一種斜板式濕式除塵器的特性研究

阮苠秩 張金瑤 劉盈孜 孫敏航 梁璇 吳其榮

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.重慶理工大學(xué)，重慶 400000）

0.引言

顆粒污染物又稱氣溶膠狀態(tài)污染物，是指均勻分散在大氣中的固體微粒和液體微粒所構(gòu)成的懸浮體系，在大氣環(huán)境科學(xué)研究中，通常用氣溶膠代指大氣顆粒物[1-2]，降低是顆粒污染物的排放是目前工業(yè)企業(yè)環(huán)保面臨的主要難題之一。

為了降低工業(yè)顆粒污染物的排放，國內(nèi)外學(xué)者對除塵設(shè)備進(jìn)行了大量研究，目前，國內(nèi)外使用的除塵器，按照對粉塵顆粒捕集機(jī)制不同可分為四大類，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1[3]。

表1 主要除塵器性能比較

噴淋除塵是工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)濕法除塵的主要形式之一，在除塵器內(nèi)水通過噴嘴噴成霧狀，當(dāng)含塵煙氣通過霧狀空間時，因塵粒與液滴之間的碰撞、攔截和凝聚作用，塵粒隨液滴降落下來。這種除塵器構(gòu)造簡單、阻力較小、操作方便，其突出的優(yōu)點(diǎn)是除塵器內(nèi)設(shè)有很小的縫隙和孔口，可以處理含塵濃度較高的煙氣而不會導(dǎo)致堵塞。又因?yàn)樗鼑娏艿囊旱屋^粗，不需要霧狀噴嘴，這樣運(yùn)行更可靠，噴淋式除塵器可以使用循環(huán)水，直至洗液中顆粒物質(zhì)達(dá)到相當(dāng)高的程度為止，從而大大簡化了水處理設(shè)施。這種除塵器至今仍有不少企業(yè)采用，常用來去除粉塵粒徑大、含塵濃度高的煙氣。

傳統(tǒng)噴淋塔的除塵能力主要通過液滴的捕捉來實(shí)現(xiàn)，脫除效率較低。而對內(nèi)部有篩板構(gòu)件的噴淋塔中，除了分散液滴捕捉外，篩板上的泡沫層也是主要除塵手段[4]。本文結(jié)合傳統(tǒng)篩板式除塵器的特點(diǎn)，本文設(shè)計了一種新型斜板式濕式除塵器，結(jié)合粉塵的脫除特性，進(jìn)行了模擬分析，得到了斜板式濕式除塵器的除塵特性，為下一步工業(yè)化應(yīng)用提供支撐。

1.斜板濕式除塵器的影響因素分析

從理論分析可以得知，影響噴淋塔除塵效率的因素較多，其除塵效率主要受以下幾個因素的影響：

1.1 粉塵顆粒大小

Park[5]等利用自由下落的液滴對多分散的氣溶膠顆粒進(jìn)行凈化，將液滴直徑設(shè)為1mm，液滴質(zhì)量濃度為50g/m3時，給出布朗擴(kuò)散、截留及慣性碰撞的捕集效率隨顆粒直徑的變化規(guī)律曲線，得到了同樣的結(jié)論。葛春亮[6]等建立了慣性撞擊、攔截和熱泳捕集作用機(jī)制的液滴捕集顆粒物模型，對脫硫吸收塔內(nèi)的除塵過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：亞微米級顆粒物的除塵效率較低，全塔對其除塵效率只有10%左右，而微米級顆粒在全塔內(nèi)的除塵效率在99.98%以上。馮金煌[7]等對傳統(tǒng)噴淋塔的除塵效率進(jìn)行研究，粒徑大于0.3um的顆粒物，脫除效率隨粒徑增加而加大，粒徑小于0.3um的顆粒物，脫除效率隨粒徑的減小而增加，粒徑在20um以上的顆粒物的脫除效率可達(dá)到85%以上，粒徑在4um以下的顆粒物總體脫除效率較低。

總的來說，傳統(tǒng)噴淋塔對粉塵的脫除效果呈現(xiàn)出小粒徑脫除效率低，大粒徑脫除效率高，篩板噴淋塔的除塵效果也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律，但對于小顆粒粉塵的捕集能力略強(qiáng)于前者。

1.2 粉塵濃度

粉塵入口濃度的大小對濕式除塵器的除塵效率有著重要的影響，在實(shí)際運(yùn)行過程中，除塵器入口的粉塵量往往隨著工況變化也有著較大幅度的變化。

宦宣州[8]以典型濕法脫硫工藝中的吸收塔為研究對象，搭建了試驗(yàn)臺，研究了入口粉塵質(zhì)量濃度對粉塵顆粒物脫除效果，結(jié)果表明：隨粉塵質(zhì)量濃度的增加，除塵效率也增加，并逐漸趨近于穩(wěn)定。這是由于粉塵質(zhì)量濃度的增加，提高了粉塵顆粒物之間的碰撞概率，強(qiáng)化了粉塵顆粒間的團(tuán)聚，形成了部分較大顆粒，液滴對大顆粒的捕集效率高于細(xì)小顆粒，因而提高了除塵效率[9]。陳常蕊[10]等發(fā)現(xiàn)在氣液逆噴洗滌中，當(dāng)入口粉塵濃度高到一定程度時，除塵效率反而有所下降，這可能是因?yàn)榇藭r氣液接觸面積的利用已較充分，除塵量趨于飽和。在入口粉塵濃度較高的情況下，液滴表面會形成不穩(wěn)定的小尺度的團(tuán)聚體，這些新形成的團(tuán)聚體容易從液滴表面脫落，難以在洗滌塔內(nèi)有效的脫除[11]。

1.3 煙氣流速

煙氣流速對除塵效率的影響是由上述幾種因素耦合作用的，當(dāng)煙氣流速處于不同階段時，不同的影響機(jī)理占主導(dǎo)作用。研究認(rèn)為[12]，當(dāng)煙氣流速低于2m/s，除塵效率隨著煙氣流速的增加而遞減，當(dāng)煙氣流速在2.5m/s～3.5m/s時，除塵效率隨著煙氣流速的增加而增加，當(dāng)煙氣流速在3.5m/s～4.5m/s時，煙氣流速增加后除塵效率變化不明顯，當(dāng)煙氣流速大氣5m/s時，除塵效率開始有明顯的下降。

1.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

對除塵系統(tǒng)來說，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的氣液流動特性改變時，此時對液滴產(chǎn)生的類型、數(shù)量、密集程度和停留時間等都會造成影響，進(jìn)而決定整體除塵效率。因此，通過對噴淋除塵器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改善塔內(nèi)的氣液流動狀態(tài)，也是提高設(shè)備除塵性能的一個有效方式。

高曉剛[13]在工程項(xiàng)目測試時，發(fā)現(xiàn)脫硫塔內(nèi)采用篩板可以改善塔內(nèi)流場的均勻性，增加氣液接觸概率，強(qiáng)化漿液對粉塵顆粒的洗滌作用，且篩板上形成的200mm～300mm泡沫層有利于煙塵的進(jìn)一步洗滌。

Wu Qirong等[14]等研究了篩板結(jié)構(gòu)參數(shù)對除塵效率的影響，隨著孔隙率由21.2%增加到40.82%，泡沫層密度和高度降低，泡沫層的增強(qiáng)除塵作用下降，除塵效率由96.1%降低到91.2%，隨著篩板孔徑從5mm增加到25mm，慣性碰撞效率降低，整體除塵效率從99.3%降至93.3%。

侯峰偉[15]等對傳統(tǒng)噴淋塔的塔底一排污與進(jìn)氣口部分進(jìn)行改進(jìn)，將排污管改成S型溢流管，使塔體底部保持一定高度的積水，將進(jìn)氣管改成頭部向下的彎管，這樣的改進(jìn)使得除塵效率提高10%左右。

王大勇[16]等開發(fā)了一種新型傘罩形脫硫除塵裝置，傘形罩的存在使煙氣在塔體內(nèi)分布得更均勻延長了氣體在塔內(nèi)停留時間，從而實(shí)現(xiàn)高效凈化氣體的目的。

李彩亭[17]等在噴淋塔內(nèi)增加了互為90°夾角的矩形斜板，并用離散相模型進(jìn)行氣液兩相數(shù)值模擬，分析了液滴在塔內(nèi)的分布特性，結(jié)果表明新型濕法斜板塔延長了氣液接觸時間，增加了氣液接觸面積，加大了氣液兩相擾動，非常有利于氣—液間的傳質(zhì)，進(jìn)而強(qiáng)化了除塵作用。

王軍鋒[18]等研究發(fā)現(xiàn)擋板繞流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦旋可一定程度上強(qiáng)化、傳熱傳質(zhì)及多相混合，對過程強(qiáng)化有著重要影響，并基于不同湍流模型的擋板繞流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了不同湍流模型對擋板繞流結(jié)構(gòu)流場物性參數(shù)預(yù)測準(zhǔn)確程度，對同類結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究中計算模型的選取有重要的參考意義。

相對于傳統(tǒng)的空塔噴淋，在塔內(nèi)增設(shè)斜板、散罩等擾流裝置可以延長氣液接觸時間，加大氣液擾動從而達(dá)到提高除塵效率的目的。在塔內(nèi)增設(shè)篩板托盤，也可以改善塔內(nèi)氣液流動特性，并產(chǎn)生泡沫層強(qiáng)化除塵效果，但目前對于將兩種形式結(jié)合的噴淋塔，未見相關(guān)報道。

2.斜板塔設(shè)計

本文利用數(shù)值模擬技術(shù)對斜板式濕式除塵器除塵特性進(jìn)行了模擬分析，建立的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，模型采用與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?:1的比例建立，多孔板上的多孔采用三角型布置，并設(shè)計成非全截面覆蓋的方式，以減小堵塞的可能性[19-20]。

圖1 斜板式除塵器結(jié)構(gòu)

3.模擬分析

3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)提供的設(shè)計圖紙，按照1:1的比例建立全尺度三維模型，在模型內(nèi)部設(shè)置多層多孔板、噴射位置等。模型的網(wǎng)格劃分是進(jìn)行計算的基礎(chǔ)，基于模型整體考慮，本模擬采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對特殊區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募用埽沟媚M結(jié)果更加合理可靠。

3.2 邊界條件

本次模擬的主要邊界條件如表2所示。

表2 模型的主要邊界參數(shù)

3.3 模擬計算

模擬結(jié)果主要是基于商業(yè)分析軟件進(jìn)行，計算過程中為保障計算的進(jìn)行，并得到預(yù)期目標(biāo)效果，對相關(guān)過程進(jìn)行了簡化與假設(shè)處理。主要有：洗滌液的噴入由頂部自然流入，流入速度設(shè)置為1m/s，采用面源噴入；洗滌液為水溶液；模擬過程中為提升計算結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性，忽略液滴蒸發(fā)過程。

3.3.1 斜板角度的影響分析

斜板角度的影響分析采用單因素進(jìn)行分析，分別開展0°、15°、30°、45°的分析，液滴噴淋下的分布結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，在斜板角度為0°時，液滴直接從孔中流出，液滴無法形成液膜層。而在15°時，液滴在最上面篩板上的分散度有所擴(kuò)大，但還是較為集中，篩板上未形成液膜層。而在斜板角度為30°和45°，第一層液膜上雖然都有直接流下的液滴和形成液膜后液流下的液滴，但在第二層上，斜板角度為30°上明顯形成的液膜好于斜板角度為5°時。從圖2中的不同斜板角度下的除塵效率也可以看出，隨著角度的增加，除塵效率增加，在斜板角度為30°時達(dá)到最高，因此斜板的安裝角度建議采用30°方案。不同安裝角度下的速度分布和液滴分布云如圖3所示。

圖2 不同斜板角度下的除塵效率

圖3 不同安裝角度下的速度分布和液滴分布云圖

3.3.2 噴淋層數(shù)的影響

不同噴淋層數(shù)的實(shí)驗(yàn)是在20mm，孔間距為25mm下進(jìn)行的，其除塵效率如圖4所示。從圖中可以看出，隨著噴淋層數(shù)的增加，除塵效率有所增加，但增加趨勢有限，這主要是由于濕式除塵機(jī)理主要是慣性碰撞作用，其影響因素主要和顆粒粒徑所確定，而本文的粉塵顆粒和液滴粒徑受工業(yè)條件限制，處于固定狀態(tài)。

圖4 不同斜板角度下的除塵效率

3.3.3 不同煙氣量的影響分析

不同煙氣量的影響分析是在孔徑為10mm，孔間距15mm，孔板整體孔隙率為30%，且有折板的條件下進(jìn)行的。其分析結(jié)果如圖5所示。在影響參數(shù)范圍內(nèi)，低風(fēng)量時，風(fēng)量對除塵效率的影響有限，而在高風(fēng)量下，隨著風(fēng)量的增加，除塵效率不斷增加，這主要是流速增加，導(dǎo)致的慣性碰撞作用增強(qiáng)。

圖5 不同孔間距下的除塵效率（孔徑為10mm，孔間距15mm，孔隙率為15%)

3.3.4 不同循環(huán)量的影響分析

不同循環(huán)量的影響分析是在孔徑為10mm，孔間距15mm，孔板整體孔隙率為15%，且有折板的條件下進(jìn)行的。其分析結(jié)果如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著循環(huán)量的增加，除塵效率呈現(xiàn)出增加的趨勢，因?yàn)檠h(huán)量的增加會增加顆粒與液滴的碰撞機(jī)率，從而導(dǎo)致除塵效率增加。

圖6 不同孔間距下的除塵效率（孔徑為10mm，孔間距15mm，孔隙率為15%)

3.3.5 不同粉塵濃度的影響分析

不同粉塵濃度的影響分析是在孔徑為10mm，孔間距15mm，孔板整體孔隙率為15%，且有折板的條件下進(jìn)行的。其分析結(jié)果如圖7所示。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，粉塵深度對除塵效率的影響整體較小。

圖7 不同孔間距下的除塵效率（孔徑為10mm，孔間距15mm，孔隙率為15%)

4.結(jié)語

本文對新設(shè)計的斜板式濕式除塵器進(jìn)行了理論分析和模型驗(yàn)證，得到的結(jié)論有：新設(shè)計的斜板式濕式除塵器具有一定的除塵效果，其較傳統(tǒng)的篩板式除塵器具有減小堵塞等風(fēng)險，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過模擬分析，不同斜板角度下的除塵效率有較大差異，這主要是與液滴分析和煙氣分布特性影響，建議在本模擬條件下的最佳安裝角度為30°。隨著噴淋層數(shù)、煙氣量、循環(huán)量的增加，除塵效率呈現(xiàn)出增加趨勢，而粉塵濃度對除塵效率影響較小。