喷淋塔在废气处理系统中的应用
摘要 随着国内化工行业建设规模的日益增加，国家环保标准对排放至大气的废气指标提出了更高的要求。采用喷淋塔化学吸收工业排放气中的有毒、有害成分的环保新技术得到了推广和应用。本文总结了喷淋塔的吸收原理，并结合工程实践，确定了喷淋塔本体设计的具体方法及设计中应该注意的问题。
关键词废气 吸收 喷淋塔 设计
环境保护是我国的一项基本国策。工业烟囱排出的废气中含有大量有毒、有害气体，如果直接将这些废气排至大气将会使空气的质量日益恶化。为此，国家环境保护部门加大了对环境的整治力度，制定了更加严格的大气环保标准。喷淋吸收塔适用于废气中被吸收组分浓度低，易于与吸收剂反应的体系，具有吸收效果好，阻力小，不易结垢堵塞，设备投资少等优点。
1.喷淋塔吸收原理
1.1 吸收过程的气液平衡
吸收净化气态污染物的主体设备是吸收装置，包括各种类型的吸收塔、文丘里洗涤器、鼓泡反应器等。在吸收装置中，含有可被吸收的污染物A的混合气体与吸收剂S逆流(或顺流)接触，完成吸收过程，被净化了的气体(不被溶解的组分B和剩余的A)和吸收液(含有A和S)，分别排出装置之外作进一步的处理。气态污染物的净化效率，与吸收装置的结构、性能和吸收过程中的气液平衡有相当大的关系。
吸收过程进行的方向与极限取决于溶质在气液两相中的平衡关系。对于任何气体，在一定条件下，在某种溶剂中溶解达到平衡时，其在气相中的分压是一定的，称之为平衡分压，用p*表示。在吸收过程中，当气相中溶质的实际分压p高于其与液相成平衡的溶质分压时，即p> p* 时，溶质便由气相向液相转移，于是发生了吸收过程。
1.2 吸收过程的机理
吸收过程是一个相际传质过程。关于吸收的相际传质机理，主要有双膜理论、薄膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论、界面动力状态理论等，这些理论对于相际传质过程中的界面状况及流体力学因素的影响等方面的研究和描述各有千秋。不同类型的吸收塔分别采用不同的传质机理作为自己的理论模型。但是，目前尚不能据此进行传质设备的计算或解决其它实际问题。
1.3 伴有化学反应的吸收过程
在吸收操作中，伴有显著化学反应的吸收过程称为化学吸收。例如，用NaOH、Na2C03、或NH3 OH等的水溶液吸收CO2、S02或H2S等，均属化学吸收。
2.喷淋塔的本体设计
吸收塔是废气吸收的核心装置。相对于其他类型吸收塔，如填料塔、喷射鼓泡塔，喷淋塔具有结构简单、阻力小、投资小等优点。在吸收过程中，废气从吸收塔下部进入，在喷淋区与雾化喷淋的循环吸收剂逆流接触并发生化学反应，废气中的有毒、有害废气被吸收，同时废气中的粉尘也可以被去除。洗涤以后的废气经喷淋层上方的除雾器除去雾滴后从吸收塔顶部排出，并经烟囱放空。吸收剂可采用循环利用的方法，有助于节约利用资源。
由于吸收塔内气液流动传质、化学反应的复杂性，目前实际的工程设计主要靠经验。
2.1塔径的确定
吸收塔的塔径主要由运行工况下塔内的实际废气流量和塔内气速确定。
由工艺流程确定进入吸收塔的废气量。实际运行工况下塔内废气的体积流量发生了变化，这是由于：废气在进入塔后在大量喷淋液的作用下迅速降温，放热使一部分水分蒸发，使废气中的水蒸气在操作温度下达到饱和，从而废气的体积流量增加了。
研究及实践表明，逆流喷淋空塔中的合适气速范围为2.6m/s~3.4m/s，典型值为3m/s。气速增加，一方面使得气液两相界面湍动加强，气膜厚度减薄，传质速率常数增加，而且可以减缓液滴下降的速度，使体积有效传质面积增加，因而可以使塔高降低。
2.2 吸收区高度的确定
工程设计中吸收区高度一般指废气进口水平中心线到喷淋层中心线的距离。根据废气在塔内的停留时间和空塔气速，可以确定喷淋塔的主体高度。对于化学吸收，一般情况下，废气在塔内停留2S~5S即可达到预期的吸收效果。设计时还要综合考虑液气比、喷雾状况、气速、塔结构等因素的影响。
为了使设计更加精确、完善，李荫堂，王双等对流动、传质理论进行了深入研究。他们从两个角度给出了容积吸收率的定义，并据此作为喷淋塔吸收区高度设计的依据。在排放标准给定的情况下，若吸收任务给定，则容积吸收率与吸收区高度成反向变化。确定了容积吸收率（单位时间、单位吸收容积内溶质的吸收量），即可确定吸收区的高度。郭毅，李荫堂等指出吸收区高度等于传质单元高度和传质单元数的乘积。
2.3 喷淋管和喷嘴的设置
喷淋的作用是造成尽可能大的气液传质界面。为了使喷淋液沿整个吸收塔截面均匀分布，一般设置2~6层喷淋管，层间距0.8~2m。喷淋层由一根或几根主管和布满塔内的支管组成，支管上均匀布置喷嘴。各层喷淋管交错布置。根据需要可以选择不同型式的喷淋管。
喷嘴的选型和合理、优化布置是达到良好吸收效果的保证。目前，喷淋喷嘴可选用实心或空心锥形或螺旋型喷嘴。喷嘴的选取主要在于其雾化性能，而雾化性能又取决于喷嘴结构参数以及循环吸收剂进口压力和黏度等。如果喷嘴进口压力越大，喷嘴的压力降越大，通过喷嘴的液体流量越大,且喷出的雾化液滴平均直径就越小，气液接触反应的表面积就越大；但喷嘴压力降增大，能耗也就越大。一般吸收塔喷淋用喷嘴的雾化平均粒径在200~2000µm，喷雾角度为90°～120°，根据循环液的流量和所需喷雾的平均粒径选择不同型式的喷嘴。
2.4 除雾器的设置
为了防止喷淋的雾滴被烟气夹带出塔，在吸收塔喷淋区上部，需要设置除雾器。根据允许气体夹带雾滴量及粒径大小及塔内气速、压力降要求选择不同型式的除雾器。
3. 设计中应该注意的问题
3.1 喷淋塔内的防腐措施
进入吸收塔内的废气中含有SO2、HCL、HF、H2S等腐蚀性气体和饱和水蒸汽，容易对喷淋塔造成腐蚀，尤其是废气进口的干湿界面区域和吸收塔内最为严重。针对不同的吸收体系，可以分别对吸收塔的不同结构处采用不同的防腐材料，如不锈钢、氯丁基橡胶、玻璃鳞片涂层，玻璃钢，钢衬胶或防腐涂料，哈氏合金等，对吸收塔进行防腐处理。
3.2 液气比的确定
选择合适的液气比能够使吸收塔达到良好的吸收效果。液气比是指吸收剂循环量与废气流量之比。根据吸收塔操作线和平衡线关系可以得出，液气比增加，将使吸收推动力增大，传质单元数减小；气液传质面积增大，体积吸收系数增加，因而可以降低塔高。但是另一方面，液气比增加，液体的停留时间有所减少，而且循环泵流量增加，塔内阻力增加。实际设计和运行时，在保证吸收效果的前提下，应尽可能采用适当小的液气比。
3.3 气体的均匀分布
逆流吸收塔废气进口一般从吸收塔下部水平方向进入，根据进塔气速确定进气管的横截面积。为了使气体均匀分布，可以采用较大的进气管径；进气口向下倾斜6°～10°；顶部出气口垂直向上；在塔下部设置多孔板、导流板对气体进行整流。另外，在喷淋层间可设置环形板，避免烟气通过喷淋层时出现因靠近塔壁处喷淋液不均造成的气相短路现象，起到节能增效的功能。
4. 结束语
吸收塔是废气洗涤中的关键设备。喷淋吸收塔结构简单、阻力小、投资少、运行良好，能够达到所需的吸收效果。本文根据工程设计经验，确定了吸收塔塔径、塔高设计，喷淋层、除雾器的设置及循环泵的配置等的方法并指出了设计中应该注意的一些问题。
