應力強，煙氣凈化后沒有夾霧帶水現象，設備材質具有耐腐蝕性、 耐磨、耐高溫的性能，使用壽命長。除塵效率能達 98%以上，煙塵濃度小于100 mg/m3，除 SO2 效率能達80 %以上。設備價格適中，不高于現有除塵脫硫一體化設備的市場價格，有市場競爭力。 在研制過程中必須解決如下幾個內容：
(1)除塵脫硫一體化設備的優化設計；
(2)設備負荷穩定性的研究；
(3)飄塵捕集效應的研究；
(4)煙氣脫水的研究。
工藝路線分析
中小型鍋爐煙氣是從鍋爐省煤器引出后的氣固混合物，組分一般包括 N2、O2、CO2、SO2、NOX、水蒸氣等氣體并攜帶大量細微粉塵；狀態一般為：微負壓，溫度在150 ℃～250 ℃。 濕法除塵脫硫的工藝路線多為如圖1所示的流程順序。
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在洗滌吸收設備中，首先對高溫含塵鍋爐煙氣進行噴淋洗滌，這里是工藝過程中的核心步驟，完成對氣體的吸收和降溫，使氣 -固混合物變成氣 -液 -固三相混合物。吸收主要通過氣液混合傳質和化學反應進行，降溫主要通過氣液固混合傳熱，以噴淋液溫度的升高和水的蒸發來達到降溫目的，降溫有利于氣體的吸收。然后經過噴淋洗滌后的氣液固三相混合物進入氣液分離設備，完成氣液和氣固的分離操作，凈化后的煙氣經煙囪排出，液固混合物加入吸收劑再生，并產生部分固體沉淀，然后進入液固分離設備，分離后的液體用循環泵打入洗滌吸收設備。
除塵脫硫一體化設備工藝系統
提高脫硫效率的關鍵：一是氣液混合是否充分，二是氣體在吸收設備內的停留時間，即氣液接觸反應時間。除塵效率的關鍵是氣液分離的效率。綜合除塵和脫硫的關鍵因素，設計了如圖 2 所示的高效率除塵脫硫一體化工藝系統。
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如圖所示，除塵脫硫一體化設備由噴淋管道、多通道組合文丘里滌氣器、上下導旋籠柵、除霧器和主體外殼等構成。導旋芯管采用不銹鋼材質，其他部位可根據用戶需要采用不銹鋼或碳鋼噴涂特種涂料。該設備根據氣液傳質理論和流體力學理論，綜合了液相噴淋洗滌、組合文丘里、離心力分離、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使氣液固三相接觸混合和分離脫水都達到比較高的效率。
煙氣在進入高效除塵脫硫一體化設備之前的煙道中基本是處于層流運動狀態，在進入主體設備前端的噴淋管道和多通道組合文丘里后，設備的結構使流體由層流狀態轉變為湍流運動，因為湍流是以高頻擾動旋渦為特征的三維運動，使固、液、氣三態物質最大程度地混合，從而接近混沌狀態。這樣才能增大氣、液態物質，即 SO2、NOx等有害氣體分子和H2O的碰撞機率，增大粉塵顆粒和水粒的撞擊、攔截以及凝聚的機率。多通道組合文丘里起到增大高頻渦旋的作用，而且阻力小，氣流沖擊著水滴在慣性和重力作用下猶如雪崩現象，因此在噴淋管道和組合文丘里中，微堿性洗滌液對煙氣進行充分的洗滌。
煙氣經過組合文丘里進入水平噴淋管道，管道中分布著螺旋無堵塞噴咀，噴淋液體從噴咀出來后形成一個旋轉面進而分散成小液滴，布滿在實心錐形的空間內，每個小水滴都有一個初始速度，這與氣流的方向和速度都不一樣，就形成一個相對速度，使氣流再次受到外力作用，使已經減弱了的湍流運動再次加強，氣流在水平管道中第二次被洗滌，小液滴將氣流中顆粒和氣態物質再次捕獲。
煙氣通過水平管道第二次洗滌后，被加速進入凈化器主體設備中，由于煙氣從筒體切向進入，此時煙氣開始作圓周運動，由原來的湍流運動變為二維的渦旋，大的固體顆粒和液滴碰到籠柵的柵葉上再次被捕獲，只有旋轉到與籠柵切線方向的縫隙位置時才能允許氣流通過。 湍流運動在這種結構下變為層流，這樣極為有利于液態和固態物質分離出去，氣流進入籠柵后，切向旋轉速度增大，從下筒體氣流中帶上來的水滴在這種離心力作用下，極有利于分離。SO2 氣體不斷地被吸收到固、 液小顆粒和容器壁上，被吸收后的 SO2 變成離子狀態，顯酸性，溶入液滴后就服從氣液非均一相體系的凈化規律，受到離心力、 擴散力，攔截作用等被捕獲下來。在設備上部還設有除霧器，再次將細小霧滴和部分凝結水脫去。
綜上所述，設備結構設計、 參數確定的技術路線是從理論上研究清楚氣、液、固三態物質混合相對運動和相對作用所必須遵循的流體力學規律，在設備的設計中特別強調了遵循理論規律和充分運用這些規律，參數設計中參考多種學科已有成功設計經驗，取其長處，完善設計，使設備性能達到預期的效果。
高效除塵脫硫一體化設備的性能指標
(1)煙氣林格曼里度< 1 級
(2)除塵效率 > 98 % 排塵濃度 < 100 mg/m3
(3)除二氧化硫效率>80 %
(4)凈化器主體阻力< 1500 Pa
(5)液氣比 2～3 l/m3
(6)耗水量 < 0.013～0.018 l/m
(7)噴淋液PH控制范圍 7±1
3 工程實例及分析
該高效除塵脫硫一體化設備經中試和放大后，已經應用于多個鍋爐煙氣脫硫工程，如某化工廠 4 t/h 鍋爐除塵煙氣脫硫工程、某水務有限公司兩臺 6 t/h 鍋爐煙氣除塵脫硫工程、天津某焊條有限公司 2 t/h 窯爐煙氣除塵脫硫工程等。工程中，經過凈化后的煙氣粉塵和 SO2 濃度都遠遠低于國家現有排放標準，且除塵脫硫效率都達到了設計要求。表一和表二為某水務有限公司 6 t/h 鍋爐煙氣凈化效率的測試數據，其中 SO2 濃度、 NOx濃度的測定儀器是 GA60(美國)。從表中測試數據來看，除塵效率大于98 %，脫硫效率達到 90 %左右，脫氮效率大于 50 %。
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