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填料塔雾沫夹带问题的研究

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：徐永杰

[导读] 摘要：填料塔是化工吸收传质和环保尾气净化的重要设备之一，雾沫夹带是填料塔普遍存在的问题。

        （南京工大环境科技有限公司江苏南京 210000）
        摘要：填料塔是化工吸收传质和环保尾气净化的重要设备之一，雾沫夹带是填料塔普遍存在的问题。本文对造成填料塔雾沫夹带的相关因素进行了深入分析，得到如下结论：需根据循环泵流量和扬程科学合理计算喷嘴数量；喷淋层如何科学布置会对雾沫夹带有显著影响，需综合考虑工艺条件、循环泵性能参数、吸收液喷淋覆盖率等多方面因素；除雾器是填料塔降低雾沫夹带最直接有效的内构件，填料塔必须配置；对于填料塔所处系统为负压工况的，引风机的负压大小以及引风机的布置位置也对填料塔雾沫夹带有显著影响。
        关键词：填料塔，雾沫夹带，喷嘴，喷淋层，除雾器，系统负压
        1、前言
        填料塔是化工分离过程中一种重要的气液传质设备，同时也是一种常见的废气处理装置，其具备除尘、吸收传质等方面的功能，在工业领域广泛应用[1]。现有文献针对填料塔主要集中在通过控制相关因素提升填料塔的吸收效率和降低压力降，优化填料塔内构件结构和研发新型填料等方面[2~4]，而关于填料塔的雾沫夹带问题却鲜见报道。事实上，工程中因填料塔本身以及填料塔所处系统设计不合理，造成填料塔在使用过程中雾沫夹带非常严重，有些烟囱因离填料塔太近，烟囱口甚至形成雨雾飘落到地面，进而造成吸收液消耗迅速。因此，有必要针对填料塔的雾沫夹带问题展开研究。
        本文主要研究了喷嘴的选型和喷淋层的设计、除雾器的选择以及操作工况的影响对填料塔雾沫夹带的影响，为填料塔工业设计提供了参考。
        2、喷嘴选择及喷淋层设计
        （1）喷嘴选择及喷淋层设计的第一个影响因素是循环泵的流量和扬程
        循环泵流量通过选取合适的液气比可以计算得知，在此不做详述。在实际工程实践中发现，循环泵扬程的高低对雾沫夹带有较大影响，在喷淋层布置已定的条件下，循环泵扬程选取的越高，雾沫夹带越严重。因此，需要认真计算循环管路的沿程阻力和局部阻力，科学合理选择循环泵扬程。
        （2）喷嘴选择及喷淋层设计的第二个影响因素是喷嘴的选型
        工程中常见的喷嘴类型如表1所示[5]。螺旋喷嘴的流通口径较窄，所以决定了它一般用在小流量的工况。空心锥喷嘴的流通口径相对较大，所以一般用在大流量的工况。实心锥喷嘴与空心锥喷嘴的流通口径大致相同，其雾化效果要强于同等级的空心锥喷嘴，但因内部含有旋流叶片，不适用于含固体颗粒的工况，否则容易造成堵塞。扇形喷嘴一般用在高压清洗设备中，在填料塔中应用较少。
                                                          表1 工程中常见的喷嘴类型

        喷嘴的选型主要考虑喷嘴压降、喷雾角度和喷嘴流量等参数。选择喷嘴压降时，主要从喷嘴结构参数、吸收液粘度等参数综合考虑。根据实验研究和相关文献报道，建议选取喷嘴压降值在0.5~0.7bar之间，这样既可以实现良好的雾化效果，同时还可以减缓喷嘴的磨损而延长其使用寿命。随着喷嘴压降值的增加，吸收液的雾化效果会越来越好，吸收液的雾化粒径也会越来越小，在气流负压的作用下被带走的可能性也会大幅提升，所以雾化效果需适中。工程中常用的喷嘴喷雾角度为90~120°，一般建议靠近塔壁的喷嘴采用小角度的（90°），其余位置可在90~120°之间选择[6]。
        （3）喷嘴选择及喷淋层设计的第三个影响因素是喷淋层的分布设计
        在设计填料塔时，根据工艺条件即使已经核算好循环泵的流量和扬程，但经循环泵输送至喷淋层的吸收液如何被合理喷淋也是影响雾沫夹带的一个重要因素。既要保证整个填料截面被喷雾角度覆盖浸润，且塔壁处还不宜被喷雾角度过多覆盖；同时，还需合理选择喷嘴的型号规格，既不能太小造成雾化效果太好而引起大量雾沫夹带，而且若吸收液中含有固体颗粒还容易导致喷嘴堵塞，也不能太大造成因喷嘴数量不足而导致覆盖率不满足要求，进而影响吸收塔的整体吸收效率。因此喷嘴的选择和布置方式也是很有讲究的。
        在工程应用中，喷淋层可根据工艺需要设计成单层，也可以设计成多层，本文以单层为例。喷淋层喷嘴的布置方式有两种，一种是同心圆布置，一种是矩形阵布置；对于直径相对较大的填料塔，为方便从主喷淋管外伸各支管，一般常用矩形阵布置方式，同时由于填料塔一般为圆形的，为了更好地控制塔壁处的喷雾角度，靠近塔壁处的喷嘴建议采用同心圆方式布置。
        关于喷淋层的布置，需要综合考虑多个方面的因素：第一，结合工艺条件判断吸收液中是否会有固体颗粒物，初步选取喷嘴的规格尺寸。第二，由选定的循环泵流量和扬程，并结合泵性能曲线，核算出在0.5~0.7bar压力条件下喷嘴的数量（若循环泵扬程扣除掉管道、阀门、喷嘴等各项阻力降后还有剩余，则需通过额外增加喷嘴数量来平衡循环泵扬程对喷嘴雾化效果的影响。）。第三，采用矩形阵法和同心圆法相结合的方式合理布置喷嘴位置，喷嘴间的水平间距一般控制在0.7米~1.2米之间，并以喷嘴1米以下喷雾角度覆盖的直径面积作为单个喷嘴的覆盖范围，满足覆盖率在200%~300%的要求[6]。第四，依据上述三个步骤依次选型并布置，若某一条不满足要求，则重新选型喷嘴规格尺寸、喷雾角度和喷嘴数量，并重新布置或微调喷嘴位置，直至满足要求。
        3、除雾器选择及安装位置
        在用于废气处理的填料塔装置中，除雾器一般设置在填料塔喷淋层的上部，是降低雾沫夹带和飘液最直接有效的内构件。我司在南通海门某药业有限公司的废气处理系统中一共配置有三台填料塔，其中两台填料塔配置有丝网除雾器，另一台填料塔未配置丝网除雾器。设备运行期间，未配置丝网除雾器的填料塔要比配置丝网除雾器的填料塔储液槽液位下降速度快的多，充分说明除雾器对于降低雾沫夹带和飘液具有重要作用，是填料塔必备的。
        工程中最常用的除雾器有折流板除雾器、旋流板除雾器和丝网除雾器。折流板除雾器的工作原理为：液滴在折流板中曲折流动，与壁面不断碰撞凝聚成大颗粒液滴，在重力的作用下沿除雾器叶片往下滑落，折流板除雾器示意图如图1所示。旋流板除雾器的工作原理为：液滴通过风车状的固定旋流叶片时产生旋转和离心运动，在离心力的作用下将液滴甩至塔壁，从而实现气-液分离，旋流板除雾器示意图如图2所示。丝网除雾器的工作原理为：液滴经过丝网除雾器的丝网时，碰到丝网被粘附或吸附下来，经过反复多次吸附，极小的液滴聚结成为大颗粒液滴，在重力的作用下沿着编织丝网丝与丝的交叉点向下滑落，丝网除雾器示意图如图3所示。

图1 折流板除雾器示意图

图2 旋流板除雾器示意图

        图3 丝网除雾器示意图
        丝网除雾器的除雾效率是三者中最高的，但压力降也是三者中最高的，其适用于对除雾效率要求较高的场合，但不适用于气相含粉尘介质或液相易形成结晶体的工况。折流板除雾器和旋流板除雾器可以填补丝网除雾器不适用的工况，且压力降也相对较低，但二者的除雾效率相比丝网除雾器要弱一些。
        4、操作工况的影响
        用于废气处理的填料塔，操作工况多数均为负压环境，引风机负压的大小以及引风机的布置位置均对填料塔雾沫夹带有显著影响。
        我司在南京某制造有限公司的废气治理项目中，最初处理工艺为：车间收集废气—预处理系统—第一级填料塔—除尘器—除雾器—催化设备—第二级填料塔—引风机—烟囱排空，因考虑到各设备压力损耗和管道沿程阻力，末端引风机最大负压为8500Pa。系统运行时，虽然在第二级填料塔的顶部设置有除雾器，但仍然在烟囱排口有较明显飘液情况，这主要是因为第二级填料塔紧邻引风机，受到下游引风机抽负压作用非常明显，致使雾沫夹带情况较为严重。
        为了减轻引风机的负压对填料塔雾沫夹带的影响，在整个废气治理系统的前端设置了接力风机，处理工艺调整为：车间收集废气—预处理系统—第一级填料塔—除尘器—接力引风机—除雾器—催化设备—第二级填料塔—引风机—烟囱排空。因接力引风机的接力作用，末端引风机最大负压降由8500Pa低为4000Pa即可满足整个系统的要求，第二级填料塔雾沫夹带情况得到明显好转。
        5、结论
        本文深入研究了影响填料塔雾沫夹带的相关因素，形成如下结论：
        （1）需根据循环泵流量和扬程，并结合泵性能曲线，科学合理计算填料塔所需喷嘴数量。在选型喷嘴时，压降值宜控制在0.5~0.7bar之间，喷雾角度宜在90~120°之间选取。
        （2）喷淋层喷嘴布置设计时，需综合考虑工艺条件、循环泵流量和扬程、吸收液喷淋覆盖率等多方面因素。
        （3）除雾器是降低雾沫夹带和飘液最直接有效的内构件。对于除雾效率要求较高的场合，优先考虑采用丝网除雾器，但该型除雾器不适用于气相含粉尘介质或液相易形成结晶体的工况。
        （4）用于废气处理的填料塔，系统中引风机的负压大小以及引风机的布置位置均对填料塔雾沫夹带有显著影响，需综合考虑系统负压对填料塔雾沫夹带的影响。
        参考文献
        [1]晏莱，周三平.现代填料塔技术发展现状与展望[J].化工装备技术，2007,28(3):29-34
        [2]穆传冰，候添，朱灿朋，李义超，尹荣衡. 填料塔液体分布装置的优化设计[J].石油和化工装备，2019,22(4):10-15.
        [3]郭嘉祺，郭斌，候晓松. 新型填料喷雾塔强化吸收甲醇废气的应用[J].化学工程，2020,48(7):33-38.
        [4]孙琦明. 湿法脱硫工艺吸收塔及塔内件的设计选型[J].中国环保产业，2007,(4):18-22.
        [5]赵毅，房慧德，刘侃. 湿法脱硫塔喷淋层布置研究综述[J].山东化工，2018,47(3):46-48.
        [6]张力，钟毅，施平平. 湿法烟气脱硫系统喷淋塔喷嘴特性与布置研究[J].湖南电力，2007,27(5):9-13.
        作者简介：徐永杰，1986，男，汉，籍贯山西应县，硕士，主要从事化工机械及环保工程的设计、运行调试相关工作。通讯地址：南京六合区606号江北新材料科技园研发中心B栋4楼420室，E-mail：543261104@qq.com