一種多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置研究

趙錦蘭， 徐 敏， 孫加輝， 馬 江

（陜西航天機(jī)電環(huán)境工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710100）

0 引言

多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置主要應(yīng)用于車載式廢氣處理工藝技術(shù)領(lǐng)域。 由于車載式廢氣處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工藝路線繁冗復(fù)雜， 而傳統(tǒng)式霧化噴淋主體結(jié)構(gòu)吸收塔高度有限，無(wú)法滿足當(dāng)前大流量、多工況、長(zhǎng)時(shí)效車載式廢氣處理工藝技術(shù)需求。 多級(jí)串聯(lián)霧化吸收技術(shù)研究基于傳統(tǒng)霧化噴淋吸收塔， 專為車載箱式廢氣處理系統(tǒng)研制出多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置，氣體在裝置內(nèi)以“S”型方式流動(dòng)，并在此過程中與液相進(jìn)行逆流接觸， 該結(jié)構(gòu)能夠延長(zhǎng)氣相在吸收塔中的停留時(shí)間，在傳質(zhì)速率逐級(jí)下降5%的情況下，通過延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間保證各級(jí)95%的傳質(zhì)效率。

1 總體設(shè)計(jì)

該技術(shù)采用8 級(jí)串聯(lián)吸收塔與儲(chǔ)液箱集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，吸收塔采用2+2+2+2 模式進(jìn)行串聯(lián)組合，此結(jié)構(gòu)不僅可以平衡吸收塔間壓力，而且克服了傳統(tǒng)多級(jí)串聯(lián)吸收塔操作復(fù)雜、裝置質(zhì)量過重等弊端，滿足車載設(shè)備的簡(jiǎn)便化、輕量化、便捷化要求。 該裝置與傳統(tǒng)車載式裝備設(shè)計(jì)相比，更加充分地利用了高度及長(zhǎng)度、寬度空間，降低設(shè)備操作維護(hù)難度、縮短維修時(shí)間、簡(jiǎn)化維護(hù)工藝流程、降低檢修成本。 通過計(jì)算各設(shè)備質(zhì)心、重心，充分考慮、合理布置，在確保填料量、藥劑量、塔間壓力平衡的基礎(chǔ)上成功實(shí)現(xiàn)車載裝置結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、操作簡(jiǎn)便、維修便捷、重量輕便、使用便捷的設(shè)計(jì)要求。 具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of multistage series array atomization absorption device

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置設(shè)計(jì)

多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置是對(duì)廢氣進(jìn)行精細(xì)化處理的工段，主要利用廢氣成份的化學(xué)特性，通過化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)一步去除廢氣中的污染物，確保系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放。每個(gè)塔體內(nèi)頂部安裝霧化噴淋裝置、底部設(shè)置穩(wěn)壓布?xì)馄鳌⑺w中間填裝鮑爾環(huán)填料。廢氣處理時(shí)氣體從底部進(jìn)入，經(jīng)布?xì)馄鞣植己笈c塔體頂部逆流吸收液連續(xù)通過填料層，在填料層氣液的紊流程度及填料的濕潤(rùn)率增大的同時(shí)氣液兩相密切接觸，接觸面積隨之增大。吸收液通過循環(huán)泵經(jīng)霧化噴淋裝置自上而下噴淋、 廢氣通過布?xì)庀到y(tǒng)向上流動(dòng)，氣液逆向密切均勻接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，更進(jìn)一步提高廢氣吸收率，確保廢氣最終達(dá)標(biāo)排放。

該裝置使用可調(diào)節(jié)多段吸收液控制技術(shù)， 設(shè)計(jì)過程針對(duì)每一級(jí)吸收塔進(jìn)氣濃度的不同設(shè)計(jì)特定的吸收液噴淋量，隨著氣體流態(tài)的推移，噴淋量呈遞減式，該設(shè)計(jì)不僅提高吸收液的利用效率與循環(huán)泵的使用效率， 同時(shí)起到系統(tǒng)穩(wěn)壓的作用。

8 級(jí)吸收塔與儲(chǔ)液箱進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)， 塔體內(nèi)部與儲(chǔ)液箱箱體底板采用“貫穿孔”全部貫通，“貫穿孔”采用“階梯式”的設(shè)計(jì)理念，隨著氣體流態(tài)的推移8 級(jí)塔“貫穿孔”開孔面積先增大后減小，“貫穿孔”不僅使裝置內(nèi)吸收液貫通， 而且對(duì)裝置運(yùn)行過程系統(tǒng)內(nèi)的壓力起到平衡作用， 確保系統(tǒng)運(yùn)行過程塔體內(nèi)部液面盡可能處在同一水平面上，防止液面壓差較大、已凈化廢氣攜帶吸收液噴出現(xiàn)象的發(fā)生。

8 級(jí)吸收塔每級(jí)填料層填裝高度呈現(xiàn)階梯式遞減，其主要目的是降低系統(tǒng)壓降，防止系統(tǒng)出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象、引起末端排氣不暢、出氣口水霧出現(xiàn)增大現(xiàn)象的發(fā)生。裝置噴淋量示意圖如圖2 所示。

圖2 多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置噴淋量示意圖Fig.2 Schematic diagram of spray volume of multistage series array atomization absorption device

通過試驗(yàn)驗(yàn)證， 多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置的噴淋模塊吸收液噴淋量、填料層高度以及塔底“貫穿孔”采用“階梯式”的設(shè)計(jì)理念達(dá)到了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的，且各塔體壓力平衡狀態(tài)滿足使用要求，運(yùn)行參數(shù)圖見圖3。

圖3 多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置運(yùn)行參數(shù)圖Fig.3 Operation parameter diagram of multi-stage series array atomization absorption device

2.2 霧化噴淋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多級(jí)陣列式霧化噴淋裝置設(shè)計(jì)安裝于8 級(jí)吸收塔內(nèi)，以達(dá)到氣液間形成逆向流而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的目的。每一級(jí)塔體頂部設(shè)計(jì)一套矩陣結(jié)構(gòu)的霧化噴淋裝置， 裝置中液體經(jīng)過實(shí)心錐霧化噴嘴形成均布霧化噴射液體流。通過試驗(yàn)研究螺旋式、實(shí)心錐、扇形及噴嘴孔徑為1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm、3.0mm 下的噴淋效果及噴淋覆蓋面積，最終確定在一定吸收液濃度及額定噴淋液流量下，1.6mm 的實(shí)心錐霧化噴嘴噴淋效果最佳，可滿足使用要求，單個(gè)噴嘴輻射面積可達(dá)0.04m2， 根據(jù)塔體的橫截面積設(shè)計(jì)矩陣式霧化噴淋結(jié)構(gòu)， 確保吸收液均布于整個(gè)吸收塔橫截面上，霧化噴淋裝置示意圖見圖4，噴淋試驗(yàn)圖見圖5。

圖4 多矩陣結(jié)構(gòu)霧化噴淋試驗(yàn)圖Fig.4 Multi matrix structure atomization spray test diagram

圖5 多矩陣結(jié)構(gòu)霧化噴淋試驗(yàn)圖Fig.5 Multi matrix structure atomization spray test diagram

2.3 穩(wěn)壓布?xì)馄髟O(shè)計(jì)

多級(jí)塔體串聯(lián)陣列式裝置研制前期， 通過將傳統(tǒng)側(cè)向布?xì)狻?徑向布?xì)饧夹g(shù)進(jìn)行對(duì)比分析， 發(fā)現(xiàn)側(cè)向布?xì)鈺?huì)在進(jìn)口段形成偏流， 難以實(shí)現(xiàn)氣體均布的要求，且塔底空間大小對(duì)分布影響較大。 基于徑向型分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 具有優(yōu)良的均布性能， 本次在傳統(tǒng)布?xì)馄鞯慕Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 為提高每一級(jí)噴淋吸收塔內(nèi)進(jìn)氣流量與氣壓的均勻性， 增強(qiáng)氣液間的充分接觸效率，穩(wěn)壓布?xì)馄鞑捎谩棒~翅型”支管結(jié)合布?xì)獗P的組合模式，在每一支路上設(shè)置布?xì)獗P來(lái)實(shí)現(xiàn)流量均布，布?xì)獗P采用“穿孔布?xì)狻迸c“狹縫布?xì)狻毕嘟Y(jié)合的設(shè)計(jì)理念，布?xì)獗P的數(shù)量根據(jù)其可輻射面積進(jìn)行計(jì)算，確保最大流量下的氣體均勻分布。

圖7 穩(wěn)壓布?xì)馄魍庑螆DFig.7 Outline of pressure stabilizing air distributor

3 結(jié)束語(yǔ)

多級(jí)串聯(lián)霧化吸收裝置的創(chuàng)新技術(shù)研究， 不僅解決了單級(jí)吸收塔結(jié)構(gòu)形式無(wú)法滿足車載箱式結(jié)構(gòu)空間受限的技術(shù)難題，而且克服了傳統(tǒng)“分段串聯(lián)式”結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的后期設(shè)備維護(hù)成本高、操作復(fù)雜、裝置質(zhì)量超重等一系列技術(shù)問題。在分段多級(jí)噴淋吸收設(shè)計(jì)技術(shù)中，采用的分級(jí)控制氣液比技術(shù)、 八級(jí)吸收塔與儲(chǔ)液箱的特殊組合結(jié)構(gòu)、吸收液均布器與氣體穩(wěn)壓均布器，提高了氣液傳質(zhì)系數(shù)，廢氣處理效率提高50%以上。