摘  要：本文提出了烟气横向冲刷槽型导流芯的液膜式烟气脱硫方法，并在一小型试验台上进行了试验研究，分析了空塔烟气流速、温度以及气液接触面积对烟气脱硫效率的影响规律，对试验台的结垢问题作了简要分析。

关键词：横向冲刷；槽型芯；湿法烟气脱硫；结垢

1 引言

我国是一个发展中国家，而我国的能源构成仍以煤炭为主，由此将导致严重的SO₂污染，且随装机容量的递增，SO₂的排放量也将不断增加^［1］。为了控制燃煤电厂SO₂的排放，改善人类的生存环境，我国先后引进了一批国外先进技术和设备，但由于其昂贵的投资以及不菲的运行费用，以我国现有的经济实力来说根本无法推广应用。而现有国产技术还存在辅助系统配套不足的问题，且多数还仅适用于中小锅炉^[2]。鉴于这种情况，开发出一种经济可行的新工艺方法及设备是有着广阔应用前景的。

现有湿法烟气脱硫技术主要是利用石灰或石灰石浆液与烟气并流或逆流接触，通过增加气液接触面积或反应时间来获得较高的脱硫效率从而达到脱硫的目的。但以这两种烟气接触方式脱硫所处理的烟气量不大，且烟气速度不宜太高。因为随着烟气流量增大，塔内气体速度增大，气液接触时间变短，不利于石灰浆液吸收SO₂，且烟气带水量增多，易造成风机带水，烟道腐蚀等问题^［3，4］，需要在尾部增设除雾器和烟气再热设备。此外，一般的湿法脱硫装置耗水量大。有报道表明，现在我国人均占有水量为24吨，居世界第41位；而到2010年我国人均占有水量为20吨，将居世界120位以后。故耗水量也应成为衡量脱硫装置性能的一个重要指标

哈尔滨工业大学在总结国内外现有脱硫装置脱硫机理的基础之上提出采用烟气横向冲刷垂直下降液膜的流动方式，通过此接触方式来增强液膜扰动以达到提高其传质系数的目的。目前很少有人研究此种接触方式对传质的影响，也很少论述在相界面附近浓度的分布。为了实践该想法，本研究在借鉴文献^［5～8］基础之上，提出并设计了槽形导流芯烟气脱硫装置。该装置的特点是：在反应塔内布置有序排列的槽形导流芯，导流芯按流通等截面原则设计，浆液沿导流芯向下流动，并在导流芯表面形成均匀稳定的下降液膜，采用烟气横向冲刷下降液膜，强化了烟气对液膜的扰动，使下降液膜形成强烈扰动的湍流状态，进而提高了气液传质系数，从而达到有效脱除烟气中SO₂的目的。

2 试验装置与试验方法

2．1 试验装置

本次脱硫试验装置如图1所示，由模拟烟气系统、浆液循环系统以及反应塔主体三大部分组成。反应塔主体横截面为320×300，有效行程为400；槽形导流芯宽B＝20，有效高度300，导流芯按错列布置。本试验通过空气与SO₂气体混合来模拟实际烟气。通过调节气体流量调节阀以获得不同工况系统入口的SO₂浓度值和烟气流量。混合烟气经加热器加热至不同试验工况所需的温度，烟气温度由温控仪表控制。然后将加热后的烟气送入脱硫塔进行脱硫，最后直接排入所连接的烟囱中。

2．2 试验方法

   

试验采用石灰浆液直接脱硫。试验所用的脱硫剂是辽宁朝阳产的分析纯CaO，其纯度为98％。将CaO粉在浆液循环槽内配制成pH＞10的浆液，经充分搅拌后由浆液泵将石灰浆液输送到反应器。浆液流量由流量调节阀、液体流量计控制，以适应不同的液气比。反应后的浆液经排污处理后仍可循环利用。本试验的入口SO₂浓度Cso₂设为1200ppm，液气比为1.8L/m³，入口烟气温度T分别取为63、53、43和33℃，烟气速度V分别为8.0，7.2，6.7，4.6，3.5m/s。

3 结果与讨论

3．1 空塔烟气流速、烟气温度以及气液接触面积对脱硫效率的影响

       本试验研究了U型和H型两套导流芯的脱硫效率。先在U型芯上研究了相对节距为S₁/B=1.75，S₂/B=1.05的管束其空塔烟气流速、烟气温度对脱硫效率的影响试验。碱性浆液沿导流芯与孔板间的狭缝向下流动，在U型芯的凹面形成一定厚度的稳定的下降液膜。U型芯在塔内错列布置，烟气横向冲刷导流芯并与其表面的下降液膜接触发生化学反应。

由图2可见，在相同空塔烟气流速和温度的情况下，随着烟气行程增加，即随着烟气流经导流芯管排数的增加，烟气停留时间（脱硫反应时间）加长，使反应进行得更加完全，进而使脱硫效率逐渐提高，最高可达47%。

从图3的变化趋势可知，在相同入口烟温的情况下，空塔烟气速度较小时，脱硫效率随烟气速度的增大而增大；当烟气速度超过某一值后，脱硫效率随烟气速度的增大反而下降。这是因为：一方面，随空塔烟气速度的增大，横向冲刷的烟气撞击到管束表面时既有横向流动也有沿液膜方向流动，烟气在管束间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，在管束间产生强烈的湍动和混合，强化了烟气对液膜的扰动，使下降液膜形成强烈扰动的湍流状态，加快了传质，提高了气液传质系数，使烟气与下降液膜接触更加充分，从而有利于化学反应的完成，进而使脱硫效率得到了提高，这充分体现了通过增强界面扰动来提高传质的优点。另一方面，随着空塔烟气流速的增大，高流速的烟气在反应塔内的停留时间缩短，在此段脱硫过程中气液接触时间占主导地位，而通过增强界面扰动来提高传质的优点没有得到充分的体现，从而使脱硫效率降低。在低速区通过增强液膜扰动来加强传质的作用占优势，当烟气速度到达一定值后，气液接触时间占优势，致使脱硫效率呈现出图中的变化趋势。

现对图3中低速区气液传质系数作一简单分析。由于本次试验采用石灰浆液作为脱硫剂，SO₂与石灰浆液的反应为瞬时反应，以致在气液界面附近溶入的SO₂气体很快就被消耗完了，SO₂气体在液膜中的扩散阻力大为降低，甚至降为零，吸收速率只决定于SO₂气体从气相主体扩散到气液界面的阻力，这时总吸收系数可以近似地认为等于气相分吸收系数，此时传质速率为气膜传质过程所控制。由因次分析理论知，气相修伍德数（Sh_G=kd/D，k为传质系数，D为扩散系数）可用无因次准则关联式表达

式中，k₁~k₄为无因次经验常数，Sc为施密特数（Sc=/D）。由文献^［7,9~12］可确定k₂、k₃为一小于1的数，k₄为0.5，Re_G中的流速采用垂直于流体流动方向的最窄截面的流速。通过计算，本次试验的Re_G约为9990，Re_L约为12724。上述无因次准则关联式表明，在高雷诺数时液膜的波动能提高相界面积和湍流程度，从而有利于气液传质系数的提高。由于对流传质主要靠旋涡的作用，通过烟气对液膜的横向冲刷进一步增强了界面的湍动，在相界面形成许多旋涡，使下降液膜形成强烈扰动的湍流状态，相当于负的界面阻力，从而使气液传质系数以小于一次方的关系提高；

此外由图3可见，在空塔烟气速度较高或较低（即在烟气流速过渡区外）的情况下，随着烟气温度的增加其脱硫效率有所增加。这主要是由于在烟气流动的过程中，下降液膜受横向冲刷的烟气加热而使其温度增加，在化学反应所需的最佳反应温度范围内，这不但可以加快CaO与H₂O的反应速度，还可以提高浆液的活性，从而提高脱硫效率。

       本次试验还研究了H型导流芯的脱硫效率。H型芯与U型芯的不同之处就在于H行除在迎风面有下降液膜外，在背风面还有下降液膜，烟气不与背风面液膜直接接触，而是通过绕流尾涡与背风面液膜接触从而达到脱硫的效果。由图4可见，在相同空塔烟气流速和温度的条件下，H型芯的脱硫效率总体上比U型芯的脱硫效率略高。这是由于H型芯的气液接触面比U型芯的气液接触面大，增大了有效传质面积，进而使其脱硫效率比U型芯大。

3．2 结垢问题分析

       本次试验采用了高pH值运行，此时溶入水中的SO₂都以SO的形态存在^［13］，这时在本试验塔内的脱硫反应为：

第一步：烟气中SO₂气体的溶解、水合和离解过程

第二步：石灰的溶解

第三步：吸收溶解的SO₂

Gage和Rochelle认为亚硫酸钙将降低脱硫效率^［14］，而且生成的在水中的溶解度只有0.0043g/100gH₂O（18℃），在实际脱硫设备中极易达到过饱和而结晶在塔壁和部件表面上，很快就会造成设备堵塞而无法运行下去。因此为了提高脱硫效率，增加系统运行的稳定性，应通过化学或机械的方法及时去除生成的CaSO₃。通过本次试验可以观察到上述现象。随着反应的进行脱硫效率在逐渐下降，由于本次试验循环槽较小，所以到脱硫后期pH值以及脱硫效率均下降很快；在塔内壁、导流芯片尖端处和导流芯表面形成了一层很薄的白色垢层，这主要是由于液膜的蒸发而使得垢层结晶析出所致，这种垢物一般呈叶状，柔软，形状易变，用手轻轻一拭就可去掉；试验完毕后在液膜入口处还会有轻微的堆积垢层，这一垢层可用水冲洗轻易去除。在浆液循环槽中主要生成的是难于脱水且结晶较细的，静置后仍难于打捞。由于生成的溶解度随pH值降低而明显升高^［13］，因此可用人工清除或降低溶液pH值的方法来去除软垢。当烟气中SO₂浓度较高时，生成的还会继续与溶解的SO₂反应生成Ca(HSO₃)₂，从而使得设备可能不结垢或结垢不严重。

       通过试验发现，随着空塔流速的增加沿程压降逐渐增加但不大，8m/s时为64Pa。而空塔流速的增加不但可以提高气液相对运动的速度，减小气液间的传质阻力，从而加快反应速度，而且还可以增大烟气处理量，缩小塔的尺寸，节约投资。但若气速过高，将会导致气液接触时间变短、脱硫效率降低，甚至吹散液膜造成烟气带水。由于导流芯的特定形状和布置方式，使得在较高烟气流速下表面液膜也不易被撕破，经过长时间的运行，试验台后的集气箱内未见有雾滴析出，因此烟气含湿量的增大主要是由于水分蒸发引起的。因此，该方法具有烟气带水少，烟气处理量大，耗水量少且脱硫效果好等优点。同时，该法也为界面传质的强化提供了一种有效的方法。

4 结  论

       在本次试验台规模和试验条件下，可以得到以下结论：

1.        在相同空塔烟气流速和温度下，脱硫效率随着烟气行程的加长而逐渐增加；

2.        在相同烟气温度下，空塔烟气速度较小时，脱硫效率随烟气速度的增大而增大，当烟气速度超过某一值后，脱硫效率随烟气速度的增大反而下降；

3.        在空塔烟气速度较高或较低（即在烟气流速过渡区外）的情况下，随着烟气温度的增加其脱硫效率有所增加；脱硫效率随气液接触面积的增大而增加。

4.        在高pH值下脱硫产物主要为和部分Ca(HSO₃)₂，它主要以软垢的形式存在，会造成脱硫设备堵塞。

5.        本试验通过烟气横向冲刷下降液膜来增强液膜扰动以提高传质系数，同时也为界面传质的强化提供了一种有效的方法。

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