涡流技术的试验研究与工程应用
根据我国大气污染的特点、发展趋势和新“大气法”及“十五规划”的要求，研制应用高效的除尘脱硫烟气净化器，尤其是捕获PM10、PM2.5烟尘的技术与设备十分必要。在对国内外脱硫除尘装置进行分析研究后，结合我国的实际情况，我们成功地研究了涡流技术，设计了双涡流烟气净化装置，并将其应用于烟气净化。通过一系列的模拟试验、小试，以及在35t/h链条炉锅炉上的应用与试验，可以看出该技术达到了原设计的要求，成为我国燃煤锅炉或电站、热电站锅炉高效除尘脱硫及捕获亚微米粒径烟尘的一项新的科技成果。
1 工作原理与特点
锅炉燃煤所产生的含有烟尘、SO2等污染物的烟气沿切线方向进入双涡流烟气洗涤装置底部后，首先进入涡流式液气传质装置。我们在该装置中安装了特殊结构的涡轮，碱液从该装置侧面进入，含有SO2、烟尘的烟气从相应一侧高速进入，高能量旋转的烟气带动碱液从该装置与主筒的间隙高速旋转后，经特殊设计的导向叶片进入涡流式液气传质装置，烟气进入涡流装置中心后呈涡流状高速旋转。在高速旋转的碱液中，亚微米粒径的尘粒、SO2等污染物与碱液有充分的时间、空间和较大的接触吸附、反应面积从而被捕获。涡流装置上部与主筒密封，烟气不会短路而不经过涡流装置。此时捕获的污染物通过排污管从净化装置的底部排到循环槽，达到了第一级也是该净化装置主要的捕获污染物的作用。由于采用的是特殊喷管，而不是喷头，因此不会发生喷头堵塞现象，阻力较小。
通过涡流装置后的烟气气流在中心力场装置中形成类似“龙卷风”的旋转上升，在向心力的作用下，烟气中的 SO2与碱性液滴得到充分反应，而细微尘粒在向心力场中与碱性液滴凝聚成较大颗粒，凝聚后含污染物液滴的烟气上升到中心筒体，此时在离心力作用下含污染物的液体被甩向中心筒体装置内壁并流下，经下部的排放管排到循环槽中，达到第二级捕获污染物的作用。经两级涡流作用净化后的烟气通过上部类似“透平”的高效涡流结构除雾脱水装置后，经引风机通过烟囱排入大气。
涡流式液气传质装置底部常规的“水封”位置被提高，并且根据涡流式液气装置的基理，烟气带动在“水封”位置的碱液也高速旋转形成流化床，从而加强了捕获包含亚微米粒径的尘粒与SO2等污染物的作用，并保证了涡流液气传质装置中不会积灰。
由于上述的机理，该装置对10μm以下的尘粒有较高的捕获率，而这是目前湿式脱硫除尘装置无法达到的。目前的湿式脱硫除尘设备，虽有各种结构，但主要是依靠离心力将尘粒甩向筒壁，然后尘粒被筒壁上的水膜捕获。由于在尘粒的成分相同时，粒径越小，重量越小，离心力也就越小，因此亚微米粒径的尘粒不能或很难能被甩向筒壁，所以其无法与筒壁上的水膜接触从而被捕获，而烟气中的气相SO2污染物就更不易被有效捕获。对于喷淋型的湿法除尘装置，虽然可通过各式喷头喷出碱液捕获烟尘，并且有的雾化效果很好，但喷头喷出的液体并没有经过压缩空气等措施，因此水压不高，雾滴动力也不大，在这种情况下，雾滴在引风机的强大抽力作用下，根本无法形成对全部烟气捕获有效的喷淋区,达不到设计中的覆盖面积，因此烟气中的尘粒及SO2等污染物不能全面地与碱液接触，实际捕获效果较差。湿法脱硫除尘系统在采用循环水时，由于沉淀效果差，水中悬浮物多，甚至较大的颗粒都可能被水泵吸入水管系统；当直接应用河、湖等天然水体时，常会出现水中的杂草、鱼类及废塑料等废弃物被水泵吸入水管系统。上述两种情况都经常造成喷头小孔堵塞，雾化效果较好的喷头，由于孔小或其他使液体旋转的装置，使得喷头更易堵塞，而孔大的喷头雾化效果又较差。喷头小孔的经常堵塞导致湿式脱硫除尘装置不能正常运行。但在双级涡旋装置中烟气中的尘粒与SO2等污染物与碱液的接触，不是依靠离心力，而是靠气、固、液三相在涡轮部分通过高速旋转与中心力场的作用使其充分接触，达到捕获污染物的目的。在中心力场装置中，含污染物的液滴在向心力的作用下凝聚成较大颗粒，液滴的重量增加，离心力也加大，在中心筒中易甩向筒壁，从而提高了污染物的捕获率，提高了烟气净化作用。由于整个净化装置给予烟气与喷液充分的接触时间、空间与面积，从而使烟气中的尘粒(含小于10μm的尘粒)、SO2及其它污染物充分地被捕获，达到了较高的净化率。
2 试验研究
2.1 涡流系统
(1)涡轮的叶片数量及形状直接关系到污染物的捕获率及烟气的阻力
叶片的数量与捕获率成正比，数量越少，效率越低，但当叶片数量过多时，效率提高的却并不明显，而且阻力会急剧上升，并易产生积灰现象。所以叶片的数量应根据烟气量进行选择，并应保证在涡流系统内烟气有足够快的速度。叶片的形状及角度直接关系到气流的方向与传质效果。叶片的数量与排列也应充分注意影响污染物捕获效率的涡流现象的产生。
(2)涡轮的高度
涡流的高度与叶片数量是相互配合的，一般应高于烟道口高度。
(3)涡轮直径与洗涤器设备内径的间隙
涡流直径与洗涤器内径的间隙直接关系到液气之间传质效果的好坏，间隙过小，阻力增加，易造成积灰现象，但同时也必须保证气、液的高速旋转。
(4)喷管的数量、角度与孔径
涡流装置的喷管直径在保证一定压力及流量时，不宜过小，以防止杂物的堵塞。喷管的数量是用来确定进入洗涤器内部的液体量的，因此数量过小就达不到脱硫除尘效率，且易造成涡流装置中的积灰现象，而数量过多则会提高运行成本，并易造成烟气带水。由于双涡系统的传质效果好，所以液气比一般为0.5～0.8。喷管与涡流装置间的角度直接关系到液气传质，如果角度控制不好，就会产生径向流从而影响脱硫除尘效率。
2.2 中心力场装置
中心力场装置的直径大小必须要能保证高速烟气气流在中心力场装置中形成类似“龙卷风”的涡流，但同时也应充分考虑到相应阻力的增加。
2.3 在涡流式液气传质装置底部的“水封”高度
“水封”高度即“水封”液面至涡流式液气传质装置底部的高度。该高度必须达到使烟气能带动在“水封”位置的碱液也高速旋转形成流化床，而且必须保证涡流液气传质装置不会积灰，同时还应注意烟气带水、阻力增加、水向烟道倒流的问题。
2.4 除雾装置
除雾装置的结构直接关系到除雾效果及阻力大小。通过对不同结构的试验后，确定采用类似“透平”的高效涡流结构除雾脱水装置。我们认为，除装置本身的结构尺寸外，中心力场装置顶部与除雾器间的距离和除雾器上部的直段部分均对除雾效果的好坏与阻力大小有较大影响。
2.5 材质
整个洗涤器可利用进口耐磨耐腐的不锈钢制造，这样可以整体安装，重量轻、体积小，但价格贵。也可以采用花岗岩作为筒体及涡轮、中心力场装置材质，而其它部件采用进口耐磨耐腐不锈钢材质，这样价格较低，寿命长，但安装时间相对较长。
2.6 脱硫碱液
脱硫碱液最好采用碱性废液(如造纸、印染等行业碱性废水或锅炉冲渣水)，也可以采用石灰或碱性废渣(如电石渣等)作脱硫剂，以达到以废治废、综合利用、降低运行成本的目的。在不具备上述条件时，我们认为采用双碱法是最佳的选择。
3 实际工程应用
该技术在热电厂锅炉改造与新建中的应用表明：该系统运行正常、烟气不带水。经国家除尘设备监测单位的认证检测，结果如下(锅炉型号CG35/3.82ML4): 表2为中国环境保护产品认定技术条件的“花岗石类湿式烟气脱硫除尘装置”中的技术性能规定。从表1、2、3中可看出双涡烟气洗涤系统的技术、经济性能各项指标均优于国家规定的标准。
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4 结论
(1)涡流烟气净化装置利用涡流与中心力场技术，使烟气净化装置中气、液传质效果好，达到了高效除尘脱硫的效果，尤其对亚微米粒径尘粒有较高的捕获率。对粒径＜10μm的尘粒的捕获率可达84.87%；对粒径＜2.5μm的尘粒的捕获率可达38.45%；分级效率(dcso)为 118μm。
(2)涡流烟气净化装置阻力小(≤800Pa)，液气比低(0.6～ 0.8L/m3)，烟气含水率小(＜8%)。
(3)技术经济综合指标先进，除尘效率＞98%，在层燃炉中烟尘排放浓度＜90mg/Nm3，脱硫效率(进水pH为9时)＞ 70%。而且，通过计算可知每去除一吨SO2所需成本为82元，去除一吨烟尘需78元。
(4)涡流装置的叶片数量、结构、布置、筒壁间隙；喷管直径、布置、供水量；中心力场的结构尺寸、中心筒高度与直径；除雾装置的结构与位置；净化装置中各部件的尺寸的相互关系等都直接影响到双涡烟气净化装置的技术经济性能。
(5)脱硫剂宜用碱性废渣废水或采用双碱法，为保证较高的脱硫效率及较少的运行费用，循环系统必须合理设计、正确运行。
(6)该技术的实际应用情况良好，不仅具有良好的技术、经济性能，还解决了喷头堵塞、烟气带水、结垢结灰等问题。而且该系统运行稳定、维修量小、简单耐用、耗水量小。
涡流技术的研制成功，为我国燃煤锅炉或电站、核电站的高效除尘脱硫，尤其是对亚微米粒径烟尘的高效捕获提供了新的科技成果。
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