摘 要：针对喷雾塔流场不均匀、湍流强度低的问题，本文提出了基于内芯和盘形喷淋系统的喷雾塔，优化了气液两相的流动传质过程，整体脱硫效率可达到94%-98%，具有良好的环保和经济效益。
关键词：喷雾塔；喷淋系统；节能减排
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.050
1 引言
当前大气污染形势十分严峻，国家出台了超低排放的有关标准[1]。许多中小型锅炉脱硫效率低下，面临着不改造就被淘汰的窘况。我国大多数锅炉采用湿式石灰石/石灰-石膏法烟气脱硫工艺，逆流喷雾塔是目前最主流的塔型[2]，提升湿法脱硫的效率至关重要。
2 喷雾塔简介及存在的问题
在湿法烟气脱硫的喷雾塔中，含有SO2的烟气从吸收塔底部切向喷入，在吸收塔内旋转上升，同时吸收塔上部的喷嘴将石灰石浆液雾化成液滴，液滴下落的过程中烟气与之逆流完成传质过程，烟气中的SO2得到脱除[2]。
然而，这种传统的塔型存在一定的问题。一方面，由于受到离心力作用，石灰石浆液中直径较大的液滴被甩到塔壁上，直径较小的液滴随烟气上升，反应空间的中心形成脱硫剂液滴的空洞区。此区域流动阻力较小，芯部烟气流量随之增加。这部分烟气停留时间很短，速度场分布不均匀，导致气液两相混合不充分。并且随着气液两相流湍流强度的减弱，气膜阻力逐渐增大，反应速率逐渐降低。另一方面，为了达到较高的石灰石浆液覆盖率，实际运行通常采取加大喷嘴水压和增加液气比的方法，这既缩短了液滴在塔内的停留时间，又提高了循环水量和电耗，增加了运行成本。以35t/h循环流化床锅炉为例，每年仅脱硫设备的水费和循环泵电费就高达200万元以上。综上可知，这种形式的喷雾塔仍有很大的改进空间。
3 改进方案及工作原理
3.1 设计思路
根据双膜理论，石灰石浆液吸收SO2气体的过程反应速率很快，属于扩散控制[3]。提高烟气的湍流强度能减少气膜传质阻力，增加气液两相接触面积能增加传质面积，是提高脱硫效率的最主要措施；而增大液气比、增加气液接触时间的效果不如前两者明显[3]。
部分烟气直接从中心空洞区高速上升，不仅停留时间很短来不及充分反应，而且会干扰主流，造成流动不均匀。此外，喷淋塔内气相的湍流强度逐渐降低，特别是尾部下降很快，不利于SO2向液滴的扩散。而在吸收塔中心加装一个圆柱体内芯，则能有效克服这些弊端。
3.2 改进方案
加装内芯的喷淋塔结构如图1所示。圆柱体内芯位于塔体的中心轴线上，采用钢板外衬耐磨防腐材料制成。芯体直径约为塔筒内径的1/5，高度比末一级喷淋层高0.5～1m。煙气入口管道宽度占塔体内径的25%～30%，避免高速烟气与内芯直接对冲，沿内芯壁向上流动。
在加装内芯的基础上可以采用盘形喷淋系统，如图2所示。这种形式的喷淋系统是由一个总的进液管道，通过圆盘形的分配管将多个均匀布置的喷嘴串联形成水路，采用空心锥喷嘴向下喷淋，分配管由支架支撑的方式构成一个喷淋层，布置4层，每层喷淋层使用一台循环泵，根据流量和高度选型。
3.3 工作原理
烟气在送风机作用下，受到内芯和塔壁形成的环形区域的约束，做旋转上升运动，在烟气量保持不变的情况下流动速度加快。其主要作用有：
（1）圆柱体内芯占据了烟气流动空间，避免了烟气从中心空洞直接上升，增加了中心烟气的停留时间，改善了流场的均匀性，提高了传质效果；
（2）提高了气液两相的相对运动速度，同时提高了气液两相流的湍流强度，从而减少了气相与液相的膜厚度，提高了传质系数，特别是加快了尾部吸收区扩散速率；
（3）烟气产生强烈旋转，烟气能托住液滴，增加液相的停留时间，强化了液滴的整流作用，气液两相混合均匀，有利于快速完全反应；
（4）气空间减少、脱硫效率提高液气比随之下降、可选用压力较小的喷嘴，都会使循环水量、补水量、水泵电耗降低，达到了节能减排的效果；
（5）灰尘在离心力的作用下黏附在液滴上，并被甩到塔壁随浆液流下，达到并强化了二次除尘的作用。
3.4 可行性分析
这种采用内芯和盘形喷淋系统的喷雾塔脱硫效率可达94%～98%，而无需增加液气比或石灰石用量。由于喷嘴压力、循环水量的减小，水耗电耗也得到降低，一台35t/h循环流化床锅炉的烟气脱硫装置每年可节水7200吨，节电41.6万度，节省石灰石32吨，节省运行费用38万余元。此设计方案便于在现有脱硫设备进行改造，改造费用低，对钙法、镁法、氨法等多种烟气脱硫工艺都适用，便于规模化推广。
4 结语
针对现有湿法脱硫喷雾塔存在的问题，本文依据流体力学、化学动力学等基本原理，提出了一种可行的改进方法。这种喷雾塔脱硫效率高，结构简单，运行成本低，可用于现有设备的升级改造。
参考文献：
[1]王志轩.燃煤电厂大气污染物“超低排放”基本问题思考[J].环境影响评价，2015，37（04）：14-17.
[2]高苑辉，关亚静.几种湿法脱硫吸收塔的特点分析[J].天津电力技术，2000（04）：12-14+25.
[3]蒋文举主编.烟气脱硫脱硝技术手册[M].北京：化学工业出版社，2006：112-119.