1 噴淋洗滌塔

噴淋洗滌塔是一種古老的濕法除塵設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻力小，在工業(yè)生產(chǎn)中，特別是作為環(huán)保設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。

1.1結(jié)構(gòu)型式及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

噴淋洗滌塔結(jié)構(gòu)見圖1所示。洗滌液通過(guò)噴嘴霧化成細(xì)小液滴均勻地向下噴淋，含塵氣體由噴淋塔下部進(jìn)入，自下向上流動(dòng)，兩者逆流接觸，利用塵粒與水滴的接觸碰撞而相互凝聚或塵粒間團(tuán)聚，使其重量大大增加，靠重力作用而沉降下來(lái)。被捕集的粉塵，在貯液槽內(nèi)作重力沉降，形成底部的高含固濃相液并定期排出作進(jìn)一步處理。部分澄清液可循環(huán)使用，與少量的補(bǔ)充清液一起經(jīng)循環(huán)泵從塔頂噴嘴進(jìn)入噴淋塔進(jìn)行噴淋洗滌。從而減少了液體的耗量以及二次污水的處理量。經(jīng)噴淋洗滌后的凈化氣體，通過(guò)除沫器除去氣體所夾帶的細(xì)小液滴后，由塔頂排出。

影響噴淋塔除塵效率的主要因素是液滴分布的均勻度、液滴粒徑及粒徑分布。因此，選擇合適的霧化噴嘴及噴嘴的合理布置是設(shè)計(jì)噴淋洗滌塔的關(guān)鍵之一。

①噴嘴布置   噴淋塔內(nèi)噴嘴的布置應(yīng)使噴淋塔橫截面被噴淋液完全、均勻地覆蓋。一般都采用多層噴嘴的布置方式，相鄰兩層間的噴嘴呈交錯(cuò)布置。兩層間的距離為1～2m。每個(gè)噴淋層上必須布置足夠數(shù)量的噴嘴，相鄰噴嘴噴出的水霧相互搭接疊蓋，不留空隙，使噴出的液滴完全覆蓋噴淋塔的整個(gè)斷面，而且要盡可能減少沿塔壁流淌的液體量，同時(shí)要降低噴淋液對(duì)塔壁的直接沖刷磨損。

②噴淋覆蓋率  噴嘴噴出的液體必須能夠完全覆蓋離噴嘴出口一定距離的噴淋塔截面，防止噴淋塔內(nèi)出現(xiàn)沒有噴淋液的區(qū)域而產(chǎn)生氣體短路問題。一般要求每個(gè)噴淋層的噴淋覆蓋率以200%-300%為宜。噴淋覆蓋率可按下式計(jì)算：

     式中： Nm—每個(gè)噴淋層內(nèi)噴嘴數(shù)量；

      Am—距離噴嘴出口1m處測(cè)得的每個(gè)噴嘴噴淋面積，㎡；

③噴淋液滴粒徑及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本文認(rèn)為選擇理想的噴淋液滴粒徑是確定噴淋塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)的先決條件。眾所周知，在相同的噴淋條件下，霧化液滴粒徑愈大，其比表面積愈小，降低除塵效率。但液滴粒徑太小，易被汽化或者被氣流帶走，增加了除沫器的負(fù)荷，而且直接減少了噴淋洗滌的液滴量，同樣會(huì)影響除塵效率。

圖1 噴淋洗滌塔結(jié)構(gòu)示意圖

表1列出了不同粒徑液滴在氣相中的“終端沉降速度”或稱為“帶出速度”。當(dāng)噴淋的液滴粒徑確定后，也就確定了噴淋塔的空塔速度，即不能超過(guò)該粒徑的帶出速度。

表1 液滴的帶出速度

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法選擇的噴淋液滴粒徑為0.5～1.0[mm]（平均粒徑）。考慮到噴嘴噴出的液滴的粒徑分散度，一般取空塔速度小于該液滴帶出速度的1/2，具體的設(shè)計(jì)參數(shù)為：

    空塔速度：V_g =0.6～1.2[m/s]；

    噴淋液氣比：W=0.066～0.266[L/m³(氣)] ；

    噴霧壓力：P_L =（1.4～7.3）×10⁵[Pa]；

    噴淋液滴粒徑：d_p=0.5～1.0[mm]；

    設(shè)備壓降：ΔP=200[Pa]。

從上述設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的噴淋塔空塔速度很小，帶來(lái)的問題是設(shè)備龐大，增加了設(shè)備的占地面積及投資。近年來(lái)，隨著超大煙氣量的凈化處理的需要，必須提高空塔速度，也就是要增大噴淋液滴的粒徑，縮小粒徑分布的分散度，減少細(xì)顆粒液滴的百分比。這樣有利于減少凈化氣體的霧沫夾帶量，降低除沫器的負(fù)荷。

在相同噴淋液量的條件下，噴淋的液滴粒徑愈小，其比表面積愈大，有利于提高除塵效率，相反噴淋的液滴粒徑愈大，其比表面積愈小，除塵效率降低。因此目前大型噴淋塔采用提高噴淋量，也就是提高噴淋液氣比，然后再加大噴淋的液滴粒徑，保持原有的比表面積，確保除塵效率，達(dá)到提高空塔速度，減少設(shè)備直徑，降低設(shè)備造價(jià)及占地面積的目的。另外，提高了噴淋液氣比，又縮小了設(shè)備直徑，能有效地加大設(shè)備的噴淋密度，有助于提高設(shè)備的除塵效率。

目前工業(yè)應(yīng)用的大型噴淋塔的設(shè)計(jì)參數(shù)為：

空塔速度：Vg =3～4[m/s]；

液氣比：W>1[L/m3(氣)]；

噴霧壓力：PL =（0.7～1）×105[Pa]。

噴淋液滴粒徑：dp=1.5～3.0[mm](粒徑小于0.5mm的液滴數(shù)量不超過(guò)5%)

④噴嘴結(jié)構(gòu)及特性

噴淋洗滌塔的性能主要取決于液滴粒徑和數(shù)量，而液滴粒徑和數(shù)量又取決于洗滌液總流量和噴嘴的特性。噴嘴噴霧特性主要包括噴嘴操作壓力、流量及噴霧粒徑、粒徑分布、霧化角和允許通過(guò)噴嘴的zui大固相顆粒。允許通過(guò)的固相顆粒粒徑愈大，表明該噴嘴不易堵塞，操作穩(wěn)定性好，可利用含固量高的循環(huán)噴淋液進(jìn)行反復(fù)噴淋洗滌，減少補(bǔ)充水的消耗，同時(shí)也減少了污水的排放量。噴淋液滴的粒徑分布也是噴嘴的一個(gè)重要特性，噴淋塔要求噴淋的液滴粒徑分布窄，尤其是要求小于0.5mm的液滴要盡量少，由于細(xì)液滴會(huì)被氣流夾帶進(jìn)入除沫器，增加除沫器的負(fù)荷，并減少了有效的洗滌液量。

液滴粒徑分布采用分散度作為衡量指標(biāo)，其定義為：

S=(d_0.9-d_0.1)/d_0.5

式中：S—分散度指標(biāo)；

d_0.9、d_0.5、d_0.1—分別表示液滴質(zhì)量百分含量小于90%、50%、10%的顆粒粒徑，[mm]。

S值愈大表示粒徑分散度愈大，液滴顆粒大小愈不均勻。

采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)所設(shè)計(jì)的噴淋塔，配套應(yīng)用的噴嘴為碗形噴嘴，該噴嘴的噴霧壓力為2～2.5×10⁵[Pa]，噴淋液滴平均粒徑小于0.5mm，要求噴淋液中不能有大于1mm的固體顆粒，或含固濃度不能太高，否則易造成噴嘴堵塞。該噴嘴只能用于空塔速度1m/s以下的噴淋塔。目前，大型工業(yè)裝置中應(yīng)用的噴淋塔所采用的噴嘴有切向、軸向噴嘴和螺旋形噴嘴，其結(jié)構(gòu)形式及噴霧液滴的流形見圖2。

圖2 霧化噴嘴

切向噴嘴，又稱為空心錐切線型噴嘴（Hollow Cone Tangential）。洗滌液從切線方向進(jìn)入噴嘴的旋渦腔內(nèi)，然后呈旋轉(zhuǎn)流型從噴孔噴出，形成中空錐流型的液滴群，在下游截面上呈圓環(huán)狀圖形（見圖2a）。噴嘴無(wú)內(nèi)部構(gòu)件，允許通過(guò)的zui大固體顆粒直徑約為噴孔直徑的80%。

軸向噴嘴，又稱為實(shí)心錐噴嘴（Full Cone）。這種噴嘴內(nèi)置旋流片，噴嘴的進(jìn)出口在同一軸線上，洗滌液進(jìn)入噴嘴通過(guò)旋流片呈旋轉(zhuǎn)流從噴孔噴出，呈全充滿的錐形的液滴群，在下游截面上呈圓狀圖形（見圖2b）。由于該噴嘴內(nèi)設(shè)置旋流片，因此對(duì)高含固量的洗滌液的使用有一定的要求，易于產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，允許通過(guò)的zui大固體顆粒直徑約為噴孔直徑的25%。

螺旋形噴嘴（spiral nozzle），該噴嘴的出口為一個(gè)倒錐形的螺旋帶，進(jìn)入噴嘴的洗滌液以高速射流的形式被螺旋帶剪切、沖擊產(chǎn)生1～2個(gè)同軸的空心錐形液滴群，在下游截面上呈1～2個(gè)同心的圓環(huán)狀圖形（見圖2c）。由于該噴嘴沒有內(nèi)部構(gòu)件，因此允許通過(guò)的zui大固體顆粒直徑幾乎與噴孔直徑（或螺旋帶之間的間隙）相接近。

   上述三種噴嘴中，螺旋形噴嘴的能耗zui小，噴霧的粒徑也最小，而切向噴嘴的噴霧粒度分布較為均勻，分散度最小，在噴霧壓力變化時(shí)，噴霧的霧化角變化不大，操作穩(wěn)定可靠。

尿素噴霧造粒塔的尾氣凈化問題至今尚未得到有效解決，既浪費(fèi)了尿素又污染了環(huán)境。本文作者采用濕式洗滌的方法，在造粒塔頂部，精心設(shè)計(jì)增設(shè)一個(gè)噴淋洗滌段，采用螺旋形噴嘴及波板填料除沫器，取得了良好的捕集效果，既消除了環(huán)境污染又能回收尿素粉塵，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 液柱塔

液柱塔是在噴淋塔的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型濕式洗滌設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖3所示。氣體由設(shè)備下部進(jìn)入，凈化后氣體經(jīng)除沐器后由頂部出口管排出，塔內(nèi)的氣體作自下而上的流動(dòng)，與噴淋塔的氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，所不同的是，洗滌液是由塔下部的噴嘴自下向上噴射進(jìn)入設(shè)備，噴射液柱在達(dá)到zui高點(diǎn)后，自然散開，形成無(wú)數(shù)液滴作重力沉降，與上升的氣流產(chǎn)生高效的氣液接觸，達(dá)到高效洗滌除塵作用。

圖3液柱塔結(jié)構(gòu)示意圖

液柱塔與噴淋塔的主要區(qū)別是，噴淋塔采用霧化噴射，對(duì)噴嘴有較高的要求，否則系統(tǒng)就容易結(jié)垢堵塞，而液柱塔采用的是射流噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噴頭孔徑大，不易堵塞，而且系統(tǒng)能夠在比較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此對(duì)控制水平和循環(huán)水含固粒度要求不高。也由于液柱塔內(nèi)的吸收液呈液柱狀，分散的液滴粒徑相對(duì)較大，因此在液柱塔內(nèi)可以采用較高的空塔速度，一般為4.2～5.6m/s。另外，由于液柱塔僅設(shè)置一層噴嘴，而且安裝在設(shè)備下部，位置較低，安裝及維護(hù)方便。

液柱塔內(nèi)向上噴射的液柱與塔內(nèi)的氣流為同向運(yùn)動(dòng)，由于高速射流的液柱對(duì)氣流會(huì)產(chǎn)生一定的引射作用，有助于降低氣體的阻力。

由于依靠上升液柱動(dòng)能為零時(shí)，液柱自然散開而產(chǎn)生的液滴，一般粒徑都比較大，雖然可大大降低除沐器的負(fù)荷，但液相的比表面積明顯減少，影響捕集效率，所以必須提高液氣比。考慮到噴射散開的覆蓋面積比較小，要求布置較多的噴嘴，一般要求每平方米安裝約4個(gè)噴嘴。

液柱塔的設(shè)計(jì)參數(shù)為：

空塔速度：V_g =4.2～5.6[m/s]；

液氣比：W=13～25[L/m³(氣)]；

噴射壓力：P_L =（0.7～1）×10⁵[Pa]。

3 動(dòng)力波洗滌器

動(dòng)力波洗滌器是一種新型、高效的濕式洗滌設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其作用原理是，氣體自上向下高速進(jìn)入洗滌管，洗滌液通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴自下向上逆向噴入氣流中，氣液兩相高速逆向?qū)ψ?，?dāng)氣液兩相的動(dòng)量達(dá)到平衡時(shí)，形成一個(gè)高度湍動(dòng)的泡沫區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，氣液兩相呈高速湍流接觸，接觸表面積大，而且這些接觸表面不斷地得到迅速更新，達(dá)到高效的洗滌效果。

本文作者利用該設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及氣液兩相流的流動(dòng)狀況，在其泡沫區(qū)的下部適當(dāng)位置又增設(shè)了“順流混合元件”，使氣液兩相再一次進(jìn)行湍流混合，起到了順流洗滌的作用，在一機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)串聯(lián)的洗滌效果，成功地開發(fā)了“帶混合元件的動(dòng)力波洗滌器”。

該設(shè)備具有以下一些優(yōu)良的性能特點(diǎn)：

（1） 凈化效率高。動(dòng)力波洗滌器的凈化效率遠(yuǎn)高于噴淋塔、填料塔等傳統(tǒng)的洗滌設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)除塵效率均達(dá)99%以上，表2列出了帶混合元件的動(dòng)力波洗滌器的性能試驗(yàn)結(jié)果。

表2  帶混合元件的動(dòng)力波洗滌器的試驗(yàn)結(jié)果

圖4 動(dòng)力波洗滌器結(jié)構(gòu)示意圖

（2）能耗低，其阻力損失僅為文丘里洗滌器的一半。由于動(dòng)力波洗滌器在運(yùn)行過(guò)程中既利用了氣流的能量，也巧妙地利用了液流的能量，而且因?yàn)楸玫男释ǔ８哂陲L(fēng)機(jī)，所以，與等效率的其他設(shè)備相比，其阻力并不算高。

（3）操作穩(wěn)定可靠，噴嘴不易堵塞。由于液體噴入氣體是由一個(gè)大的開有孔的液體噴嘴進(jìn)行，這樣循環(huán)液可以允許較高的含固量而不堵塞。循環(huán)液含固量較高，可使污水排放量減少，從而減輕了污水處理裝置的負(fù)荷和規(guī)模。一般傳統(tǒng)洗滌設(shè)備很難承受3%以上的循環(huán)液含固量，而動(dòng)力波洗滌器可以達(dá)到20%的循環(huán)液含固量而不堵塞。所以，動(dòng)力波洗滌器的可靠性高，不易損壞，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)。開孔噴射的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是液體不發(fā)生霧化，排氣中的液體霧沫很少，使用常規(guī)的除沫器即可脫除。

（4）配置靈活，適用范圍廣。經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，動(dòng)力波洗滌器幾乎可以用于任何氣體凈化過(guò)程。例如，其降溫效果頗佳，可用于處理各種高溫氣體；不易堵塞，氣體中的含塵量幾乎沒有限制，循環(huán)液中的允許含塵量也很高；如果過(guò)程本身允許，可大大減少?gòu)U液抽出量，使廢液的處理更為容易；外形小巧，強(qiáng)度及密封問題易于解決，且工作過(guò)程不受壓力的影響，所以可在任何壓力下運(yùn)行。泡沫區(qū)的面積很大，有較寬范圍的氣量適應(yīng)能力，可以適應(yīng)50%～100%的氣量變化而不降低洗滌效率?？傊瑒?dòng)力波洗滌器具有廣泛的適用性。

（5）投資低。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形小巧，配置方便靈活，材料易解決，節(jié)省投資和占地。動(dòng)力波凈化系統(tǒng)的投資比傳統(tǒng)工藝節(jié)省30%以上。

動(dòng)力波洗滌器的設(shè)計(jì)參數(shù)：

空塔速度：V_g =10～20[m/s]；

液氣比：W>3[L/m³(氣)]；

噴射壓力：P_L =（0.7～1）×10⁵[Pa]。

4 結(jié)束語(yǔ)

噴淋洗滌塔、液柱塔及動(dòng)力波洗滌器的共同點(diǎn)是：（1）均采用液相噴嘴將洗滌液霧化成細(xì)小液滴，均勻地分散于氣相中，增大液相的比表面積，達(dá)到較高的除塵效率。（2）均由空筒體、噴嘴及除沫器三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維修方便，而且不易產(chǎn)生結(jié)垢和堵塞問題，設(shè)備能夠安全長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。（3）該類設(shè)備還具有放大效應(yīng)小的特點(diǎn)，更適用于作為超大氣量的洗滌設(shè)備。

上述三種設(shè)備的不同點(diǎn)是：（1）動(dòng)力波洗滌器的外形更小巧，配置方便靈活，設(shè)備投資低，而噴淋洗滌塔、液柱塔的外形相對(duì)龐大，設(shè)備投資較高。（2）動(dòng)力波洗滌器的凈化效率較高，而噴淋洗滌塔、液柱塔的凈化效率相對(duì)較低。（3）動(dòng)力波洗滌器的阻力降相對(duì)于噴淋洗滌塔、液柱塔的阻力降要高。（4）噴淋塔采用霧化噴射，對(duì)噴嘴有較高的要求，否則系統(tǒng)就容易結(jié)垢堵塞，而液柱塔和動(dòng)力波洗滌器采用的是射流噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噴頭孔徑大，不易堵塞。

噴淋洗滌塔、液柱塔及動(dòng)力波洗滌器各有特點(diǎn)，因此，在進(jìn)行濕法除塵設(shè)備的選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的工藝特點(diǎn)和要求，來(lái)選擇合適的設(shè)備。