多层喷雾洗涤塔对粉尘颗粒的脱除特性

张立栋，李晓博，王擎，秦宏，崔达



多层喷雾洗涤塔对粉尘颗粒的脱除特性

张立栋1，李晓博1，王擎1，秦宏1，崔达2

（1东北电力大学油页岩综合利用教育部工程研究中心，吉林吉林 132012；2吉林吉顺油页岩开发有限公司，吉林吉林 132012）

通过搭建多层喷雾洗涤塔实验台，研究了液气体积比、塔内气体平均流速、粉尘浓度、喷雾压力等操作参数对除尘效率的影响规律。研究结果表明：洗涤塔内喷雾层数对除尘效率的影响最为显著，与传统的单层相比，除尘效率可以提高15%以上，并且入口粉尘浓度的变化对其除尘效率的影响较小。增大喷雾压力可以有效提升除尘效率，当喷雾压力为0.5～0.6MPa时除尘效率变化趋于稳定。在相同操作参数下，适当降低气体在塔内平均流速有利于提高洗涤塔的除尘效率，对于三层喷雾洗涤，最佳的气体塔内平均流速为0.6～0.8m/s。当喷雾压力为0.6MPa、塔内气体平均气速为0.6m/s、液气体积比为5.27的条件下，三层喷雾除尘的效率可以达到98.3%。

喷雾洗涤塔；粉尘颗粒；脱除；湿法除尘

煤炭作为我国能源结构中最重要的组成部分，其总产量的84%用于直接燃烧[1-2]。而其燃烧过程中烟排放的烟尘占我国总烟尘排放量的70%以上[3]，由此导致的粉尘污染是我国大气污染的主要原因之一[4-5]。粉尘污染的危害主要体现在对人体健康的危害和全球气候及城市能见度的影响[6-9]。因此，降低燃烧源烟尘排放是迫切需要解决的问题。目前，脱除烟尘的主要方法是通过物理或化学作用促使其团聚成较大颗粒后加以脱除，其中喷雾除尘是一种高效且经济的除尘措施之一。

喷雾除尘的主要原理是将洗涤水雾化成细小液滴以提高粉尘颗粒被捕捉的概率，促使小颗粒团聚成较大颗粒，从而提高除尘效率。这种除尘方式广泛应用于采矿、化工、冶金等行业[10-14]。DULLIEN和SPINK[15]采用两相流喷嘴将洗涤水雾化成5～50µm的细小液滴，其对于亚微米级粉尘颗粒的脱除效率达到90%以上。MOHAN等[16]通过搭建逆流式空气雾化洗涤塔，研究入口粉尘浓度、洗涤水流量及气体体积流量等因素对除尘效率的影响，结果显示入口粉尘浓度的变化对除尘效率的影响最为显著，并且得出洗涤水流量及气体体积流量与除尘效率的关系。AMITAVA等[17]利用两相流雾化喷嘴对高速喷雾下除尘器对粉尘颗粒的脱除效率进行实验研究，提出了粉尘浓度与除尘器效率的简易方程。程卫民等[18-19]从理论、实验、现场试验3个方面对高压喷雾雾化粒度的降尘性能进行了深入的研究，提出了捕捉最小粉尘粒度与雾化粒度的相互关系式。熊桂龙等[20]利用对喷流和蒸汽相变结合的方法对燃煤超细颗粒的脱除性能进行实验研究，研究结果表明对喷流和相变技术结合的方法可以高效地脱除超细颗粒。喷雾除尘以其较高的除尘效率，并且能够同时脱除粉尘颗粒和气体污染物等优点得到了相关行业广泛的关注。

但传统喷雾除尘器除尘效率只能达到60%～80%[21]，远无法满足火电厂大气污染物排放标准要求的30mg/m3的要求[22]。因此，本文在传统喷雾除尘的基础上，建立多层喷雾除尘实验装置，将雾化喷嘴的布置方式由以往的自上而下布置方式改为洗涤塔径向对称布置两个雾化喷嘴，并且由以往单层喷雾改为多层喷雾除尘，实验重点研究了喷雾层数、粉尘颗粒浓度、塔内气体平均流速、液气体积比及喷雾压力对除尘效率的影响。这些结果将为喷雾洗涤塔的工业设计和应用提供借鉴。

1 实验材料和方法

1.1 实验介质

实验介质为常温常压下的水和空气以及粉尘颗粒。所用粉尘颗粒为电除尘器捕获的粉尘，由吉林省汪清县龙腾能源开发有限公司提供。利用BT-1001多功能粉末测试仪检测其物理特性如表1。采用Carr法对粉尘颗粒喷流特性进行评价，其喷流指数为67，表明喷流性比较强[23]。

表1 粉体物理特性

粉体的粒度分布如图1。粉尘颗粒粒度分布介于0.3～100µm之间，其平均粒径为15.036µm。利用JSM6510A扫描电镜对粉尘颗粒进行观测，其表面形态如图2所示，表明粉尘颗粒为不规则形状聚合体，其粒度分布范围比较宽。分析粉尘颗粒元素得其主要成分Si为25.84%，Al为8.93%，Ca为7.16%，Mg为1.69%，Na为0.94%，K为1.32%，O为45.22%，Fe为7.37%。由此可见粉尘颗粒主要是难溶于水的矿物质颗粒，属于中等润湿性颗粒[24]。

1.2 实验系统

实验系统如图3所示，主要由给粉系统、气固混合室、雾化洗涤塔、分离箱、除雾器、飞灰采样器、水泵、涡流风机、真空泵及测控装置组成。喷雾洗涤塔内径为200mm，塔高1800mm，分3层，每层对称布置两个雾化喷嘴。

涡流风机将洁净空气送入管道，经涡街流量计计量后，与给粉系统定量送入的实验粉尘在气固混合室内充分混合形成实验所需的含尘气体，然后从洗涤塔顶部进入系统。高压水泵将水箱中的洗涤水送入管道，经过压差流量计计量后，雾化喷嘴将其雾化成细小液滴进入洗涤塔，在洗涤塔内形成高浓度雾场。含尘气体中的粉尘颗粒经过雾场时被小液滴捕捉，使其在洗涤塔内团聚长大并脱除，其除尘机理如图4。经过洗涤后的气体通过分离箱顶部的除雾器进行气液分离。洗涤水经分离箱底部流入污水箱，真空泵将分离后的气体由吸入粉体采样器经过滤后排出。通过变频器及远传压力表调节水泵转速可以控制雾化压力和洗涤水流量，气体流量可以通过变频器调节风机转速控制。各仪表测得的信号由Keysight 34972A数据采集器采集后输入计算机。

1.3 采样方法

粉尘采样器由超细玻璃纤维滤膜和滤膜固定架组成。超细玻璃纤维滤膜（德州科佳环境监测用品厂生产），采用100%无碱玻璃纤维制成，对大于0.3µm的颗粒过滤效率可达99.99%以上。气体携带未被脱出的粉尘颗粒从分离箱出口排出后进入粉尘采样器，粉尘颗粒在玻璃纤维滤膜的过滤作用下被捕集下来，气体通过玻璃纤维滤孔排出，从而达到收集粉尘的目的。由于洗涤后气体中含有的水蒸气或小液滴将对实验结果造成影响，所以气体进入粉体采样器前需通过两级除雾器脱出大部分小液滴。然后对收集的粉尘进行干燥处理，从而消除水对实验结果的影响。

1.4 分析及计算方法

通过改变雾化压力、洗涤水流量、气体流量、入口粉尘浓度及喷雾层级等操作参数，考察其对洗涤塔除尘效率的影响。当系统运行稳定后，测量单位时间内粉尘采样器捕集的粉尘质量1(g)，再根据该时间内粉体给料机送入系统粉尘的总质量(g)，可以算出系统的总除尘效率，见式(1)。

2 实验结果与讨论

2.1 入口粉尘浓度对洗涤效率的影响

在气体流量为113m3/h、喷雾压力为0.4MPa的实验条件下，粉尘浓度变化对洗涤塔各层级除尘效率的影响如图5所示。从图5中可以看出，随着入口处粉尘浓度由16g/m3增大到32g/m3的过程中，单层喷雾除尘效率由77.1%下降到62.2%，而双层喷雾除尘效率由87.2%下降到76.7%。尤其当粉尘浓度大于24g/m3时，除尘效率的降幅更加明显。而采用3层喷雾的除尘方式时，其效率受粉尘浓度变化的影响相对较小，随着粉尘浓度由16g/m3增大到32g/m3的过程中，除尘效率由89.4%降低到87.5%。其原因是相同工况下，采用3层喷雾除尘的方式将增加小液滴的分布范围，在洗涤塔沿着气体流经之处不同高度处形成3层高浓度雾场，增加了粉尘与小液滴接触概率，强化粉尘颗粒间团聚效应[25]，进而提高了除尘效率。

2.2 塔内气体平均流速对除尘效率的影响

含尘气体在塔内的平均流速（m/s）是影响洗涤塔除尘效率的重要因素之一，其与气体的体积流量（m3/s）及洗涤塔的截面积（m2）的关系为式(2)。

图6为洗涤水流量为600L/h、粉尘浓度为32g/m3条件下，含尘气体在塔内平均流速与除尘效率的关系。对于空塔条件下，当平均气速由0.6m/s上升到1.4m/s的过程中，其除尘效率将由28.7%上升到32.9%。这是由于塔内平均气速处于较高的速度时，管道内气体的平均流速更高，当进入洗涤塔时，由于流动截面突然变大，含尘气体的平均流速将随之骤然降低，在惯性撞击作用下，气体中夹带的粉尘将被部分脱除，剩余气体在洗涤塔底进入气液分离箱时，其速度再一次降低，含尘气体中的粉尘颗粒进一步被脱除。加入喷雾除尘时，除尘效率与空塔条件相比将大大提高。总体变化规律为：除尘效率将随气体塔内平均气速的减小而升高。对于3层喷雾除尘，当气体塔内平均流速为0.6～0.8m/s时，其除尘效率可以达到94.7%，并趋于平稳。分析原因为：气体在塔内的平均流速降低将导致粉尘颗粒在洗涤界面的停留时间增加，在其他因素不变的条件下，这将有利于塔内形成高浓度雾场，从而增加粉尘颗粒与小液滴的碰撞概率，强化含尘液滴的团聚效应，有利于促进粉尘颗粒的脱除。

2.3 液气体积比对除尘效率的影响

液气体积比对洗涤塔除尘效率的影响规律如图7所示。可见在粉尘浓度为32g/m3、气体体积流量为67～158m3/h、洗涤水体积流量为300～700L/h时，通过增大液气体积比值，可有效提高除尘效率。

当液气体积比由2.2增加到3.7时，3层喷雾除尘的效率将由65.3%提高到78.8%。当液气体积比由3.7增加到5.2时，除尘效率由78.8%增加到83.1%，其增幅趋于平缓，这一趋势也与文献[26]的研究结果相符。这是由于随着液气体积比增大，洗涤界面中小液滴数量也将随之增加，小液滴与带粉气体接触面积也随之增大，导致粉尘颗粒被小液滴捕获概率增加，同时洗涤水流量的增加将导致气液间湍流强度增大[27]，使塔内传质能力增强，从而增加除尘效率。对比相同实验条件下采用不同喷雾层数对除尘效果的影响结果表明：采用3层喷雾的方式可以有效提高除尘效率。

2.4 喷雾压力对除尘效率的影响

采用图像法测得不同喷雾压力下平均雾化粒径如图8所示。利用MATLAB对拍摄图像进行处理[28]，然后通过对比雾滴与标定物像素元的个数得出雾化粒度的大小[29]。从图8中可以看出，随着喷雾压力的增加，其平均雾化粒径呈现下降趋势，与文献[30]描述喷雾粒径随压力增加呈幂函数的下降趋势，压力增大到一定程度后趋于平缓的趋势相同。

图9所示为气体流量113m3/h、粉尘颗粒浓度32g/m3时喷雾压力与除尘效率的关系。除尘效率变化的总体趋势是随喷雾压力增加而升高。当喷雾压力在0.2～0.3MPa变化时，除尘效率的增幅较为平缓，这是由于在低压喷雾下，洗涤水流量较小，而且洗涤水雾化不充分，平均雾化粒径为456～365µm，无法在塔内形成雾场，所以导致除尘效率较低。当喷雾压力在0.3～0.5MPa之间变化时，平均雾化粒径为365～219µm，由于雾化粒径大幅度降低，不同喷雾层级的除尘效率均呈现大幅度提升。对于3层喷雾除尘方式，当喷雾压力为0.5～0.6MPa时，平均雾化粒径为176～165µm，其除尘效率变化趋势基本保持稳定状态。其原因是当喷雾压力由0.2MPa提高到0.3MPa的过程中，洗涤水流量也将显著增大，塔内小液滴数量也随之增加，同时，雾化后小液滴的平均粒径也将随之减小，所以导致除尘效率增幅明显。当喷雾压力大于0.5MPa后，雾化平均粒径降低幅度较小，从而导致洗涤效率的增幅趋于平缓。

3 结论

通过对洗涤塔的喷雾层数、颗粒浓度、气体塔内平均流速、喷雾压力和液气体积比对洗涤效率影响的研究，可以得出以下结论。

（1）喷雾层数对洗涤效果的影响最为显著。在相同工况下，采用3层喷雾除尘方式时，在喷雾压力为0.6MPa、液气体积比为5.27、气体塔内平均流速0.6m/s时，除尘效率可以达到98.3%。

（2）入口粉尘浓度对于单层和双层喷雾除尘的效率影响较大，当颗粒浓度在16～32g/m3之间变化时，其除尘效率随入口粉尘颗粒浓度的升高而降低。对于3层喷雾除尘，在实验工况下，除尘效率基本不受入口粉尘浓度变化的影响。

（3）在本实验中，对于3层喷雾除尘方式，当喷雾压力为0.2～0.5MPa时，洗涤效率随压力的增大而升高，当喷雾压力位0.5～0.6MPa时，其除尘效率变化趋势基本保持稳定状态。

（4）适当降低气体在塔内的平均流速有利于提高洗涤塔的除尘效率，对于3层喷雾洗涤，最佳的气体塔内平均流速为0.6～0.8m/s。

（5）适当增大液气体积比有利于除尘效率的提高，对于3层喷雾除尘，最佳液气体积比为4.44～5.27，其除尘效率可以达到83.1%以上，并且趋于稳定。

致谢：感谢东北电力大学周云龙教授的高速摄影系统，感谢东北电力大学杨宁老师、张航瑞同学提供的技术支持与帮助。

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Performance of dust removal in a multi-layer spray column scrubber

ZHANG Lidong1，LI Xiaobo1，WANG Qing1，QIN Hong1，CUI Da2

（1Engineering Research Center of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Electric Power University，Jilin 132012，Jilin，China；2Jishun Oil Shale Development Co.，Ltd.，Jilin 132012，Jilin，China）

An experimental device was built up to study the dust removal characteristics in multi-layer spray column scrubber. The operating parameters which influence dust removal efficiency were analyzed，such as volume ratio of liquid to gas，average velocity of gas in column，inlet dust loading and spray pressure. The results showed that the spray layer have most significant influence to dust removal. The efficiency of three-layer column scrubber increased by more than 15% compared with the traditional washing tower，and inlet dust loading have little impact on it. Increasing spray pressure can enhance the efficiency of dust removal obviously. When spray pressure is 0.5—0.6MPa，the dust removal efficiency will be stable. Under the same operating parameters，reducing the average velocity of gas in scrubber will help to improve dust removal efficiency. For the three-layer column scrubber，the best average velocity of gas is 0.6—0.8m/s. In this experiment，dust removal efficiency can reach 98.3% in three-layer spray column scrubber，when spray pressure is 0.6MPa，the average velocity of gas in column is 0.6m/s，and volume ratio of liquid to gas is 5.27.

sprayer column scrubber；fine particles；dust removal；wet scrubber

TQ515

A

1000–6613（2017）07–2375–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2148

2016-11-21；

2017-01-25。

教育部长江学者和创新团队发展计划（IRT13052）、吉林省自然科学基金（20150101033JC）、吉林市科技计划（201464044）及吉教科合字2015-237项目。

第一作及者联系人：张立栋（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向为油页岩综合利用及回转装置混合与分离。E-mail：nedu1015 @aliyun.com。