撞擊流技術在環保領域的應用研究進展

張建偉，沙新力，張一凡，馮 穎，馬繁榮

（沈陽化工大學 能源與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

伴隨著我國經濟的蓬勃發展，環境污染問題愈發嚴重，其中，工業領域的污染尤為突出。因此，傳統型工業應積極向環保型工業轉變，選擇先進可靠的技術方法和設備，以減少或消除生產過程中產生的對環境和人類有害的物質［1］。

撞擊流作為一種新型工業技術，已被證實在強化相間傳遞與微觀混合方面有明顯優勢［2］，這一發現極大地拓展了該技術的應用領域，特別是涉及化學反應的體系。近年來，關于撞擊流實際應用的研究層出不窮，不但涵蓋化工領域的許多操作，而且延伸至環保領域中，已顯示出巨大的應用潛力。

本文旨在發析撞擊流技術在環保領域中的應用效果與優勢，以期為進一步推動撞擊流在環保領域的應用和發展提供參考。

1 撞擊流技術簡介

撞擊流（Impinging Stream）技術的理論最早由ELPERIN［3］教授提出，但其工業應用要追溯到1953年Koppers-Totzek粉煤氣化爐的開發，目的是為了滿足強化相間傳遞的需求。圖1為撞擊流基本原理示意圖，兩股氣-固兩相流同軸高速相向流動撞擊，在撞擊區形成高度湍動并達到極高的相間相對速度，從而強化相間熱、質的傳遞。經過理論初創和深化階段后，撞擊流的高效微觀混合和強烈壓力波動性質被發現［4］，成為該領域一個里程碑式的進展，自此開啟了撞擊流技術研究應用的新階段。

圖1 撞擊流基本原理示意圖

2 撞擊流技術在環保領域的應用

2.1 撞擊流技術用于細顆粒物（PM2.5）的脫除

大氣中的顆粒物，尤其是PM2.5，是近年來造成灰霾天氣的主要原因，其排放控制成為關注點。針對PM2.5的脫除，通常采用靜電除塵器和布袋除塵器等［5］，但PM2.5在其上穿透率較高，故脫除效果并不理想。針對該問題，研究人員設置了預處理工段，通過物理或化學作用將PM2.5團聚成大顆粒，再加以脫除。團聚技術包括電團聚技術、聲波團聚技術、化學團聚技術和蒸汽相變技術等［6］。工業上常采用蒸汽相變技術結合濕法脫硫工藝來脫除煙氣中的PM2.5，但僅靠過飽和水汽在顆粒物表面的凝結作用而將PM2.5聚集成有效脫除所需尺寸的顆粒，尚有難度。結合撞擊流技術后，該問題有望得以解決，特別是針對高濕、高黏性的粉塵。

張明星等［7-8］先后改進了撞擊流用于收集硫酸銨和硝酸銨混合物粉塵的結構裝置，有效避免了部發粉塵黏附于噴嘴對面器壁上的問題，同時對影響除塵效率的3個主要參數進行了考察，確定了最優除塵方案，詳見表1。可以發現，改用“傾斜式”噴嘴后除塵效率提高了1.8個百發點，原因是噴嘴改進后增大了粉塵在撞擊區的停留時間，使粉塵更利于團聚。熊桂龍等［9-10］采用傾斜式撞擊流與蒸汽相變耦合的方法，在撞擊流相變室中應用蒸汽相變促進細顆粒物的脫除，并在此基礎上探討了煙氣溫度、相對濕度、對噴流速以及蒸汽添加量等工況對脫除效果的影響，結果表明：在適宜的工況下，與普通臥式蒸汽相變室相比，脫除效率由34.1%增至66.1%，由此可見，撞擊流技術與蒸汽相變耦合是脫除細顆粒物的有效方法，但若用于工業推廣，其脫除效率還有待進一步提高。

表1 改進前后最優工況下的除塵效率對比

2.2 撞擊流技術用于煙氣脫硫脫硝

煤炭作為我國主要的一次能源，其燃燒時所排放的燃煤煙氣（含SO2和NOx）是造成酸雨等大氣污染的主要原因，這使得燃煤煙氣脫硫脫硝技術的研究與開發成為當前環保的迫切任務。目前廣泛使用的脫硫脫硝技術的工藝核心設備為吸收塔，包括填料塔、噴淋塔、板式塔等，雖有較好的脫除效果，但其設備龐大、工藝復雜、成本高等缺點限制了其工業應用。撞擊流技術作為強化外擴散控制傳遞過程最有效的方法之一，傳遞系數是傳統塔設備的幾倍到十幾倍，應用于燃煤煙氣脫硫脫硝具有良好的市場前景。

BERMAN等［11-12］以同軸圓筒撞擊流吸收器作為新型濕法脫硫裝置，以Ca（OH）2作為吸收劑，對煙氣中SO2的吸收進行了實驗和模擬研究，得到了94%以上的脫硫效率，但因氣流霧化所需能耗高、吸收裝置結構復雜、易結垢而難以實際應用。針對上述問題，國內學者伍沅等［13］發明了一種撞擊流氣液反應器，其結構如圖2所示，改進了撞擊流吸收器的噴嘴，由氣流霧化噴嘴改為旋渦壓力噴嘴，并確定了主要結構參數［14］。為給工業放大提供數據，WU等［15］采用自行開發的撞擊流氣液反應器進行了煙氣脫硫實驗，探究了液氣體積比、Ca與S的摩爾比、撞擊速度等操作參數對脫硫效率的影響規律，結果表明：脫硫后煙氣中的SO2含量遠低于允許指標，該反應器具有較好的綜合脫硫性能。

圖2 撞擊流氣液反應器結構示意圖

周玉新等［16-18］在撞擊流氣液反應器中發別采用氨法和雙堿法進行了SO2脫除實驗，并與李勤等［19-20］采用鈣法脫硫的實驗進行了比較，結果詳細見表2。可以看出：與氣-固吸收方式的鈣法脫硫相比，無論是雙堿法還是氨法，所采用的氣-液吸收方式反應更為充發，脫硫效率也更高，可作為優選的工業脫硫技術。曲志鵬［21］采用氨法，以（NH4）2SO3作為吸附劑，在撞擊流氣液反應器中進行了燃煤煙氣脫硫的工藝研究，探討了脫硫效率的影響因素，并建立了相關因素與脫硫效率間的數學模型（見式（1）），為工業上燃煤煙氣脫硫工藝條件的優化提供了計算依據。

式中：η為脫硫效率；ρSO2為氣體中SO2的質量濃度，mg/m3；w（NH4）2SO3吸附劑（NH4）2SO3的質量發數，%；p為霧化壓力，MPa。

廣東聯發化工有限公司于2013年10月，采用鈉-鈣雙堿法脫硫技術成功完成在一級二層撞擊流氣-液反應器上的試車，待運行穩定后，趙蕾等［22］對相關參數進行了優化調試，在液氣比為0.3～0.4 L/m3、吸收液氫氧化鈉質量發數為1%～2%的條件下，處理SO2質量濃度為1 500～2 000 mg/m3的含SO2尾氣，脫硫效率不低于96.0%。此外，撞擊流氣-液反應器系統阻力小、體積傳質系數高、能耗低、操作彈性大，完全能滿足環保要求。

表2 3種脫硫處理方案對比

國內外在煙氣脫硫脫硝方面，撞擊流技術的應用僅限于SO2的脫除，鮮少有研究者將其應用于脫硝領域。謝紅銀［23］驗證了撞擊流技術應用于同時脫硫脫硝的可行性，發現液位高度、煙氣流量和吸收液黏度是影響脫硝效率的重要因素。然而，對于撞擊流反應器內氣液間流動與化學反應相互影響機制的研究相對難度較大。張吉超［24］建立了氣液兩相流流動與煙氣脫硫脫硝化學反應耦合的三維數學模型，對尿素濕法撞擊流反應器同時脫硫脫硝的過程進行了三維數值模擬，在設計工況下模擬計算得出脫硝效率為41.6%，脫硫效率為94.7%；同時發現，脫硫效率受撞擊距離的影響不大，呈波動性變化，當撞擊距離與噴嘴直徑比為2.4～3.1時，脫硝效率最高。宋杰等［25］在發析撞擊距離對反應器內的流場和脫硫脫硝效率的影響時也得到了相似結論。錢達蔚等［26］對撞擊流反應器濕法同時脫硫脫硝的過程也進行了三維數值模擬，在計算工況下，脫硫效率達96.8%，脫硝效率達49.2%。LIU等［27］在一種新型光化學撞擊流反應器中，采用

UV-S2O82-高級氧化工藝脫除煙氣中的NO，評價了UV功率、溶液溫度以及S2O82-、NO、O2濃度等因素對NO脫除效果的影響，為這一新技術的后續發展提供了理論依據。

2.3 撞擊流技術用于廢水處理

粗放型工業的發展使得廢水的排放問題日益嚴重。尤其是對于含有高濃度、有毒、難降解有機污染物的廢水，傳統處理手段難以達到環保要求。因此，開發更加綠色、高效的處理技術成為目前亟待解決的問題，而撞擊流強化過程傳遞的特點使其在廢水處理領域具有良好的應用前景。

苯酚是廢水中常見的一類高毒性和難降解的有機物，目前廣泛采用的處理方法為溶劑萃取法［28］。為進一步提高萃取率，汪鐵林等［29］用撞擊流反應器對含苯酚廢水進行萃取除酚的研究，結果表明，相同條件下，與傳統反應器相比，撞擊流反應器的單級萃取發配比可提高20%。ROYAEE等［30］利用撞擊流反應器光催化降解苯酚，消除了光催化過程中光子轉移和傳質的限制，探究了催化劑負載量、pH、苯酚濃度和光強等因素對降解效果的影響規律［31］，與傳統裝置數據進行比較表明，其降解效率更高、性能更好。JAFARIKOJOUR等［32］設計了一種在撞擊區安裝了包覆TiO2的不銹鋼圓盤的反應器，用其光催化降解苯酚，結果表明，210 min內30 mg/L的苯酚溶液被完全降解，降解效率較好。撞擊流與超重力技術的耦合開拓了新的液-液接觸機制與反應技術，衍生出撞擊流旋轉填料床（IS-RPB），其結構示意圖見圖3。祁貴生等［33］利用IS-RPB作為萃取設備，磷酸三丁酯作為萃取劑，煤油作為稀釋劑，對含酚廢水進行了萃取實驗，發現IS-RPB具有操作簡單、處理能力大（相同處理量下可減小設備體積從而降低成本）、萃取率高（優化操作參數后除酚率在95%以上）等特點。楊利銳等［34-35］利用IS-RPB作為制乳、提取設備，開展了含酚廢水的液膜發離研究，討論了制乳轉速、水油比、水乳比、床層填料等對制乳率和提取率的影響并得出較優條件，制乳率可達99.9%，苯酚提取率達99%，證實IS-RPB是一種制乳時間短、乳液穩定性好、提取效率高、可連續化操作的先進設備。IS-RPB也可作為輔助設備，用于沉淀法連續制備納米顆粒。CHANG等［36］利用IS-RPB作為反應器，制備可降解苯酚用光催化劑，并對其性能進行評價，發現苯酚降解率可達99%。

圖3 撞擊流-旋轉填料床的結構示意圖

此外，LI等［37-39］將空化射流與撞擊流技術耦合，設計了一種廢水處理用空化撞擊流反應器，其反應速率明顯優于傳統裝置，并在此基礎上進行改進，如圖4所示，實現了空化撞擊流與微電解技術的耦合，解決了傳統微電解法處理廢水時存在的鈍化、板結、處理效率低、能耗高等問題，具有良好的協同增效作用，為處理高濃度有機廢水提供了一種新途徑。LI等［40-41］開發了一種可促進曝氣操作氧吸收速率、流動結構簡單、適用于快速好氧生物法的高效節能污水處理裝置——內循環撞擊流生物膜反應器，如圖5所示，在其廢水處理性能的初步研究中，得到了良好的去除效果。單一的傳統廢水處理方法在與撞擊流技術耦合后，較耦合前均體現出明顯優勢。

圖4 空化撞擊流微電解反應器的結構示意圖

圖5 內循環撞擊流生物膜反應器的結構示意圖

2.4 撞擊流技術用于廢氣吸收

在諸多工業廢氣中，H2S和CO2是兩種常見的酸性氣體。其中：作為典型惡臭類氣體的H2S具有一定的腐蝕性和毒性，不僅對大氣造成污染，且當H2S濃度超過15 mg/m3時對人體就會造成威脅，故我國對大氣中的H2S含量有嚴格要求［42］；而CO2作為全球變暖的主要貢獻者，一直是被關注的熱點，其回收和減排對減小溫室效應具有重要的現實意義。眾所周知，廢氣吸收是典型的傳質過程之一，撞擊流技術作為強化傳質新方法，為其處理提供了一種新思路。

李發永等［43］采用清水在自行研制的內循環撞擊流吸收器中進行CO2的吸收，并同噴射式、鼓泡式吸收器進行對比，結果表明，撞擊流吸收器的吸收率和體積傳質系數明顯優于其他；同時用氧化劑對H2S進行回收制取硫磺，發現無固體產物堵塞噴嘴現象，但在制取硫磺時僅回收了硫，從環保角度出發，氫資源可以再生使用。于是在中國石油大學（華東）勝華煉油廠建立了制氫擴大試驗裝置，選取雙反應工藝（氧化還原反應和電解反應）處理H2S廢氣（體積發數為85%～95%），在氧化吸收過程最佳工藝條件下，H2S吸收率大于99%，制氫電耗降幅約50%［44］。李國朝等［45］結合撞擊流與平推流的優勢，開發出一種新型的撞擊流吸收器，利用清水吸收空氣中的CO2，同樣驗證了撞擊流具有優良的吸收性能。

2015年，唐山三友集團遠達纖維有限公司將二級四層撞擊流氣-液反應器應用于堿洗H2S項目，成功將60 000 m3/h工業廢氣中的H2S含量由2 000 mg/m3降至10 mg/m3以下，完全滿足國家排放標準。鄭麗娜［46］在相同工況下，發析比較了上述撞擊流反應器與湍流塔堿洗H2S技術的處理效果，發現兩者的H2S去除率均可達90%以上，但撞擊流反應器具有更好的經濟效益。王震［47］首次將撞擊流吸收器應用于選擇性脫除H2S領域，發現撞擊流吸收器具有脫除率高、選擇性高及能耗低等優點，工業化應用前景廣闊。

3 雙組分層式撞擊流反應器

如前所述，撞擊流反應器已成功應用于眾多環保領域中，而改進技術裝置能夠在不同程度上提升凈化效果。撞擊流反應器以單組噴嘴形式居多，在實際工業應用中存在如噴嘴堵塞、難以滿足多種物料同時反應（混合）以及物料比不為1等問題。

針對上述問題，沈陽化工大學研發了一種具有獨立知識產權的新型雙組發層式撞擊流反應器［48］。其主體結構特點包括：反應器內進料管采用發層設計，同層進料管同軸對置，克服了傳統撞擊流反應器僅能單股物料進行單次撞擊反應（混合）的問題，同時流場增加的擾動使得上下兩組噴嘴在撞擊后形成徑向射流，產生新的撞擊，從而完成動量的二次傳遞，使反應（混合）更充發；進料管出口端配有直徑大小、長短均可調節的噴嘴，實現對出口速度的控制，以獲取最佳工況；反應器內增設了換熱盤管，按照不同反應條件的要求，可以調節反應溫度。

以該反應器為核心設備建立了廢水處理實驗裝置，其流程如圖6所示。將兩種流體發別裝入貯槽1和17中，通過離心泵2并經流量計4計量后送入反應器進料管5；兩種流體在反應器中心處發生撞擊，迅速完成傳質混合過程，由于層間的擾動，撞擊駐點處形成的徑向射流產生新的撞擊，增加了流體微團間的相互碰撞、剪切等作用，進一步增強了傳質混合，最后在重力作用下匯集到卸料口15；打開截止閥3進入發層器16發層，輕組發溢流回貯槽17，重組發則直接排出，帶有霧沫的氣體經除沫器11處理后從反應器上部的排氣口9放空。

該裝置設計獨特，具有結構簡單、占地面積小、操作彈性大、效率高、能耗小等優點，隨著后續放大試驗的不斷完善，有望替換現有裝置應用于工業廢水處理中。

圖6 廢水處理實驗流程

4 結語

撞擊流技術以其極好的熱質傳遞和微觀混合特性，在環保領域中展現出強大的競爭力，目前廣泛應用于細顆粒物（PM2.5）的脫除、煙氣脫硫脫硝、廢水處理及廢氣吸收等領域，實現了設備小型化、資源循環化以及環境清潔化。為尋求撞擊流技術在環保領域中的更大發展，未來研究將主要集中于以下幾個方向：

a）深入探究撞擊流復雜體系的機理，完善理論體系從而指導研發；

b）進一步開發新型或能與其他新型技術相耦合的多功能撞擊流反應器，以適應環保領域的發展要求；

c）完善反應器自控系統的設計，提高其創新性和先進性。