1 噴淋洗滌塔

噴淋洗滌塔是一種古老的濕法除塵設備，由于其結構簡單，阻力小，在工業生產中，特別是作為環保設備得到廣泛應用。

1.1結構型式及傳統設計方法

噴淋洗滌塔結構見圖1所示。洗滌液通過噴嘴霧化成細小液滴均勻地向下噴淋，含塵氣體由噴淋塔下部進入，自下向上流動，兩者逆流接觸，利用塵粒與水滴的接觸碰撞而相互凝聚或塵粒間團聚，使其重量大大增加，靠重力作用而沉降下來。被捕集的粉塵，在貯液槽內作重力沉降，形成底部的高含固濃相液并定期排出作進一步處理。部分澄清液可循環使用，與少量的補充清液一起經循環泵從塔頂噴嘴進入噴淋塔進行噴淋洗滌。從而減少了液體的耗量以及二次污水的處理量。經噴淋洗滌后的凈化氣體，通過除沫器除去氣體所夾帶的細小液滴后，由塔頂排出。

影響噴淋塔除塵效率的主要因素是液滴分布的均勻度、液滴粒徑及粒徑分布。因此，選擇合適的霧化噴嘴及噴嘴的合理布置是設計噴淋洗滌塔的關鍵之一。

①噴嘴布置   噴淋塔內噴嘴的布置應使噴淋塔橫截面被噴淋液完全、均勻地覆蓋。一般都采用多層噴嘴的布置方式，相鄰兩層間的噴嘴呈交錯布置。兩層間的距離為1～2m。每個噴淋層上必須布置足夠數量的噴嘴，相鄰噴嘴噴出的水霧相互搭接疊蓋，不留空隙，使噴出的液滴完全覆蓋噴淋塔的整個斷面，而且要盡可能減少沿塔壁流淌的液體量，同時要降低噴淋液對塔壁的直接沖刷磨損。

②噴淋覆蓋率  噴嘴噴出的液體必須能夠完全覆蓋離噴嘴出口一定距離的噴淋塔截面，防止噴淋塔內出現沒有噴淋液的區域而產生氣體短路問題。一般要求每個噴淋層的噴淋覆蓋率以200%-300%為宜。噴淋覆蓋率可按下式計算：

     式中： Nm—每個噴淋層內噴嘴數量；

      Am—距離噴嘴出口1m處測得的每個噴嘴噴淋面積，㎡；

③噴淋液滴粒徑及主要設計參數

本文認為選擇理想的噴淋液滴粒徑是確定噴淋塔主要設計參數的先決條件。眾所周知，在相同的噴淋條件下，霧化液滴粒徑愈大，其比表面積愈小，降低除塵效率。但液滴粒徑太小，易被汽化或者被氣流帶走，增加了除沫器的負荷，而且直接減少了噴淋洗滌的液滴量，同樣會影響除塵效率。

圖1 噴淋洗滌塔結構示意圖

表1列出了不同粒徑液滴在氣相中的“終端沉降速度”或稱為“帶出速度”。當噴淋的液滴粒徑確定后，也就確定了噴淋塔的空塔速度，即不能超過該粒徑的帶出速度。

表1 液滴的帶出速度

傳統的設計方法選擇的噴淋液滴粒徑為0.5～1.0[mm]（平均粒徑）。考慮到噴嘴噴出的液滴的粒徑分散度，一般取空塔速度小于該液滴帶出速度的1/2，具體的設計參數為：

    空塔速度：V_g =0.6～1.2[m/s]；

    噴淋液氣比：W=0.066～0.266[L/m³(氣)] ；

    噴霧壓力：P_L =（1.4～7.3）×10⁵[Pa]；

    噴淋液滴粒徑：d_p=0.5～1.0[mm]；

    設備壓降：ΔP=200[Pa]。

從上述設計參數可以看出，用傳統的設計方法設計的噴淋塔空塔速度很小，帶來的問題是設備龐大，增加了設備的占地面積及投資。近年來，隨著超大煙氣量的凈化處理的需要，必須提高空塔速度，也就是要增大噴淋液滴的粒徑，縮小粒徑分布的分散度，減少細顆粒液滴的百分比。這樣有利于減少凈化氣體的霧沫夾帶量，降低除沫器的負荷。

在相同噴淋液量的條件下，噴淋的液滴粒徑愈小，其比表面積愈大，有利于提高除塵效率，相反噴淋的液滴粒徑愈大，其比表面積愈小，除塵效率降低。因此目前大型噴淋塔采用提高噴淋量，也就是提高噴淋液氣比，然后再加大噴淋的液滴粒徑，保持原有的比表面積，確保除塵效率，達到提高空塔速度，減少設備直徑，降低設備造價及占地面積的目的。另外，提高了噴淋液氣比，又縮小了設備直徑，能有效地加大設備的噴淋密度，有助于提高設備的除塵效率。

目前工業應用的大型噴淋塔的設計參數為：

空塔速度：Vg =3～4[m/s]；

液氣比：W>1[L/m3(氣)]；

噴霧壓力：PL =（0.7～1）×105[Pa]。

噴淋液滴粒徑：dp=1.5～3.0[mm](粒徑小于0.5mm的液滴數量不超過5%)

④噴嘴結構及特性

噴淋洗滌塔的性能主要取決于液滴粒徑和數量，而液滴粒徑和數量又取決于洗滌液總流量和噴嘴的特性。噴嘴噴霧特性主要包括噴嘴操作壓力、流量及噴霧粒徑、粒徑分布、霧化角和允許通過噴嘴的zui大固相顆粒。允許通過的固相顆粒粒徑愈大，表明該噴嘴不易堵塞，操作穩定性好，可利用含固量高的循環噴淋液進行反復噴淋洗滌，減少補充水的消耗，同時也減少了污水的排放量。噴淋液滴的粒徑分布也是噴嘴的一個重要特性，噴淋塔要求噴淋的液滴粒徑分布窄，尤其是要求小于0.5mm的液滴要盡量少，由于細液滴會被氣流夾帶進入除沫器，增加除沫器的負荷，并減少了有效的洗滌液量。

液滴粒徑分布采用分散度作為衡量指標，其定義為：

S=(d_0.9-d_0.1)/d_0.5

式中：S—分散度指標；

d_0.9、d_0.5、d_0.1—分別表示液滴質量百分含量小于90%、50%、10%的顆粒粒徑，[mm]。

S值愈大表示粒徑分散度愈大，液滴顆粒大小愈不均勻。

采用傳統的設計參數所設計的噴淋塔，配套應用的噴嘴為碗形噴嘴，該噴嘴的噴霧壓力為2～2.5×10⁵[Pa]，噴淋液滴平均粒徑小于0.5mm，要求噴淋液中不能有大于1mm的固體顆粒，或含固濃度不能太高，否則易造成噴嘴堵塞。該噴嘴只能用于空塔速度1m/s以下的噴淋塔。目前，大型工業裝置中應用的噴淋塔所采用的噴嘴有切向、軸向噴嘴和螺旋形噴嘴，其結構形式及噴霧液滴的流形見圖2。

圖2 霧化噴嘴

切向噴嘴，又稱為空心錐切線型噴嘴（Hollow Cone Tangential）。洗滌液從切線方向進入噴嘴的旋渦腔內，然后呈旋轉流型從噴孔噴出，形成中空錐流型的液滴群，在下游截面上呈圓環狀圖形（見圖2a）。噴嘴無內部構件，允許通過的zui大固體顆粒直徑約為噴孔直徑的80%。

軸向噴嘴，又稱為實心錐噴嘴（Full Cone）。這種噴嘴內置旋流片，噴嘴的進出口在同一軸線上，洗滌液進入噴嘴通過旋流片呈旋轉流從噴孔噴出，呈全充滿的錐形的液滴群，在下游截面上呈圓狀圖形（見圖2b）。由于該噴嘴內設置旋流片，因此對高含固量的洗滌液的使用有一定的要求，易于產生堵塞現象，允許通過的zui大固體顆粒直徑約為噴孔直徑的25%。

螺旋形噴嘴（spiral nozzle），該噴嘴的出口為一個倒錐形的螺旋帶，進入噴嘴的洗滌液以高速射流的形式被螺旋帶剪切、沖擊產生1～2個同軸的空心錐形液滴群，在下游截面上呈1～2個同心的圓環狀圖形（見圖2c）。由于該噴嘴沒有內部構件，因此允許通過的zui大固體顆粒直徑幾乎與噴孔直徑（或螺旋帶之間的間隙）相接近。

   上述三種噴嘴中，螺旋形噴嘴的能耗zui小，噴霧的粒徑也最小，而切向噴嘴的噴霧粒度分布較為均勻，分散度最小，在噴霧壓力變化時，噴霧的霧化角變化不大，操作穩定可靠。

尿素噴霧造粒塔的尾氣凈化問題至今尚未得到有效解決，既浪費了尿素又污染了環境。本文作者采用濕式洗滌的方法，在造粒塔頂部，精心設計增設一個噴淋洗滌段，采用螺旋形噴嘴及波板填料除沫器，取得了良好的捕集效果，既消除了環境污染又能回收尿素粉塵，取得了明顯的經濟效益和社會效益。

2 液柱塔

液柱塔是在噴淋塔的基礎上發展而來的一種新型濕式洗滌設備，結構如圖3所示。氣體由設備下部進入，凈化后氣體經除沐器后由頂部出口管排出，塔內的氣體作自下而上的流動，與噴淋塔的氣流運動狀態相同，所不同的是，洗滌液是由塔下部的噴嘴自下向上噴射進入設備，噴射液柱在達到zui高點后，自然散開，形成無數液滴作重力沉降，與上升的氣流產生高效的氣液接觸，達到高效洗滌除塵作用。

圖3液柱塔結構示意圖

液柱塔與噴淋塔的主要區別是，噴淋塔采用霧化噴射，對噴嘴有較高的要求，否則系統就容易結垢堵塞，而液柱塔采用的是射流噴嘴，噴嘴結構簡單，噴頭孔徑大，不易堵塞，而且系統能夠在比較大的范圍內調節，因此對控制水平和循環水含固粒度要求不高。也由于液柱塔內的吸收液呈液柱狀，分散的液滴粒徑相對較大，因此在液柱塔內可以采用較高的空塔速度，一般為4.2～5.6m/s。另外，由于液柱塔僅設置一層噴嘴，而且安裝在設備下部，位置較低，安裝及維護方便。

液柱塔內向上噴射的液柱與塔內的氣流為同向運動，由于高速射流的液柱對氣流會產生一定的引射作用，有助于降低氣體的阻力。

由于依靠上升液柱動能為零時，液柱自然散開而產生的液滴，一般粒徑都比較大，雖然可大大降低除沐器的負荷，但液相的比表面積明顯減少，影響捕集效率，所以必須提高液氣比。考慮到噴射散開的覆蓋面積比較小，要求布置較多的噴嘴，一般要求每平方米安裝約4個噴嘴。

液柱塔的設計參數為：

空塔速度：V_g =4.2～5.6[m/s]；

液氣比：W=13～25[L/m³(氣)]；

噴射壓力：P_L =（0.7～1）×10⁵[Pa]。

3 動力波洗滌器

動力波洗滌器是一種新型、高效的濕式洗滌設備，其結構如圖4所示。其作用原理是，氣體自上向下高速進入洗滌管，洗滌液通過特殊結構的噴嘴自下向上逆向噴入氣流中，氣液兩相高速逆向對撞，當氣液兩相的動量達到平衡時，形成一個高度湍動的泡沫區，在該區域內，氣液兩相呈高速湍流接觸，接觸表面積大，而且這些接觸表面不斷地得到迅速更新，達到高效的洗滌效果。

本文作者利用該設備的結構特點及氣液兩相流的流動狀況，在其泡沫區的下部適當位置又增設了“順流混合元件”，使氣液兩相再一次進行湍流混合，起到了順流洗滌的作用，在一機內實現了兩級串聯的洗滌效果，成功地開發了“帶混合元件的動力波洗滌器”。

該設備具有以下一些優良的性能特點：

（1） 凈化效率高。動力波洗滌器的凈化效率遠高于噴淋塔、填料塔等傳統的洗滌設備，一般來說除塵效率均達99%以上，表2列出了帶混合元件的動力波洗滌器的性能試驗結果。

表2  帶混合元件的動力波洗滌器的試驗結果

圖4 動力波洗滌器結構示意圖

（2）能耗低，其阻力損失僅為文丘里洗滌器的一半。由于動力波洗滌器在運行過程中既利用了氣流的能量，也巧妙地利用了液流的能量，而且因為泵的效率通常高于風機，所以，與等效率的其他設備相比，其阻力并不算高。

（3）操作穩定可靠，噴嘴不易堵塞。由于液體噴入氣體是由一個大的開有孔的液體噴嘴進行，這樣循環液可以允許較高的含固量而不堵塞。循環液含固量較高，可使污水排放量減少，從而減輕了污水處理裝置的負荷和規模。一般傳統洗滌設備很難承受3%以上的循環液含固量，而動力波洗滌器可以達到20%的循環液含固量而不堵塞。所以，動力波洗滌器的可靠性高，不易損壞，操作維護簡單，運轉周期長。開孔噴射的另一個優點是液體不發生霧化，排氣中的液體霧沫很少，使用常規的除沫器即可脫除。

（4）配置靈活，適用范圍廣。經過適當設計，動力波洗滌器幾乎可以用于任何氣體凈化過程。例如，其降溫效果頗佳，可用于處理各種高溫氣體；不易堵塞，氣體中的含塵量幾乎沒有限制，循環液中的允許含塵量也很高；如果過程本身允許，可大大減少廢液抽出量，使廢液的處理更為容易；外形小巧，強度及密封問題易于解決，且工作過程不受壓力的影響，所以可在任何壓力下運行。泡沫區的面積很大，有較寬范圍的氣量適應能力，可以適應50%～100%的氣量變化而不降低洗滌效率。總之，動力波洗滌器具有廣泛的適用性。

（5）投資低。該設備結構簡單，外形小巧，配置方便靈活，材料易解決，節省投資和占地。動力波凈化系統的投資比傳統工藝節省30%以上。

動力波洗滌器的設計參數：

空塔速度：V_g =10～20[m/s]；

液氣比：W>3[L/m³(氣)]；

噴射壓力：P_L =（0.7～1）×10⁵[Pa]。

4 結束語

噴淋洗滌塔、液柱塔及動力波洗滌器的共同點是：（1）均采用液相噴嘴將洗滌液霧化成細小液滴，均勻地分散于氣相中，增大液相的比表面積，達到較高的除塵效率。（2）均由空筒體、噴嘴及除沫器三部分組成，結構簡單，操作維修方便，而且不易產生結垢和堵塞問題，設備能夠安全長期連續運行。（3）該類設備還具有放大效應小的特點，更適用于作為超大氣量的洗滌設備。

上述三種設備的不同點是：（1）動力波洗滌器的外形更小巧，配置方便靈活，設備投資低，而噴淋洗滌塔、液柱塔的外形相對龐大，設備投資較高。（2）動力波洗滌器的凈化效率較高，而噴淋洗滌塔、液柱塔的凈化效率相對較低。（3）動力波洗滌器的阻力降相對于噴淋洗滌塔、液柱塔的阻力降要高。（4）噴淋塔采用霧化噴射，對噴嘴有較高的要求，否則系統就容易結垢堵塞，而液柱塔和動力波洗滌器采用的是射流噴嘴，噴嘴結構簡單，噴頭孔徑大，不易堵塞。

噴淋洗滌塔、液柱塔及動力波洗滌器各有特點，因此，在進行濕法除塵設備的選型時，應根據具體的工藝特點和要求，來選擇合適的設備。