刷式洗滌器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

孔令亮，吳學(xué)榮

（江蘇新宏大集團(tuán)有限公司，江蘇泰州 225721）

近年來，我國大氣環(huán)境受到煙塵、SO2、NOx等有害物質(zhì)的嚴(yán)重污染，所以限制污染物排放迫在眉睫。很多化工企業(yè)特別是硫酸廠、冶煉廠、肥料廠、石油精煉廠、燃煤電廠等紛紛對排放的尾氣進(jìn)行洗滌除塵和脫硫脫硝處理，市場上出現(xiàn)了多種尾氣洗滌系統(tǒng)，如動力波洗滌、填料塔洗滌、噴淋塔洗滌和文丘里洗滌等。但在實(shí)際運(yùn)行中，洗滌系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)堵塞、洗滌效果不理想、能耗高和水不平衡等問題。另外某些產(chǎn)品在生產(chǎn)、裝卸和運(yùn)輸過程中會不同程度地產(chǎn)生各種廢氣和有毒粉塵，例如硫酸、磷酸、液態(tài)P2O5等易揮發(fā)的液體裝運(yùn)時(shí)在運(yùn)輸車和儲槽上方都會有酸霧產(chǎn)生，有色冶煉電解槽在電解過程中會有有毒氣體產(chǎn)生等，不僅會影響操作人員的身心健康，還對環(huán)境造成一定的污染。

江蘇新宏大集團(tuán)有限公司（以下簡稱新宏大）研究設(shè)計(jì)了一種刷式洗滌器，在蝸殼中使用旋轉(zhuǎn)刷代替葉輪，把有害氣體和粉塵吸入蝸殼內(nèi)，采用洗滌液對氣體進(jìn)行洗滌除塵，再通過分離器使氣-液-固三相分離，最后通過除霧裝置對洗滌后的氣體進(jìn)行凈化，實(shí)現(xiàn)氣體達(dá)標(biāo)排放。

1 尾氣洗滌系統(tǒng)常見問題

最常見的硫酸生產(chǎn)尾氣堿法脫硫工藝中，煙氣通過洗滌系統(tǒng)后，大量細(xì)小霧沫和固體顆粒隨氣體流出，經(jīng)過折流板除沫器后會出現(xiàn)2 個(gè)問題：

1）除霧效果差。折流板除沫器只對粒徑20 μm 以上的霧粒起作用，有些用戶也試圖將折流板除沫器換成絲網(wǎng)除沫器，但由于絲網(wǎng)比較致密，在線清洗裝置的沖洗水無法正常穿透除沫器本體，運(yùn)行幾天后絲網(wǎng)除沫器即被堵塞。

2）易堵塞。大量細(xì)小固體顆粒隨氣體進(jìn)入折流板除霧器內(nèi)，時(shí)間一久就會結(jié)垢，從而堵塞折流板。堵塞的折流板需要從洗滌塔里拆下來高壓沖洗，經(jīng)常拆卸就會導(dǎo)致折流板的壽命大大降低。

2 刷式洗滌器

2.1 工作原理

刷式洗滌器是一種新型高效的濕法洗滌設(shè)備，主要由電機(jī)、旋轉(zhuǎn)刷、軸承座、蝸殼、洗滌液沖洗裝置、分離器和除霧裝置組成。刷式洗滌器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 刷式洗滌器結(jié)構(gòu)示意

電機(jī)帶動安裝在軸上的旋轉(zhuǎn)刷使之在蝸殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)而形成吸力，將需要處理的有害氣體和粉塵吸入蝸殼內(nèi)。洗滌液通過泵從洗滌液進(jìn)口噴灑在高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)刷上，使旋轉(zhuǎn)刷周圍形成泡沫區(qū)。有害氣體和粉塵通過泡沫區(qū)時(shí)被浸濕而進(jìn)行洗滌，洗滌后的固體顆粒在離心作用力下甩到蝸殼外壁上并隨著洗滌液從蝸殼下部流入分離器，氣體從蝸殼上部進(jìn)入分離器。凈化的氣體、洗滌后液和固體物質(zhì)在分離器內(nèi)得到分離，氣體通過除霧裝置再次凈化后從頂部出氣口達(dá)標(biāo)排放，固體在分離槽中沉降后定期排出，而洗滌液可循環(huán)使用，定期進(jìn)行補(bǔ)充。除霧裝置可以根據(jù)工況及需求由折流板、絲網(wǎng)除沫器、纖維除霧器等一種或多種進(jìn)行組合，如折流板+纖維除霧器、折流板+絲網(wǎng)除沫器。

2.2 關(guān)鍵部件技術(shù)要求

2.2.1 旋轉(zhuǎn)刷

旋轉(zhuǎn)刷主要為玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（FRPP）或聚四氟乙烯（PTEF）非金屬絲材質(zhì)。先將多根非金屬絲壓制成一定大小的圓盤，再將多層圓盤按層間距約10 mm 組裝固定，最后再將組裝好的多組圓盤固定在一個(gè)空心軸上。旋轉(zhuǎn)刷樣貌見圖2。

圖2 旋轉(zhuǎn)刷樣貌

2.2.2 蝸殼

常用的離心通風(fēng)機(jī)蝸殼的繪制方法有2 種：等邊基元法和不等邊基元法，都以阿基米德螺旋線方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)出蝸殼張開度為便于蝸殼成型，用4 段圓弧來近似地逼近阿基米德螺線。葉增明等[1]總結(jié)了常用的蝸殼內(nèi)壁型線設(shè)計(jì)常用兩種近似作圖方法存在的問題，提出了一種更為合理的新近似作圖法，如圖3～4 所示。

圖3 新近似作圖法示意

圖4 中心4個(gè)不等正方形放大

蝸殼設(shè)計(jì)計(jì)算按下列步驟進(jìn)行：

1）蝸殼半徑采用對數(shù)螺旋線方程計(jì)算：

式中：R——各象限圓半徑；

R2——葉道出口半徑；

e——對數(shù)常數(shù)，2.71828；

A——螺旋線開度；

φ——象限角度。

同理計(jì)算可得：Rb=R3π/2=716.66，Rc=Rπ=635.62，Rd=Rπ/2=563.75 。

2）按新近似作圖法分別計(jì)算中心圓心小正方形的邊長得：

3）通過上述計(jì)算結(jié)果繪制蝸殼曲線。

新作圖法很好地解決了4 段圓弧間相接和相切的問題，使得設(shè)計(jì)的蝸殼流線型更佳，氣體在內(nèi)部流通時(shí)更順暢，產(chǎn)生的吸力更大更強(qiáng)。

另外，蝸殼的蝸舌設(shè)計(jì)也很重要，有無蝸舌對通風(fēng)性能的影響很大。蝸舌有尖舌、深舌和平舌3 種，用來防止少部分氣體在機(jī)殼內(nèi)循環(huán)流動[2-3]。根據(jù)不同類型蝸舌的特點(diǎn)，短舌多用于大比轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)，刷式洗滌器的設(shè)計(jì)采用短舌，工作時(shí)不僅效率曲線較平坦，而且經(jīng)濟(jì)工作區(qū)域較寬。

2.3 設(shè)備規(guī)格及參數(shù)

為了方便客戶對設(shè)備快速選型，新宏大總結(jié)多年的研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了刷式洗滌器的規(guī)格及參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 刷式洗滌器規(guī)格及參數(shù)

表1 中，型號中的33、40、49 等數(shù)字代表旋轉(zhuǎn)刷的直徑，如“33”即代表旋轉(zhuǎn)刷直徑為330 mm。刷式洗滌器在旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生氣體，但氣體流量與風(fēng)壓成正比，不同風(fēng)壓下的氣體流量也不同，因此需根據(jù)下游設(shè)備的壓降和所需氣體流量選擇適宜的刷式洗滌器。軸功率為電機(jī)功率，平均洗滌液量僅是常規(guī)洗滌的洗滌液用量，具體使用量要根據(jù)用戶的工藝條件確定。表中“尺寸”僅表示刷式洗滌器本體及分離器的占地空間尺寸，不含其它附屬部分如管路、泵等。

2.4 設(shè)備特點(diǎn)

刷式洗滌器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）能耗低。刷式洗滌器通過刷子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸力，無需額外配備風(fēng)機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)的刷子和洗滌液在蝸殼內(nèi)形成泡沫區(qū)，氣體經(jīng)過泡沫區(qū)實(shí)現(xiàn)高效洗滌。

2）壓降低，洗滌液用量少。風(fēng)機(jī)本身不會產(chǎn)生壓降，洗滌液可循環(huán)使用，設(shè)備運(yùn)行時(shí)只需保證蝸殼與旋轉(zhuǎn)刷之間的洗滌液量，由表1 可見洗滌液的需求量很低。

3）不易堵塞。高速旋轉(zhuǎn)的刷子會使洗滌下來的固體顆粒在離心力作用下被甩開，并從蝸殼下部流入分離器，不會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刷和蝸殼堵塞的現(xiàn)象。

4）占地面積小。該洗滌器結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積僅為1～7 m2，便于生產(chǎn)現(xiàn)場安裝。

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 液態(tài)P2O5生產(chǎn)裝置尾氣除塵

某公司液態(tài)P2O5生產(chǎn)裝置焙燒工序?qū)⒑孜镔|(zhì)在沸騰爐內(nèi)于1 300 ℃燃燒生成氣態(tài)P2O5，再通過一級和二級冷凝器冷卻到90 ℃生成液態(tài)P2O5。在冷卻過程中有部分氣態(tài)P2O5逃逸，隨尾氣由二級冷凝器出口直接排放。經(jīng)專業(yè)檢測部門檢測，尾氣中ρ(P2O5)達(dá)到1 g/m3，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

為了使尾氣排放達(dá)到環(huán)保要求，新宏大對該含磷尾氣排放裝置進(jìn)行改造。利用BF73 型刷式洗滌器吸入尾氣，并用磷酸噴淋吸收氣體中的大部分P2O5粉塵。經(jīng)刷式洗滌器洗滌后的尾氣和洗滌液同時(shí)進(jìn)入分離器，進(jìn)行氣-液-固三相分離。在分離器上部使用帶噴淋的折流板除沫器除去剩余的粉塵，確保進(jìn)入纖維除霧器的氣體中不含上游帶入的P2O5固體，而后纖維除霧器對尾氣中的細(xì)小霧沫進(jìn)行高效去除。

該含磷尾氣排放裝置經(jīng)過改造，排放的尾氣中ρ(P2O5)小于30 mg/m3，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求。該刷式洗滌器從2016 年投入使用至今，運(yùn)行穩(wěn)定且除塵性能優(yōu)良。

3.2 濃硫酸裝卸站揮發(fā)氣體洗滌

濃硫酸在裝卸時(shí)，揮發(fā)的SO3氣體會在儲槽口與空氣中的水蒸氣形成硫酸霧，硫酸霧(ρ)甚至高達(dá)5 g/m3。對硫酸裝卸站實(shí)施改造，在硫酸儲槽出口處設(shè)置吸氣罩，采用管道與刷式洗滌器連接。硫酸儲槽口揮發(fā)的SO3氣體進(jìn)入刷式洗滌器，先溶解于噴淋的水中，再進(jìn)入分離器通過纖維除霧器進(jìn)行除霧處理后，尾氣中硫酸霧(ρ)低于10 mg/m3，實(shí)現(xiàn)了超凈排放。

經(jīng)改造，該硫酸裝卸站的工作環(huán)境得到很大程度地改善。

4 結(jié)語

氣體洗滌凈化的應(yīng)用效果主要由排放氣體中有害物質(zhì)的濃度和洗滌器的運(yùn)行周期這2 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。通過液態(tài)P2O5生產(chǎn)裝置尾氣除塵改造和濃硫酸裝卸站改造的應(yīng)用效果來看，實(shí)現(xiàn)了尾氣達(dá)標(biāo)排放，在很大程度上減少了對環(huán)境的污染。另外，與其他尾氣洗滌系統(tǒng)相比，刷式洗滌器在長期使用后未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，且消耗的洗滌液較少，二次廢液產(chǎn)生量小，運(yùn)行成本低，適用范圍廣，市場前景廣闊。