喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器
李秋萍程建伟邵国兴
(上海化工研究院上海200062)
摘要：本文简单介绍了喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器的结构特点及性能。并以工业应用装置的操作参数为基础，进行分析汇总，提出了各设备的设计参数，供同行参考。
关键词：湿式洗涤器；喷淋洗涤塔；液柱塔；动力波洗涤器；除尘；雾化喷嘴；脱硫设备0 前言
湿法除尘设备是采用液体（通常为水）作为洗涤液，通过气液两相的接触，实现气液两相间的传热、传质等过程，以满足气体净化（除尘或吸收）、冷却、增湿等要求。
湿法除尘设备具有结构简单、投资少、操作及维修方便等优点。但在使用中产生的污水、污泥必须进行处理，否则会造成二次污染。另外，当气体中含有腐蚀性介质时，要考虑设备的防腐措施。
湿法除尘设备设计的关键是要使气液两相充分接触，增加洗涤液与粉尘颗粒的碰撞概率等，以提高设备的除尘效率。
喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器均采用液相喷嘴将洗涤液雾化成细小液滴，均匀地分散于气相中，增大液相的比表面积，有利于提高碰撞及拦截粉尘的概率，达到较高的除尘效率。上述设备均由空筒体、喷嘴及除沫器三部分组成，结构简单，操作维修方便，而且不易产生结垢和堵塞问题，确保设备能够安全长期连续运行。另外，该类设备还具有放大效应小的特点，更适用于作为超大气量的洗涤设备。
近年来，随着人们环保意识的日益加强，烟气脱硫除尘问题受到各方面广泛关注。而火电厂烟气脱硫除尘系统的烟气处理量特别大，一般为105～106[Nm3/h],在采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺中，喷淋洗涤塔，液柱塔及动力波洗涤器成了脱硫吸收塔的首选设备，并在工程应用中得到了不断的改进与提高。本文以工业应用装置的操作参数为基础，进行分析汇总，提出了这三种设备的合适的设计参
数，供同行参考。
1 喷淋洗涤塔
喷淋洗涤塔是一种古老的湿法除尘设备，由于其结构简单，阻力小，在工业生产中，特别是作为环保设备得到广泛应用。
结构型式及传统设计方法
喷淋洗涤塔结构见图1所示。洗涤液通过喷嘴雾化成细小液滴均匀地向下喷淋，含尘气体由喷淋塔下部进入，自下向上流动，两者逆流接触，利用尘粒与水滴的接触碰撞而相互凝聚或尘粒间团聚，使其重量大大增加，靠重力作用而沉降下来。被捕集的粉尘，在贮液槽内作重力沉降，形成底部的高含固浓相液并定期排出作进一步处理。部分澄清液可循环使用，与少量的补充清液一起经循环泵从塔顶喷嘴进入喷淋塔进行喷淋洗涤。从而减少了液体的耗量以及二次污水的处理量。经喷淋洗涤后的净化气体，通过除沫器除去气体所夹带的细小液滴后，由塔顶排出。
影响喷淋塔除尘效率的主要因素是液滴分布的均匀度、液滴粒径及粒径分布。因此，选择合适的雾化喷嘴及喷嘴的合理布置是设计喷淋洗涤塔的关键之一。
①喷嘴布置喷淋塔内喷嘴的布置应使喷淋塔横截面被喷淋液完全、均匀地覆盖。一般都采用多层喷嘴的布置方式，相邻两层间的喷嘴呈交错布置。两层间的距离为1～2m。每个喷淋层上必须布置足够数量的喷嘴，相邻喷嘴喷出的水雾相互搭接叠盖，不留空隙，使喷出的液滴完全覆盖喷淋塔的整个断面，而且要尽可能减少沿塔壁流淌的液体量，同时要降低喷淋液对塔壁的直接冲刷磨损。
②喷淋覆盖率喷嘴喷出的液体必须能够完全覆盖离喷嘴出口一定距离的喷淋塔截面，防止喷淋塔内出现没有喷淋液的区域而产生气体短路问题。一般要求每个喷淋层的喷淋覆盖率以200%-300%为宜。喷淋覆盖率可按下式计算：喷淋覆盖率= Nm×Am/A
式中： Nm—每个喷淋层内喷嘴数量；
Am—距离喷嘴出口1m处测得的每个喷嘴喷淋面积，㎡；
A---距离喷嘴出口1m 处的喷淋塔横截面积，㎡。
③喷淋液滴粒径及主要设计参数
本文认为选择最佳的喷淋液滴粒径是确定喷淋塔主要设计参数的先决条件。众所周知，在相同的喷淋条件下，雾化液滴粒径愈大，其比表面积愈小，降低除尘效率。但液滴粒径太小，易被汽化或者被气流带走，增加了除沫器的负荷，而且直接减少了喷淋洗涤的液滴量，同样会影响除尘效率。
净化气体出口
循环泵
图1 喷淋洗涤塔结构示意图
表1列出了不同粒径液滴在气相中的“终端沉降速度”或称为“带出速度”。当喷淋的液滴粒径确定后，也就确定了喷淋塔的空塔速度，即不能超过该粒径的带出速度。
表1 液滴的带出速度
传统的设计方法选择的喷淋液滴粒径为～[mm]（平均粒径）。考虑到喷嘴喷出的液滴的粒径分散度，一般取空塔速度小于该液滴带出速度的1/2，具体的设计参数为：
空塔速度：V
=～[m/s]；
g
喷淋液气比：W=～[L/m3(气)] ；
喷雾压力：P
=（～）×105[Pa]；
L
=～[mm]；
喷淋液滴粒径：d
p
设备压降：ΔP=200[Pa]。
从上述设计参数可以看出，用传统的设计方法设计的喷淋塔空塔速度很小，带来的问题是设备庞大，增加了设备的占地面积及投资。近年来，随着超大烟气量的净化处理的需要，必须提高空塔速度，也就是要增大喷淋液滴的粒径，缩小粒径分布的分散度，减少细颗粒液滴的百分比。这样有利于减少净化气体的雾沫夹带量，降低除沫器的负荷。
在相同喷淋液量的条件下，喷淋的液滴粒径愈小，其比表面积愈大，有利于提高除尘效率，相反喷淋的液滴粒径愈大，其比表面积愈小，除尘效率降低。因此目前大型喷淋塔采用提高喷淋量，也就是提高喷淋液气比，然后再加大喷淋的液滴粒径，保持原有的比表面积，确保除尘效率，达到提高空塔速度，减少设备直径，降低设备造价及占地面积的目的。另外，提高了喷淋液气比，又缩小了设备直径，能有效地加大设备的喷淋密度，有助于提高设备的除尘效率。
目前工业应用的大型喷淋塔的设计参数为：
空塔速度：Vg =3～4[m/s]；
液气比：W>1[L/m3(气)]；
喷雾压力：PL =（～1）×105[Pa]。
喷淋液滴粒径：dp=～[mm](粒径小于的液滴数量不超过5%)
④喷嘴结构及特性
喷淋洗涤塔的性能主要取决于液滴粒径和数量，而液滴粒径和数量又取决于洗涤液总流量和喷嘴的特性。喷嘴喷雾特性主要包括喷嘴操作压力、流量及喷雾粒径、粒径分布、雾化角和允许通过喷嘴的最大固相颗粒。允许通过的固相颗粒粒径愈大，表明该喷嘴不易堵塞，操作稳定性好，可利用含固量高的循环喷淋液进行反复喷淋洗涤，减少补充水的消耗，同时也减少了污水的排放量。喷淋液滴的粒径分布也是喷嘴的一个重要特性，喷淋塔要求喷淋的液滴粒径分布窄，尤其是要求小于的液滴要尽量少，由于细液滴会被气流夹带进入除沫器，增加除沫器的负荷，并减少了有效的洗涤液量。
液滴粒径分布采用分散度作为衡量指标，其定义为：
S=式中：S—分散度指标；
、、—分别表示液滴质量百分含量小于90%、50%、10%的颗粒粒径，[mm]。
S值愈大表示粒径分散度愈大，液滴颗粒大小愈不均匀。
采用传统的设计参数所设计的喷淋塔，配套应用的喷嘴为碗形喷嘴，该喷嘴的喷雾压力为2～×105[Pa]，喷淋液滴平均粒径小于，要求喷淋液中不能有大于1mm 的固体颗粒，或含固浓度不能太高，否则易造成喷嘴堵塞。该喷嘴只能用于空塔速度1m/s以下的喷淋塔。目前，大型工业装置中应用的喷淋塔所采用的喷嘴有切向、轴向喷嘴和螺旋形喷嘴，其结构形式及喷雾液滴的流形见图2。
空
心
锥
流
形
实
心
锥
流
形
同
心
环
流
形
a. 切向喷嘴
b. 轴向喷嘴
c. 螺旋型喷嘴
进口
图2 雾化喷嘴
切向喷嘴，又称为空心锥切线型喷嘴（Hollow Cone Tangential）。洗涤液
从切线方向进入喷嘴的旋涡腔内，然后呈旋转流型从喷孔喷出，形成中空锥流型
的液滴群，在下游截面上呈圆环状图形（见图2a）。喷嘴无内部构件，允许通过
的最大固体颗粒直径约为喷孔直径的80%。
轴向喷嘴，又称为实心锥喷嘴（Full Cone）。这种喷嘴内置旋流片，喷嘴的
进出口在同一轴线上，洗涤液进入喷嘴通过旋流片呈旋转流从喷孔喷出，呈全充
满的锥形的液滴群，在下游截面上呈圆状图形（见图2b）。由于该喷嘴内设置旋
流片，因此对高含固量的洗涤液的使用有一定的要求，易于产生堵塞现象，允许
通过的最大固体颗粒直径约为喷孔直径的25%。
螺旋形喷嘴（spiral nozzle），该喷嘴的出口为一个倒锥形的螺旋带，进入
喷嘴的洗涤液以高速射流的形式被螺旋带剪切、冲击产生1～2个同轴的空心锥
形液滴群，在下游截面上呈1～2个同心的圆环状图形（见图2c）。由于该喷嘴
没有内部构件，因此允许通过的最大固体颗粒直径几乎与喷孔直径（或螺旋带之
间的间隙）相接近。
上述三种喷嘴中，螺旋形喷嘴的能耗最小，喷雾的粒径也最小，而切向喷嘴的喷雾粒度分布较为均匀，分散度最小，在喷雾压力变化时，喷雾的雾化角变化不大，操作稳定可靠。
尿素喷雾造粒塔的尾气净化问题至今尚未得到有效解决，既浪费了尿素又污染了环境。本文作者采用湿式洗涤的方法，在造粒塔顶部，精心设计增设一个喷淋洗涤段，采用螺旋形喷嘴及波板填料除沫器，取得了良好的捕集效果，既消除了环境污染又能回收尿素粉尘，取得了明显的经济效益和社会效益。
2 液柱塔
液柱塔是在喷淋塔的基础上发展而来的一种新型湿式洗涤设备，结构如图3所示。气体由设备下部进入，净化后气体经除沐器后由顶部出口管排出，塔内的气体作自下而上的流动，与喷淋塔的气流运动状态相同，所不同的是，洗涤液是由塔下部的喷嘴自下向上喷射进入设备，喷射液柱在达到最高点后，自然散开，形成无数液滴作重力沉降，与上升的气流产生高效的气液接触，达到高效洗涤除尘作用。
循环泵
图3液柱塔结构示意图
液柱塔与喷淋塔的最大区别时，喷淋塔采用雾化喷射，对喷嘴有较高的要求，
否则系统就容易结垢堵塞，而液柱塔采用的是射流喷嘴，喷嘴结构简单，喷头孔径大，不易堵塞，而且系统能够在比较大的范围内调节，因此对控制水平和循环水含固粒度要求不高。也由于液柱塔内的吸收液呈液柱状，分散的液滴粒径相对较大，因此在液柱塔内可以采用较高的空塔速度，一般为～s。另外，由于液柱塔仅设置一层喷嘴，而且安装在设备下部，位置较低，安装及维护方便。
液柱塔内向上喷射的液柱与塔内的气流为同向运动，由于高速射流的液柱对气流会产生一定的引射作用，有助于降低气体的阻力。
由于依靠上升液柱动能为零时，液柱自然散开而产生的液滴，一般粒径都比较大，虽然可大大降低除沐器的负荷，但液相的比表面积明显减少，影响捕集效率，所以必须提高液气比。考虑到喷射散开的覆盖面积比较小，要求布置较多的喷嘴，一般要求每平方米安装约4个喷嘴。
液柱塔的设计参数为：
=～[m/s]；
空塔速度：V
g
液气比：W=13～25[L/m3(气)]；
=（～1）×105[Pa]。
喷射压力：P
L
3 动力波洗涤器
动力波洗涤器是一种新型、高效的湿式洗涤设备，其结构如图4所示。其作用原理是，气体自上向下高速进入洗涤管，洗涤液通过特殊结构的喷嘴自下向上逆向喷入气流中，气液两相高速逆向对撞，当气液两相的动量达到平衡时，形成一个高度湍动的泡沫区，在该区域内，气液两相呈高速湍流接触，接触表面积大，而且这些接触表面不断地得到迅速更新，达到高效的洗涤效果。
本文作者利用该设备的结构特点及气液两相流的流动状况，在其泡沫区的下部适当位置又增设了“顺流混合元件”，使气液两相再一次进行湍流混合，起到了顺流洗涤的作用，在一机内实现了两级串联的洗涤效果，成功地开发了“带混合元件的动力波洗涤器”。
该设备具有以下一些优良的性能特点：
（1）净化效率高。动力波洗涤器的净化效率远高于喷淋塔、填料塔等传统的洗涤设备，一般来说除尘效率均达99%以上，表2列出了带混合元件的动力波洗涤器的性能试验结果。
表2 带混合元件的动力波洗涤器的试验结果
1.洗涤管
2.喷嘴
3.混合元件
4.循环泵
5.气体出口管
6.液沐分离器
7.洗涤液贮槽
图4 动力波洗涤器结构示意图
（2）能耗低，其阻力损失仅为文丘里洗涤器的一半。由于动力波洗涤器在运行过程中既利用了气流的能量，也巧妙地利用了液流的能量，而且因为泵的效率通常高于风机，所以，与等效率的其他设备相比，其阻力并不算高。
（3）操作稳定可靠，喷嘴不易堵塞。由于液体喷入气体是由一个大的开有孔的液体喷嘴进行，这样循环液可以允许较高的含固量而不堵塞。循环液含固量较高，可使污水排放量减少，从而减轻了污水处理装置的负荷和规模。一般传统洗涤设备很难承受3%以上的循环液含固量，而动力波洗涤器可以达到20%的循环液含固量而不堵塞。所以，动力波洗涤器的可靠性高，不易损坏，操作维护简单，运转周期长。开孔喷射的另一个优点是液体不发生雾化，排气中的液体雾沫极少，使用常规的除沫器即可脱除。
（4）配置灵活，适用范围广。经过适当设计，动力波洗涤器几乎可以用于任何气体净化过程。例如，其降温效果颇佳，可用于处理各种高温气体；不易堵
塞，气体中的含尘量几乎没有限制，循环液中的允许含尘量也极高；如果过程本身允许，可大大减少废液抽出量，使废液的处理更为容易；外形小巧，强度及密封问题易于解决，且工作过程不受压力的影响，所以可在任何压力下运行。泡沫区的面积很大，有较宽范围的气量适应能力，可以适应50%～100%的气量变化而不降低洗涤效率。总之，动力波洗涤器具有广泛的适用性。
（5）投资低。该设备结构简单，外形小巧，配置方便灵活，材料易解决，节省投资和占地。动力波净化系统的投资比传统工艺节省30%以上。
动力波洗涤器的设计参数：
=10～20[m/s]；
空塔速度：V
g
液气比：W>3[L/m3(气)]；
=（～1）×105[Pa]。
喷射压力：P
L
4 结束语
喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器的共同点是：（1）均采用液相喷嘴将洗涤液雾化成细小液滴，均匀地分散于气相中，增大液相的比表面积，达到较高的除尘效率。（2）均由空筒体、喷嘴及除沫器三部分组成，结构简单，操作维修方便，而且不易产生结垢和堵塞问题，设备能够安全长期连续运行。（3）该类设备还具有放大效应小的特点，更适用于作为超大气量的洗涤设备。
上述三种设备的不同点是：（1）动力波洗涤器的外形更小巧，配置方便灵活，设备投资低，而喷淋洗涤塔、液柱塔的外形相对庞大，设备投资较高。（2）动力波洗涤器的净化效率较高，而喷淋洗涤塔、液柱塔的净化效率相对较低。（3）动力波洗涤器的阻力降相对于喷淋洗涤塔、液柱塔的阻力降要高。（4）喷淋塔采用雾化喷射，对喷嘴有较高的要求，否则系统就容易结垢堵塞，而液柱塔和动力波洗涤器采用的是射流喷嘴，喷嘴结构简单，喷头孔径大，不易堵塞。
喷淋洗涤塔、液柱塔及动力波洗涤器各有特点，因此，在进行湿法除尘设备的选型时，应根据具体的工艺特点和要求，来选择最合适的设备。