多级离心雾化超重力旋转床烟气除尘脱硫脱氮一体化设备.doc

多级离心雾化超重力旋转床烟气除尘脱硫脱氮一体化设备
黄德斌1 邓先和2
（1 佛山科学技术学院环建学院 广东佛山 2 华南理工大学化工与能源学院 广东广州）
摘要：多级离心雾化超重力旋转床不仅低阻节能、传热传质效率高，而且体积非常紧凑，重量轻，设备投资省。超重力旋转床除尘、脱硫脱氮一体化设备的推广使用，对我国二氧化硫和氮氧化物排放的控制、酸雨危害的治理将起到重大的推动作用。
关键词：多级离心雾化，烟气净化、一体化设备

Multistage Centrifugal Atomization High-Gravity Rotating Bed Flue Gas Desulfurization and Denitrification Technology Integration Equipment
Huang Debin1 Deng Xianhe2
1 Foshan University School of Enviorment ＆Civil Engineering Architecture, Guangdong Foshan China. 2 School of Chemical Engineering and Energy, South China University of Technology, Guangzhou, China
Abstract：Multi-stage centrifugal atomization high-gravity rotating bed not only low resistance and energy saving, heat and mass transfer efficiency is high, and the volume is very compact, light weight, equipment investment. Promote the use of it, to management control, China's sulfur dioxide and nitrogen oxide emissions of acid rain harm will play a significant role in promoting.
Key words：Multi-stage centrifugal atomization, flue gas purification, integration equipment

1、引言
在我国工业化的大城市，尤其像珠江三角洲这样的工业密集地区，随着经济的高速发展，大量的工业燃煤、燃油锅炉及一系列大型火电厂已经建成,于此同时工业区大气环境质量呈下降趋势，而酸雨已成为这些地区大气污染的最突出的问题。大量的工业燃煤和燃油锅炉是造成该地区降水酸化的主要原因之一[1], 燃烧过程中产生的SO2和NOX是排放量最多、危害性最大的两种污染气体,它们是工业废气污染和酸雨危害的罪魁祸首。而当前这些锅炉大多数没有烟气脱硫装置，烟气同时脱硫脱氮装置更是没有提上日程,致使工业废气污染问题一直得不到有效治理。
烟气脱硫工程首先得到了各级部门的重视,我国陆续地引进了一系列工艺设备的示范项目。如1991年华能珞璜电厂从日本三菱重工公司引进2套湿式石灰石／石膏法脱硫系统，总投资3,400万美元；另外，引进的脱硫设施也存在着运转费用昂贵的问题。以运行费用相对较低的旋转喷雾法来看，1998年山东黄岛电厂排放的二氧化硫达3.3万多吨，排放每千克，交费0.02元，而脱硫设施每脱掉1千克硫，费用为1.82元。由此看来,引进的示范工程虽然设备先进、运行稳定、自控程度高，但其投资费用极为昂贵，以我国目前的国力根本无法推广应用,如何使其国产化，降低成本及费用适应我国市场需求，就成为我国科研工作者的一项艰巨任务。在近几年，烟气脱氮工程也逐步得到重视,其中烟气同时脱硫脱氮技术是近十年才开始研究开发的新技术,目前国内外成熟的技术较少,进入工业应用示范的有高温催化法和等离子体法,由于设备投资和运行费用高,产品回收困难,大规模推广应用还需完善.当前包括燃煤电厂的大型锅炉在内，我国现有工业锅炉50多万台，其中80%以上是中小型燃煤锅炉（1t/h ～35t/h）。这些中小型燃煤锅炉绝大多数没有脱硫装置，更不用说烟气同时脱硫脱氮装置和技术,它们是SO2和NOX排放的一个主要的污染源，其排放量占总排放量的近40％。而当前国内外开发的燃煤锅炉脱硫及脱氮技术，又由于投资大、运行费用高，占地面积广以及工艺复杂，技术条件要求高等原因而不适合中、小型的燃煤、燃油锅炉，直接影响了这些中小型锅炉的尾气脱硫脱氮工作的顺利进行,因此这些中小型锅炉迫切地需要合适的尾气脱硫脱氮装置[2] 。
2、目前存在的问题
燃煤尾气的脱硫方法以湿法为主（占85％以上），烟气同时脱硫脱氮中化学湿法由于设备投资小，工艺流程简单也倍受关注.湿法脱硫及脱氮工艺的主体设备——吸收塔，有效率较高的板式塔、填料塔和效率较低的喷淋塔和旋流板塔等几种形式。其工作原理是在重力场下，通过烟气和吸收剂液体逆流接触，烟气中的SO2从气相扩散到液相中，来实现气液两相传质的。传质效果的好坏，除与气液接触面积大小、气液流动状况、气液自身物化性质等因素有关外，还与重力加速度g有关。从液膜体积传质系数准数关联式中可以看出[3] ：
而
—— 液膜传质系数， m/s； —— 液体的粘度， Pa·S；
—— 伽利略准数； ——重力加速度，m/s2；
—— 特征尺寸可，m； —— 液体密度， kg/m3；
在重力场的条件下液膜传质系数与重力加速度的1/3 或1/6次幂成正比[4, 5]。但是在地球上是一个不能改变的有限值，由于重力场较弱，液膜流动缓慢，单位体积内有效接触面积小、由液膜控制的传质过程的体积传质系数低，故这类设备体积庞大，空间利用率和设备生产强度低。传统的吸收塔的改进，也仅仅是通过改变液体流动形态来改善传质效果，作用有限。因此，这类设备投资庞大、占地面积广、运行费用高。
随着《中华人民共和国大气污染防治法》的通过以及《大气污染综合排放标准》的颁布实施，在燃煤尾气的治理上，矛盾日益尖锐，这主要表现在：没有采用烟气脱硫脱氮装置的企业按照国家环境标准要求，急需一套经济可行的烟气脱硫脱氮装置；已采用烟气脱硫装置的企业,还需增加烟气脱氮装置，目前由于受原料来源和产品销路的限制，又面临运行困难的问题。对我国目前的经济实力来说，采用烟气脱硫装置以及烟气同时脱硫脱氮装置仍是一个比较棘手的问题。脱硫技术二十余年来都未能在中小型燃煤锅炉上推广使用，烟气同时脱硫脱氮技术也只是刚刚开始，其根本原因在于实现快速（脱硫脱氮吸收塔尺寸要小）、高效（脱硫脱氮效率要高，脱硫脱氮剂要省）的传质反应很难，工艺流程比较复杂，成本太高，致使新的脱硫脱氮设备的出现必须在传质机理上有新的突破。
3、超重力旋转床
20世纪80年代，国际上出现了新型的传质设备——超重力旋转床[6,7]。在旋转床高速旋转的转子填料上，液体被分散、破碎形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道加剧了液体表面的更新。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以较大的相对速度逆向接触，极大地强化了传质过程。传质单元高度降低了1～2个数量级，并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点。因此，超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，被誉为“化学工业的晶体管”。超重力技术实质是一种离心强化技术，在离心力的作用下，液相被高度雾化，液膜的流速大大加快，可使液体伸展出巨大的相际接触界面，从而极大地强化传质过程。转速越快，离心加速度越大，传质效果越明显[8,9]。
国内已将超重力旋转床这种新型的传质设备应用于尾气脱除二氧化硫，在实验室中取得了较好的传质效果[10,11]，但是在工业应用上迟迟没有取得进展。其原因在于：现有的逆流型旋转填料床，内外环流体通道横截面积相比悬殊，气速变化过大，气体形体阻力高；气体由旋转床的外环沿径向流向内环，需克服离心阻力。这两个因素造成逆流型超重力旋转床气相流阻过大，不适于大流量、低密度、低浓度的废气处理。
4、烟气除尘脱硫脱氮一体化设备
华南理工大学在国外研究的逆流型超重力旋转床的基础上，已在实验室开发研制出了一种超低气阻的旋转床气液反应器——气液错流型多级离心雾化超重力旋转床[12] 。该旋转床中气相沿轴向流动，无需克服离心阻力，气阻极低，液体沿径向流动，在多层同心环填料层的离心加速作用下可不断雾化分散，在这一区域维持高且较均匀的扩展相界表面以及液滴速度，使得气液传质区域的体积传质系数可保持高而均匀。多级离心雾化可通过对液体沿径向作多级雾化分散，使液滴速度、粒径，以及气液相传质比表面积基本保持均恒，从而可获得较高的传热传质系数，和良好的气液错流传热传质强化效果[13,14]。实验结果表明：多级离心雾化旋转填料床的传质系数KL可达8.0×10-4～10.0×10-4m/s，体积传质系数KLα为（0.21～0.44s-1），随液流量增大而稳定增大，比传统填料塔的高一个数量级，气相压降仅100Pa左右[15,16,17]。在实验室采用双碱法脱硫工艺，对流量为1000 Nm3/h、浓度为6350mg/m3的模拟烟气进行处理，其脱硫效率达到86％以上[18]。多级离心雾化超重力旋转床配套的湿法脱硫工艺适用于任何固硫剂。用钙法固硫剂不堵塞、用钠法、柠檬酸钠法和氨法可使废气中的二氧化硫回收利用。
为了使该种新型超重力旋转填料床同时适用于高效清除工业废气中的微米级悬浮尘粒，可采用一种沿气流轴向分置若干旋转碟形丝网，该种碟形丝网在高速旋转中，可将由轴心喷出的液体在丝网上拉成极薄的高速流动均匀液膜，轴向气体流经此膜时气阻极小，而微米级悬浮尘粒却可在通过丝网的瞬间被液膜粘获，并被高速流动的液膜带走，其可通过丝网的悬浮尘粒直径由旋转丝网与气流的切向速度差及丝网的孔径大小确定，完全可控制在微米级。这种新型的超重力场旋转填料床将除尘和脱硫结合在一起，在燃煤尾气的处理时，除尘和脱硫一起进行，与传统的技术相比将会有更明显的经济效益。
随着当前烟气中氮氧化物的排放量日益增多，危害日趋严重,烟气脱氮已成为一个迫切需要解决的问题。在多级离心雾化超重力旋转床除尘脱硫一体化设备的研究成果上，引进烟气脱氮技术，从而达到烟气除尘脱硫脱氮三重效果。在实验室研究中,在双碱法除尘脱硫的吸收液中,加入NOX络合试剂——一种易再生的钴络合物，研究发现在多级离心雾化超重力旋转床上采用该种吸收剂，除尘效率为99%，二氧化硫的脱除效率可达99％以上，氮氧化物脱除率可达90%以上。
5、应用与产业化前景
多级离心雾化超重力旋转床开拓了气液错流传热传质的新途径，特适合于低密度、低浓度、大流量，低压降的锅炉尾气的处理。多级离心雾化超重力旋转床除尘、脱硫一体化设备在东莞市某企业的2吨锅炉上取得了工业应用。对流量为4000Nm3/h，二氧化硫浓度为3000 mg/m3的锅炉烟气采用双碱法脱硫工艺，取得了良好的除尘、脱硫效果。该设备直径为0.6m，高度为1.8m，脱硫效率达到94%以上，烟气阻力仅30-40mm水柱，风机能耗较低；而该锅炉原来的水膜除尘设备，直径为1.5m，高度为8m，脱硫效率为70%，除尘效率为80%，烟气阻力80-100mm水柱，风机能耗较高。超重力旋转床烟气净化装置的体积比水膜除尘设备缩小16倍，且烟气净化效果更高，二氧化硫的脱除效率可达94％以上，除尘效率为99%，达到了除尘脱硫一体化的效果。
多级离心雾化超重力旋转床还可以与多种湿法脱硫工艺相配套，适合于如何固硫剂，用钙法固硫剂不堵塞，用钠法、柠檬酸钠法和氨法可使废气中的二氧化硫回收利用。超重力旋转床应用于除尘，取得了初步的实验结果，与传统的除尘设备相比，显示出一定的优势。在实验室采用乙二胺合钴和尿素同时使用进行脱硫脱氮研究,出口气体中SO2和NOX的浓度最低可达0%,同时又可回收硫氮资源。超重力旋转床将除尘和脱硫脱氮结合在一起，在锅炉尾气的处理时，将除尘和脱硫脱氮一起进行，与传统的技术相比将会有更明显的经济效益。
6、结束语
由于传统烟气净化设备受体积庞大、设备投资高，烟气阻力大，运行能耗高，企业场地狭小的限制，致使国内大多数企业的锅炉烟气净化的工作进展缓慢。然而超重力旋转床技术在烟气净化(特别是烟气除尘同时脱硫脱氮一体化)装置中的应用, 因其体积小、净化效率高，设备总体投资少，运行能耗低，将极为有利于推进我国锅炉烟气的治理工作。
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