一种多级串联雾化吸收装置研究

赵锦兰， 徐 敏， 孙加辉， 马 江

（陕西航天机电环境工程设计院有限责任公司， 陕西 西安 710100）

0 引言

多级串联雾化吸收装置主要应用于车载式废气处理工艺技术领域。 由于车载式废气处理系统结构紧凑、工艺路线繁冗复杂， 而传统式雾化喷淋主体结构吸收塔高度有限，无法满足当前大流量、多工况、长时效车载式废气处理工艺技术需求。 多级串联雾化吸收技术研究基于传统雾化喷淋吸收塔， 专为车载箱式废气处理系统研制出多级串联雾化吸收装置，气体在装置内以“S”型方式流动，并在此过程中与液相进行逆流接触， 该结构能够延长气相在吸收塔中的停留时间，在传质速率逐级下降5%的情况下，通过延长气液接触时间保证各级95%的传质效率。

1 总体设计

该技术采用8 级串联吸收塔与储液箱集成化结构设计，吸收塔采用2+2+2+2 模式进行串联组合，此结构不仅可以平衡吸收塔间压力，而且克服了传统多级串联吸收塔操作复杂、装置质量过重等弊端，满足车载设备的简便化、轻量化、便捷化要求。 该装置与传统车载式装备设计相比，更加充分地利用了高度及长度、宽度空间，降低设备操作维护难度、缩短维修时间、简化维护工艺流程、降低检修成本。 通过计算各设备质心、重心，充分考虑、合理布置，在确保填料量、药剂量、塔间压力平衡的基础上成功实现车载装置结构紧凑、功能完善、操作简便、维修便捷、重量轻便、使用便捷的设计要求。 具体设计结构如图1 所示。

图1 多级串联雾化吸收装置示意图Fig.1 Schematic diagram of multistage series array atomization absorption device

2 结构设计

2.1 多级串联雾化吸收装置设计

多级串联雾化吸收装置是对废气进行精细化处理的工段，主要利用废气成份的化学特性，通过化学反应机理进一步去除废气中的污染物，确保系统达标排放。每个塔体内顶部安装雾化喷淋装置、底部设置稳压布气器、塔体中间填装鲍尔环填料。废气处理时气体从底部进入，经布气器分布后与塔体顶部逆流吸收液连续通过填料层，在填料层气液的紊流程度及填料的湿润率增大的同时气液两相密切接触，接触面积随之增大。吸收液通过循环泵经雾化喷淋装置自上而下喷淋、 废气通过布气系统向上流动，气液逆向密切均匀接触并发生化学反应，更进一步提高废气吸收率，确保废气最终达标排放。

该装置使用可调节多段吸收液控制技术， 设计过程针对每一级吸收塔进气浓度的不同设计特定的吸收液喷淋量，随着气体流态的推移，喷淋量呈递减式，该设计不仅提高吸收液的利用效率与循环泵的使用效率， 同时起到系统稳压的作用。

8 级吸收塔与储液箱进行集成化设计， 塔体内部与储液箱箱体底板采用“贯穿孔”全部贯通，“贯穿孔”采用“阶梯式”的设计理念，随着气体流态的推移8 级塔“贯穿孔”开孔面积先增大后减小，“贯穿孔”不仅使装置内吸收液贯通， 而且对装置运行过程系统内的压力起到平衡作用， 确保系统运行过程塔体内部液面尽可能处在同一水平面上，防止液面压差较大、已净化废气携带吸收液喷出现象的发生。

8 级吸收塔每级填料层填装高度呈现阶梯式递减，其主要目的是降低系统压降，防止系统出现憋压现象、引起末端排气不畅、出气口水雾出现增大现象的发生。装置喷淋量示意图如图2 所示。

图2 多级串联雾化吸收装置喷淋量示意图Fig.2 Schematic diagram of spray volume of multistage series array atomization absorption device

通过试验验证， 多级串联雾化吸收装置的喷淋模块吸收液喷淋量、填料层高度以及塔底“贯穿孔”采用“阶梯式”的设计理念达到了系统稳定运行的目的，且各塔体压力平衡状态满足使用要求，运行参数图见图3。

图3 多级串联雾化吸收装置运行参数图Fig.3 Operation parameter diagram of multi-stage series array atomization absorption device

2.2 雾化喷淋结构设计

多级阵列式雾化喷淋装置设计安装于8 级吸收塔内，以达到气液间形成逆向流而发生化学反应的目的。每一级塔体顶部设计一套矩阵结构的雾化喷淋装置， 装置中液体经过实心锥雾化喷嘴形成均布雾化喷射液体流。通过试验研究螺旋式、实心锥、扇形及喷嘴孔径为1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm、3.0mm 下的喷淋效果及喷淋覆盖面积，最终确定在一定吸收液浓度及额定喷淋液流量下，1.6mm 的实心锥雾化喷嘴喷淋效果最佳，可满足使用要求，单个喷嘴辐射面积可达0.04m2， 根据塔体的横截面积设计矩阵式雾化喷淋结构， 确保吸收液均布于整个吸收塔横截面上，雾化喷淋装置示意图见图4，喷淋试验图见图5。

图4 多矩阵结构雾化喷淋试验图Fig.4 Multi matrix structure atomization spray test diagram

图5 多矩阵结构雾化喷淋试验图Fig.5 Multi matrix structure atomization spray test diagram

2.3 稳压布气器设计

多级塔体串联阵列式装置研制前期， 通过将传统侧向布气、 径向布气技术进行对比分析， 发现侧向布气会在进口段形成偏流， 难以实现气体均布的要求，且塔底空间大小对分布影响较大。 基于径向型分布器结构简单， 具有优良的均布性能， 本次在传统布气器的结构基础上进行进一步的优化设计。 为提高每一级喷淋吸收塔内进气流量与气压的均匀性， 增强气液间的充分接触效率，稳压布气器采用“鱼翅型”支管结合布气盘的组合模式，在每一支路上设置布气盘来实现流量均布，布气盘采用“穿孔布气”与“狭缝布气”相结合的设计理念，布气盘的数量根据其可辐射面积进行计算，确保最大流量下的气体均匀分布。

图7 稳压布气器外形图Fig.7 Outline of pressure stabilizing air distributor

3 结束语

多级串联雾化吸收装置的创新技术研究， 不仅解决了单级吸收塔结构形式无法满足车载箱式结构空间受限的技术难题，而且克服了传统“分段串联式”结构所带来的后期设备维护成本高、操作复杂、装置质量超重等一系列技术问题。在分段多级喷淋吸收设计技术中，采用的分级控制气液比技术、 八级吸收塔与储液箱的特殊组合结构、吸收液均布器与气体稳压均布器，提高了气液传质系数，废气处理效率提高50%以上。