湿法脱硫：正确选择喷嘴的方法

 

根据脱硫塔的传热传质分析可知，脱硫塔内液滴粒径、烟气流速都对浆液液滴的夹带与烟气脱硫效率产生重要影响。小液滴脱硫反应比表面积更大,但是也更容易被烟气夹带出去，大液滴比表面积更小，但是更容易沉降，对烟气流场的整流作用也更强。脱硫塔内烟气流场速度分布则直接影响浆液液滴的运动轨迹与停留时间，同时还会影响下游除雾器的除雾效率。因此，选择合适的粒径需要在脱硫效率和设备运行之间找到平衡。

在脱硫应用中，喷雾的雾滴直径一般为:1600μm-2300μm，以2000μm最为普遍，索特平均直径（Sauter Mean Diameter，简称SMD）(D32)在1600μm。

?SMD（Sauter Mean Diameter，索特平均直径）?是一种常用的粒径分布参数，用于描述颗粒的尺寸分布。SMD是指所有颗粒的表面积与总体积之比，即颗粒的表面积与体积之比的平方根。它通常用于表征喷雾、粉尘等颗粒系统的平均粒径?

一、湿法脱硫塔内脱硫浆液运动特性

烟气脱硫塔结构如图1所示。烟气沿水平下倾烟道进入塔体，在上升过程中依次经过3个喷淋层，脱硫浆液由均匀布置于喷淋层的雾化喷嘴引入，与烟气形成逆流接触。经过洗涤之后的烟气从出口截面进入除雾区，吸收 SO2之后的喷淋液下落至浆液池。

 

图1 湿法脱硫塔示意图

（1）不同粒径喷淋液滴轨迹比较

在上述流场中，让喷淋层喷嘴同时喷入同一粒径示踪液滴，然后记录每个液滴的运动轨迹，可以更加直观地观察某一粒径液滴在塔内的数量分布以及分析夹带液滴的特征。本文选取4种典型液滴轨迹图进行分析。

图2所示为喷嘴喷入粒径为2mm 的液滴运动轨迹。从图2可知：粒径在塔内分布较均匀，由于单侧进风的原因，液滴轨迹偏向入口对面壁面，导致入口端液滴数量分布偏低。同时，由于壁面附近烟气速度较高，部分靠近壁面的液滴无法下落而最终撞至壁面。

 

图2 2mm 粒径液滴运动轨迹

图3 所示为 1 mm 粒径液滴运动轨迹。从图 3 可知：与 2 mm 粒径液滴相比，液滴偏离入口的现象更加明显，液滴轨迹相对集中于中心低速区，并从塔下部2个高速漩涡中间通过最后落入浆液池。

 

图3 1mm 粒径液滴运动轨迹

图4 所示为 0.5 mm 粒径液滴轨迹。由图 4 可知：大量液滴被烟气夹带至除雾区，部分液滴从塔中心处低速区下落。由于塔壁附近烟气流速较大，喷淋层中布置在壁面附近的喷嘴喷淋液滴多数被夹带向上运动，下落液滴的喷淋位置大部分处于低速区上方喷嘴。 同时，液滴在下落过程中会不断向低速区集中，在此双重作用的影响下，下落液滴运动轨迹非常集中。而在快落至浆液池时，液滴受到折返烟气沿壁面上升的作用而具有往四周壁面运动的趋势。

图4 0.5mm 粒径液滴运动轨迹

图 5 所示为 0.3 mm 粒径液滴轨迹。从图5 可知：该粒径液滴由于跟随性较强，几乎全部带至除雾区。只有低速区上方少量液滴能够下落，当落至浆液池附近时，下落液滴又随着烟气从入口对面壁面上升最终撞至壁面。

 

图5 0.3mm 粒径液滴运动轨迹

分析图 2~5 可知：2 mm 以上粒径液滴在塔内运动轨迹稍偏离入口，整体数量分布较均匀；1 mm 以下粒径液滴在吸收区的数量分布开始向塔内低速区集中，粒径越小数量分布越不均匀，这样的分布不利于脱硫浆液的有效利用。而液滴夹带则与喷淋位置有关，喷淋位置靠近壁面，夹带率高，喷淋位置靠近塔中心低速区则夹带率低。

2 mm以上粒径液滴在塔内分布较均匀，1 mm 以下粒径液滴运动受流场影响明显，使其数量分布集中于塔内低速区；当液滴粒径小于 0.2 mm 时，逃逸率几乎为100%；当液滴粒径大于0.2 mm 时，液滴逃逸率曲线随着粒径增大迅速减小，直至当逃逸率为20%时，逃逸率曲线开始缓慢下降；随着粒径的增大，液滴停留时间曲线具有峰值，且该峰值粒径也是在逃逸率曲线中开始缓慢下降处的粒径；流场不均匀性导致 0.8mm以下粒径液滴逃逸率降低，0.8mm以上粒径液滴逃逸率增大，同时导致下落液滴停留时间减少。

二、浆液喷嘴雾化性能研究

衡量喷嘴雾化性能的指标主要有雾化粒径、雾化角、雾化粒径分布等

图6 4 种机械雾化喷嘴

1.螺旋喷嘴

螺旋喷嘴是由中间空腔和四周逐渐变小的螺旋状喷口组成,如图6(a)所示。其内腔与螺旋状喷口的起始点相切,喷嘴腔体从入口至出口呈流线型,能极好的减少流体的阻力液体在压力下通过小孔喷出,实现压力势能向动能的转换，获得相对气体较高的流动速度。液柱撞击在呈一定角度的螺旋面上，从而使其外层液体分裂成一层层逐渐变小的同心圆锥面薄膜，并从螺旋喷头的空隙中喷出。薄膜与空气产生气液间的剪切作用,破碎成为小水滴,实现雾化。所有圆锥面雾化形成一个完整的实心锥形状的喷雾场

2 实心锥喷嘴

实心锥喷嘴是由一个圆锥形的空腔和一个旋芯构成,如图6(b)。通过旋芯,液体被整合成旋转喷射流，在压力作用下通过拉法尔喷管加速出,实现压力势能向动能的转换，从而获得相对于周围气体较高的流动速度。其旋芯可以加速旋转运动,使雾化更充分。旋转喷射流在刚出喷口时呈麻花状，且在一段很短的距离内处于尚未雾化的液膜态。随着旋转喷射流向前运动，高速运动的液体柱与空气发生挤压变形;同时旋转喷射流与空气产生剧烈的摩擦和剪切作用,液膜出现振幅越来越大的扰动波,液膜逐渐破碎成小液滴实现雾化。

3空心锥喷嘴

空心锥喷嘴是由一个内腔体和一个圆台形旋帽盖组成。内腔体为一个圆柱形空腔,圆柱头上有4个呈一定角度的小喷口,圆柱空腔上连接有一个小圆柱条,与圆台形旋帽盖上的圆形喷孔形成窄缝,成为喷嘴出口,如图6(c)。其工作原理为高速流动的液体从4个是一定角度的小喷口进入圆台形旋帽盖和喷嘴内腔体之间的缝隙，使得压力势能转换为动能。旋帽盖和喷嘴内腔体间的缝隙越靠近出口越小,液体运动受压速度变快，在出口处液体绕空气心旋转喷出形成一个空心锥状液膜,液膜与空气进行摩擦剪切作用破碎成为小液滴,实现雾化.

4 扇形喷嘴

扇形喷嘴整体呈圆柱形，中部切削成一定弧度的椭圆形截面,喷嘴出口处与椭圆斜面相切为圆孔形状,如图6(d)。通道宽阔流畅不易阻塞。当高速水流冲击出口斜面时因惯性挤压形成扇形状液膜,因其对空气具有较大的相对速度，与空气剧烈摩擦剪切破碎成小液滴进而实现雾化。

三、分析过程

选取1050kg/m3的石灰石浆液进行试验。其结果如图7 所示。由图可得,扇形喷嘴、实心锥喷嘴、空心锥喷嘴和螺旋喷嘴的雾化粒径范围分别为1800~2200μm、1700~2100μm、1200~1900μm、200~500μm。4 种喷嘴的雾化粒径随液压增大呈减小趋势。

 

图7 4 种喷嘴石灰石浆液实验粒径对比

图7为4种喷嘴在石灰石浆液试验中处于初始液压0.1MPa时的粒径分布情况。图8为4种喷嘴在液压 0.3MPa 时的粒径分布情况。

 

比较4种喷嘴分布图可知,螺旋喷嘴的雾化粒径基本上集中在平均粒径附近,分布最为均匀。实心锥喷嘴的粒径分布较为均匀，分布在偏离平均粒径附近范围较大的区域内的液滴较少，但相对螺旋喷嘴均匀性较差。空心锥喷嘴在偏离平均粒径附近范围较大的区域也分布有一定数量的液滴,均匀性较差。扇形喷嘴的粒径分布均匀性在4 种喷嘴中最差。

四、雾化角

试验中拍摄到的石灰石浆液实验中4种喷嘴在液压为0.3MPa 时的雾化角照片如图9.

图9 4种喷嘴的雾化角

由图 10 得4种喷嘴的雾化角对比。扇形嘴的雾化角最大,随液压变化不大,在 110°左右变化。螺旋喷嘴的雾化喷嘴较大,随液压变化不大,在 105°左右变化。实心锥喷嘴的雾化角随液压增大而增大。空心锥喷嘴雾化角最小,随液压变化不大，在 50°左右变化。

 

图10 4种喷嘴雾化角的对比

火电厂脱硫喷嘴要求粒径较小且变化稳定，分布均匀，雾化角较大且稳定。综合各喷嘴结构 特点及试验结果，可比较 4 种喷嘴的雾化性能和适用性。

螺旋喷嘴在 4 种喷嘴中结构较为简单，操作维修方便，而且雾化粒径最小，在0.1～0.5MPa 的液压范围内，螺旋喷嘴的雾化粒径范围大致为200～600μm，最小可达 204μm。由于其雾化场为实心锥状，液滴分布致密，依靠空气切割由螺旋喷嘴间隙中喷出的多层液膜，因此在 4种喷嘴中粒径分布最为均匀。同时由于其结构特点使工质能从螺旋体间隙射出，雾化角较大，可达105°左右，可增大其雾化范围。

实心锥喷嘴的雾化粒径在4种喷嘴中较大，雾化粒径范围为 1700～2100μm，且结构相对复杂，维修麻烦。由于其雾化场为实心锥状，依靠空气切割单层液膜实现雾化，因此粒径分布均匀。

其雾化主要依靠旋心的旋转作用使液柱旋转并形成液膜，液压越大，离心力越大，则形成的液膜角度越大，因此雾化角随液压增大而增大，不稳定。

空心锥喷嘴的雾化粒径在4种喷嘴中较小，雾化粒径范围大致为1100～ 1900μm，雾化效果良好，但粒径随液压变化大，不利于系统运行的稳定性。且其结构复杂，操作维修不便，运行成本高。其雾化过程与实心锥喷嘴类似，只是雾化场呈空心锥状，因此粒径分布也较为均匀。由于其结构特点使得其雾化角较小，同时因为空心锥喷嘴依靠挤压形成液膜，因此雾化角较为稳定，基本不受液压影响。

扇形喷嘴雾化粒径最大，粒径范围为 1800～2200μm。而且由于扇形喷嘴依靠撞击形成液膜，液膜形成过程中同时形成部分微粒，而随后液膜又被空气切割形成小液滴，并不是所有液滴都由空气切割形成，所以相对其它3种喷嘴，扇形喷嘴的雾化粒径分布均匀性差。但是它在4种喷嘴中结构最简单，流道最为畅通，且由于扇形喷嘴的雾化场为梭状，液膜呈扇形，扩散范围大，雾化角也最大。

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