根據(jù)我國大氣污染的特點、發(fā)展趨勢和新“大氣法”及“十五規(guī)劃”的要求，研制應(yīng)用高效的除塵脫硫煙氣凈化器，尤其是捕獲PM10、PM2.5煙塵的技術(shù)與設(shè)備十分必要。在對國內(nèi)外脫硫除塵裝置進行分析研究后，結(jié)合我國的實際情況，我們成功地研究了渦流技術(shù)，設(shè)計了雙渦流煙氣凈化裝置，并將其應(yīng)用于煙氣凈化。通過一系列的模擬試驗、小試，以及在35t/h鏈條爐鍋爐上的應(yīng)用與試驗，可以看出該技術(shù)達到了原設(shè)計的要求，成為我國燃煤鍋爐或電站、熱電站鍋爐高效除塵脫硫及捕獲亞微米粒徑煙塵的一項新的科技成果。

1  工作原理與特點

鍋爐燃煤所產(chǎn)生的含有煙塵、SO2等污染物的煙氣沿切線方向進入雙渦流煙氣洗滌裝置底部后，首先進入渦流式液氣傳質(zhì)裝置。我們在該裝置中安裝了特殊結(jié)構(gòu)的渦輪，堿液從該裝置側(cè)面進入，含有SO2、煙塵的煙氣從相應(yīng)一側(cè)高速進入，高能量旋轉(zhuǎn)的煙氣帶動堿液從該裝置與主筒的間隙高速旋轉(zhuǎn)后，經(jīng)特殊設(shè)計的導向葉片進入渦流式液氣傳質(zhì)裝置，煙氣進入渦流裝置中心后呈渦流狀高速旋轉(zhuǎn)。在高速旋轉(zhuǎn)的堿液中，亞微米粒徑的塵粒、SO2等污染物與堿液有充分的時間、空間和較大的接觸吸附、反應(yīng)面積從而被捕獲。渦流裝置上部與主筒密封，煙氣不會短路而不經(jīng)過渦流裝置。此時捕獲的污染物通過排污管從凈化裝置的底部排到循環(huán)槽，達到了第一級也是該凈化裝置主要的捕獲污染物的作用。由于采用的是特殊噴管，而不是噴頭，因此不會發(fā)生噴頭堵塞現(xiàn)象，阻力較小。

通過渦流裝置后的煙氣氣流在中心力場裝置中形成類似“龍卷風”的旋轉(zhuǎn)上升，在向心力的作用下，煙氣中的 SO2與堿性液滴得到充分反應(yīng)，而細微塵粒在向心力場中與堿性液滴凝聚成較大顆粒，凝聚后含污染物液滴的煙氣上升到中心筒體，此時在離心力作用下含污染物的液體被甩向中心筒體裝置內(nèi)壁并流下，經(jīng)下部的排放管排到循環(huán)槽中，達到第二級捕獲污染物的作用。經(jīng)兩級渦流作用凈化后的煙氣通過上部類似“透平”的高效渦流結(jié)構(gòu)除霧脫水裝置后，經(jīng)引風機通過煙囪排入大氣。

渦流式液氣傳質(zhì)裝置底部常規(guī)的“水封”位置被提高，并且根據(jù)渦流式液氣裝置的基理，煙氣帶動在“水封”位置的堿液也高速旋轉(zhuǎn)形成流化床，從而加強了捕獲包含亞微米粒徑的塵粒與SO2等污染物的作用，并保證了渦流液氣傳質(zhì)裝置中不會積灰。

由于上述的機理，該裝置對10μm以下的塵粒有較高的捕獲率，而這是目前濕式脫硫除塵裝置無法達到的。目前的濕式脫硫除塵設(shè)備，雖有各種結(jié)構(gòu)，但主要是依靠離心力將塵粒甩向筒壁，然后塵粒被筒壁上的水膜捕獲。由于在塵粒的成分相同時，粒徑越小，重量越小，離心力也就越小，因此亞微米粒徑的塵粒不能或很難能被甩向筒壁，所以其無法與筒壁上的水膜接觸從而被捕獲，而煙氣中的氣相SO2污染物就更不易被有效捕獲。對于噴淋型的濕法除塵裝置，雖然可通過各式噴頭噴出堿液捕獲煙塵，并且有的霧化效果很好，但噴頭噴出的液體并沒有經(jīng)過壓縮空氣等措施，因此水壓不高，霧滴動力也不大，在這種情況下，霧滴在引風機的強大抽力作用下，根本無法形成對全部煙氣捕獲有效的噴淋區(qū),達不到設(shè)計中的覆蓋面積，因此煙氣中的塵粒及SO2等污染物不能全面地與堿液接觸，實際捕獲效果較差。濕法脫硫除塵系統(tǒng)在采用循環(huán)水時，由于沉淀效果差，水中懸浮物多，甚至較大的顆粒都可能被水泵吸入水管系統(tǒng)；當直接應(yīng)用河、湖等天然水體時，常會出現(xiàn)水中的雜草、魚類及廢塑料等廢棄物被水泵吸入水管系統(tǒng)。上述兩種情況都經(jīng)常造成噴頭小孔堵塞，霧化效果較好的噴頭，由于孔小或其他使液體旋轉(zhuǎn)的裝置，使得噴頭更易堵塞，而孔大的噴頭霧化效果又較差。噴頭小孔的經(jīng)常堵塞導致濕式脫硫除塵裝置不能正常運行。但在雙級渦旋裝置中煙氣中的塵粒與SO2等污染物與堿液的接觸，不是依靠離心力，而是靠氣、固、液三相在渦輪部分通過高速旋轉(zhuǎn)與中心力場的作用使其充分接觸，達到捕獲污染物的目的。在中心力場裝置中，含污染物的液滴在向心力的作用下凝聚成較大顆粒，液滴的重量增加，離心力也加大，在中心筒中易甩向筒壁，從而提高了污染物的捕獲率，提高了煙氣凈化作用。由于整個凈化裝置給予煙氣與噴液充分的接觸時間、空間與面積，從而使煙氣中的塵粒(含小于10μm的塵粒)、SO2及其它污染物充分地被捕獲，達到了較高的凈化率。

2  試驗研究

2.1  渦流系統(tǒng)

(1)渦輪的葉片數(shù)量及形狀直接關(guān)系到污染物的捕獲率及煙氣的阻力

葉片的數(shù)量與捕獲率成正比，數(shù)量越少，效率越低，但當葉片數(shù)量過多時，效率提高的卻并不明顯，而且阻力會急劇上升，并易產(chǎn)生積灰現(xiàn)象。所以葉片的數(shù)量應(yīng)根據(jù)煙氣量進行選擇，并應(yīng)保證在渦流系統(tǒng)內(nèi)煙氣有足夠快的速度。葉片的形狀及角度直接關(guān)系到氣流的方向與傳質(zhì)效果。葉片的數(shù)量與排列也應(yīng)充分注意影響污染物捕獲效率的渦流現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(2)渦輪的高度

渦流的高度與葉片數(shù)量是相互配合的，一般應(yīng)高于煙道口高度。

(3)渦輪直徑與洗滌器設(shè)備內(nèi)徑的間隙

渦流直徑與洗滌器內(nèi)徑的間隙直接關(guān)系到液氣之間傳質(zhì)效果的好壞，間隙過小，阻力增加，易造成積灰現(xiàn)象，但同時也必須保證氣、液的高速旋轉(zhuǎn)。

(4)噴管的數(shù)量、角度與孔徑

渦流裝置的噴管直徑在保證一定壓力及流量時，不宜過小，以防止雜物的堵塞。噴管的數(shù)量是用來確定進入洗滌器內(nèi)部的液體量的，因此數(shù)量過小就達不到脫硫除塵效率，且易造成渦流裝置中的積灰現(xiàn)象，而數(shù)量過多則會提高運行成本，并易造成煙氣帶水。由于雙渦系統(tǒng)的傳質(zhì)效果好，所以液氣比一般為0.5～0.8。噴管與渦流裝置間的角度直接關(guān)系到液氣傳質(zhì)，如果角度控制不好，就會產(chǎn)生徑向流從而影響脫硫除塵效率。

2.2  中心力場裝置

中心力場裝置的直徑大小必須要能保證高速煙氣氣流在中心力場裝置中形成類似“龍卷風”的渦流，但同時也應(yīng)充分考慮到相應(yīng)阻力的增加。

2.3  在渦流式液氣傳質(zhì)裝置底部的“水封”高度

“水封”高度即“水封”液面至渦流式液氣傳質(zhì)裝置底部的高度。該高度必須達到使煙氣能帶動在“水封”位置的堿液也高速旋轉(zhuǎn)形成流化床，而且必須保證渦流液氣傳質(zhì)裝置不會積灰，同時還應(yīng)注意煙氣帶水、阻力增加、水向煙道倒流的問題。

2.4  除霧裝置

除霧裝置的結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到除霧效果及阻力大小。通過對不同結(jié)構(gòu)的試驗后，確定采用類似“透平”的高效渦流結(jié)構(gòu)除霧脫水裝置。我們認為，除裝置本身的結(jié)構(gòu)尺寸外，中心力場裝置頂部與除霧器間的距離和除霧器上部的直段部分均對除霧效果的好壞與阻力大小有較大影響。

2.5  材質(zhì)

整個洗滌器可利用進口耐磨耐腐的不銹鋼制造，這樣可以整體安裝，重量輕、體積小，但價格貴。也可以采用花崗巖作為筒體及渦輪、中心力場裝置材質(zhì)，而其它部件采用進口耐磨耐腐不銹鋼材質(zhì)，這樣價格較低，壽命長，但安裝時間相對較長。

2.6  脫硫堿液

脫硫堿液最好采用堿性廢液(如造紙、印染等行業(yè)堿性廢水或鍋爐沖渣水)，也可以采用石灰或堿性廢渣(如電石渣等)作脫硫劑，以達到以廢治廢、綜合利用、降低運行成本的目的。在不具備上述條件時，我們認為采用雙堿法是最佳的選擇。

3  實際工程應(yīng)用

該技術(shù)在熱電廠鍋爐改造與新建中的應(yīng)用表明：該系統(tǒng)運行正常、煙氣不帶水。經(jīng)國家除塵設(shè)備監(jiān)測單位的認證檢測，結(jié)果如下(鍋爐型號CG35/3.82ML4): 表2為中國環(huán)境保護產(chǎn)品認定技術(shù)條件的“花崗石類濕式煙氣脫硫除塵裝置”中的技術(shù)性能規(guī)定。從表1、2、3中可看出雙渦煙氣洗滌系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟性能各項指標均優(yōu)于國家規(guī)定的標準。

4  結(jié)論

(1)渦流煙氣凈化裝置利用渦流與中心力場技術(shù)，使煙氣凈化裝置中氣、液傳質(zhì)效果好，達到了高效除塵脫硫的效果，尤其對亞微米粒徑塵粒有較高的捕獲率。對粒徑＜10μm的塵粒的捕獲率可達84.87%；對粒徑＜2.5μm的塵粒的捕獲率可達38.45%；分級效率(dcso)為 118μm。

(2)渦流煙氣凈化裝置阻力小(≤800Pa)，液氣比低(0.6～ 0.8L/m3)，煙氣含水率小(＜8%)。

(3)技術(shù)經(jīng)濟綜合指標先進，除塵效率＞98%，在層燃爐中煙塵排放濃度＜90mg/Nm3，脫硫效率(進水pH為9時)＞ 70%。而且，通過計算可知每去除一噸SO2所需成本為82元，去除一噸煙塵需78元。

(4)渦流裝置的葉片數(shù)量、結(jié)構(gòu)、布置、筒壁間隙；噴管直徑、布置、供水量；中心力場的結(jié)構(gòu)尺寸、中心筒高度與直徑；除霧裝置的結(jié)構(gòu)與位置；凈化裝置中各部件的尺寸的相互關(guān)系等都直接影響到雙渦煙氣凈化裝置的技術(shù)經(jīng)濟性能。

(5)脫硫劑宜用堿性廢渣廢水或采用雙堿法，為保證較高的脫硫效率及較少的運行費用，循環(huán)系統(tǒng)必須合理設(shè)計、正確運行。

(6)該技術(shù)的實際應(yīng)用情況良好，不僅具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟性能，還解決了噴頭堵塞、煙氣帶水、結(jié)垢結(jié)灰等問題。而且該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、維修量小、簡單耐用、耗水量小。

渦流技術(shù)的研制成功，為我國燃煤鍋爐或電站、核電站的高效除塵脫硫，尤其是對亞微米粒徑煙塵的高效捕獲提供了新的科技成果。

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