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[摘 要]目前，我国对危险废物焚烧烟气处理技术的分类，通常是根据酸性气体的去除技术划分为干法、半干法和湿法三类。本文所称的喷雾干燥吸收工艺即属半干法工艺。
[关键词]喷雾干燥吸收 ； 危险废物 ； 焚烧烟气
中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-00214-01
1 引言
喷雾干燥吸收工艺，是上世纪70年代由美国等发展形成的危险废物焚烧烟气处理工艺，由于其反应效果好、运行费用低，在国内外均得到广泛应用。由于危险废物焚烧烟气中的粉尘通过布袋除尘器；重金属通过活性炭吸附；有机毒物通过1100℃高温停留2s、在600℃—200℃停留1s内急冷和活性炭吸附，均能达到理想的脱除效果。
2 喷雾干燥吸收工艺的技术原理和工艺流程
2.1 技术原理
喷雾干燥工艺是利用机械或气流将吸收液分散为极其细小的微粒（小于 100μ m），与被处理烟气形成极大的接触表面积， 按每个液滴直径 100μ m 计，则1m3吸收液可达到60×103m2的表面积。当吸收液与烟气一接触就迅速发生热量交换、化学反应及质量传递。
在喷雾干燥工艺中，酸性气体的吸收过程实际包括气相传质、液相传质、固相溶解以及液相中的化学反应等过程。在假定稳态传质的情况下，气相和液相之间存在双膜薄层，液相和固相之间也存在着一层液膜，所以酸性气体的吸收过程可以采用双膜理论进行分析。
双膜理论：两相界面的两侧都存在有一边界层薄膜，他们构成物质从一相传递到另一相时的阻力；在两相界面上达到了动态平衡，即传质过程是在稳态下进行的在每一相的薄膜内的传质速度与该组分在相的主流体与界面上的浓度差或者分压差成正比；在各相的薄膜传质过程彼此之间是独立的，因此各相薄膜的阻力可以串联相加的。
图1中：PA为气相中酸性气体的分压；PAi为气液相界面酸性气体的分压；CAi为界面酸性气体的浓度；CBO为液相主体碱性物质的浓度；CBS为液相主体碱性物质的饱和浓度。
2.2工艺流程简述
碱液由片碱加水搅拌成10%浓度溶液，经除酸塔雾化器雾化成70—150μm的雾滴，与烟气中的酸性物质（SO2、HCl等）发生中和反应，由于被雾化的碱液雾滴与烟气是逆向流，受向上的热气流作用，较小较轻的雾滴会随烟气流上升或悬浮，在喷嘴处形成一个碱性物质高密度区域，这样对低浓度酸性气体的中和会产生十分有效的作用，除酸塔出口烟气温度为180℃。经过急冷塔和除酸塔后的烟气带着干燥的粉尘进入袋式脉冲除尘器净化。
3试验的工艺参数及其控制
3.1工艺参数
供试的某危险废物焚烧处置厂，其焚烧烟气经急冷塔降温之后，进入喷雾干燥塔脱除酸性气体。根据设计，主要工艺参数如下：Na/0.5s+Cl=1.05；液滴粒径30—70um；碱性溶液浓度10%；烟气流速4m/s；烟气在塔内停留时间4s。
3.2工艺参数的控制
本试验通过以下方式来改变以上所述的各工艺参数：通过控制急冷塔的用水量来控制烟气进入喷雾干燥塔的烟气进口温度；通过控制碱液制备槽中片碱的加入量，来控制进入喷雾干燥塔碱液的化学计量比；在单位时间（这里是1h）加入片碱量一定的条件下，通过控制碱液制备槽中的用水量来控制碱液的浓度，从而控制喷雾干燥塔的烟气出口温度；通过更换喷雾干燥塔的喷嘴型号，从而改变进入喷雾干燥塔内碱性液滴的粒径。
3.3 酸性气体的测定
本试验只对氯化氢（HCl）和二氧化硫（SO2）的脱除效率进行研究，其含量由烟气在线监测仪获得。
4 试验结果及其分析
4.1 烟气入口温度对脱酸率的影响
在保证其它运行参数不变的条件下，随着喷雾干燥塔入口烟气温度升高，酸性气体的脱除效率也提高，但是提高幅度相当小。经过其他学者的研究，入口烟气温度的提高与脱酸效率之间的关系是相当的复杂的。从理论上来分析主要原因为：①烟气入口温度增加，烟气的绝热饱和温度也随着升高，所以通过热传递使液滴的温度亦增加。气液温度增加，单个液滴中HCl、SO2的溶解度减小，这会就使得塔内HCl、SO2的吸收速率也减小。②入口烟气温度提高，在保证出口温度一定的条件下，需要喷入水量升高，如果液滴粒径不变，则反应塔内的液滴个数增加，这样就增加了反应接触面积，提高了脱酸效率。③从传热的角度出发，入口烟气温度的升高，使得烟气与液滴之间的传热温差也增大，从而导致水分的蒸发速率也增大，液滴的蒸发时间缩短，这是不利于酸性气体去除的。
4.2 碱液浓度对脱酸率的影响
NaOH溶液浓度的改变，实际上就是控制进入喷雾干燥塔的水量。通过控制水量主要有2个效果：通过控制进塔水量来控制塔出口的烟气温度，也就是控制烟气的近绝热饱和温度；通过控制进塔水量来控制液滴的数量，从而控制水分的蒸发时间。在喷雾干燥工艺中，控制进塔水量是至关重要的。特别是对控制烟气的出口温度来说，直接关系着塔内的反应温度。然而事实上，在喷雾干燥法处理危险废物焚烧烟气的过程中，烟气是不会达到饱和状态的。最主要的原因是因为尽管反应塔有良好的保温措施，但事实上还是做不到绝热状态。所以，理论上和实践中还是有很大的差别。
4.3 化學计量比对脱酸率的影响
随着化学计量比的增加，HCl和SO2的脱除效率也就越高，从而烟气的出口HCl和SO2的浓度也就越低。这是因为化学计量比的增加意味着NaOH加入量增加，从而使进入塔内的液滴中OH-的浓度升高。从化学反应平衡的角度出发，增加反应物的量，也就是反应推动力增加，有利于反应向生成物的方向进行而提高脱酸效率；增加NaOH的用量意味着液相传质阻力减小，即减小了HCl、SO2等酸性气体向NaOH液滴表面的阻力（因为液膜传质系数增大了），使脱酸效率提高；NaOH的量增加了，这就意味着液滴表面的那层水膜变薄了（假设的单个液滴的粒径不会改变），使液滴的蒸发时间增加从而提高脱酸效率。在NaOH溶液的浓度不是很大的情况下，NaOH浓度的改变导致液滴干燥时间缩短对脱酸效率所造成的影响要远小于它对传质阻力和传质推动力的影响，因此，总体上来说，化学计量比的增加，喷雾干燥塔内的脱酸效率还是升高的。当化学计量比增加到1.05时，SO2的脱除效率就超过了HCl的脱除效率。这是因为HCl与NaOH反应生成的NaCl的溶解度很大，NaCl降低了液滴中蒸发压力，从而延长了液滴的蒸发时间，这样对后续SO 2 的吸收是有利的。
4.4 碱液雾滴粒径对脱酸率的影响
在其他参数不变的条件下，减小喷淋液滴的粒径，意味着进入喷雾干燥塔内的颗粒物的数量增加，从而增大了NaOH液滴与酸性气体接触的表面积，这对酸性气体的去除是有利的。但是，减小液滴的粒径对增加烟气的脱酸效果并不是很明显，这主要是因为本模型假设是气液反应，减小液滴的粒径也就意味着单个液滴的厚度变小了，这是不利于气液传质的。
结论
本文主要研究了烟气进口温度、化学计量比、NaOH溶液的浓度、液滴的粒径对喷雾干燥塔脱酸效率的影响。根据数学模型的理论计算与现场的运行经验，可以确定喷雾干燥工艺运行的基本工况为：烟气经过急冷后进入喷雾干燥塔的最佳温度为200℃，喷雾干燥塔内碱液与酸性气体的当量比为1.05，碱性溶液的浓度为8%—10%为最佳，喷嘴喷出液滴的半径为50—70μm。在进行工艺设计时，上述工艺参数可作为设计的基本条件。
[关键词]喷雾干燥吸收 ； 危险废物 ； 焚烧烟气
中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-00214-01
1 引言
喷雾干燥吸收工艺，是上世纪70年代由美国等发展形成的危险废物焚烧烟气处理工艺，由于其反应效果好、运行费用低，在国内外均得到广泛应用。由于危险废物焚烧烟气中的粉尘通过布袋除尘器；重金属通过活性炭吸附；有机毒物通过1100℃高温停留2s、在600℃—200℃停留1s内急冷和活性炭吸附，均能达到理想的脱除效果。
2 喷雾干燥吸收工艺的技术原理和工艺流程
2.1 技术原理
喷雾干燥工艺是利用机械或气流将吸收液分散为极其细小的微粒（小于 100μ m），与被处理烟气形成极大的接触表面积， 按每个液滴直径 100μ m 计，则1m3吸收液可达到60×103m2的表面积。当吸收液与烟气一接触就迅速发生热量交换、化学反应及质量传递。
在喷雾干燥工艺中，酸性气体的吸收过程实际包括气相传质、液相传质、固相溶解以及液相中的化学反应等过程。在假定稳态传质的情况下，气相和液相之间存在双膜薄层，液相和固相之间也存在着一层液膜，所以酸性气体的吸收过程可以采用双膜理论进行分析。
双膜理论：两相界面的两侧都存在有一边界层薄膜，他们构成物质从一相传递到另一相时的阻力；在两相界面上达到了动态平衡，即传质过程是在稳态下进行的在每一相的薄膜内的传质速度与该组分在相的主流体与界面上的浓度差或者分压差成正比；在各相的薄膜传质过程彼此之间是独立的，因此各相薄膜的阻力可以串联相加的。
图1中：PA为气相中酸性气体的分压；PAi为气液相界面酸性气体的分压；CAi为界面酸性气体的浓度；CBO为液相主体碱性物质的浓度；CBS为液相主体碱性物质的饱和浓度。
2.2工艺流程简述
碱液由片碱加水搅拌成10%浓度溶液，经除酸塔雾化器雾化成70—150μm的雾滴，与烟气中的酸性物质（SO2、HCl等）发生中和反应，由于被雾化的碱液雾滴与烟气是逆向流，受向上的热气流作用，较小较轻的雾滴会随烟气流上升或悬浮，在喷嘴处形成一个碱性物质高密度区域，这样对低浓度酸性气体的中和会产生十分有效的作用，除酸塔出口烟气温度为180℃。经过急冷塔和除酸塔后的烟气带着干燥的粉尘进入袋式脉冲除尘器净化。
3试验的工艺参数及其控制
3.1工艺参数
供试的某危险废物焚烧处置厂，其焚烧烟气经急冷塔降温之后，进入喷雾干燥塔脱除酸性气体。根据设计，主要工艺参数如下：Na/0.5s+Cl=1.05；液滴粒径30—70um；碱性溶液浓度10%；烟气流速4m/s；烟气在塔内停留时间4s。
3.2工艺参数的控制
本试验通过以下方式来改变以上所述的各工艺参数：通过控制急冷塔的用水量来控制烟气进入喷雾干燥塔的烟气进口温度；通过控制碱液制备槽中片碱的加入量，来控制进入喷雾干燥塔碱液的化学计量比；在单位时间（这里是1h）加入片碱量一定的条件下，通过控制碱液制备槽中的用水量来控制碱液的浓度，从而控制喷雾干燥塔的烟气出口温度；通过更换喷雾干燥塔的喷嘴型号，从而改变进入喷雾干燥塔内碱性液滴的粒径。
3.3 酸性气体的测定
本试验只对氯化氢（HCl）和二氧化硫（SO2）的脱除效率进行研究，其含量由烟气在线监测仪获得。
4 试验结果及其分析
4.1 烟气入口温度对脱酸率的影响
在保证其它运行参数不变的条件下，随着喷雾干燥塔入口烟气温度升高，酸性气体的脱除效率也提高，但是提高幅度相当小。经过其他学者的研究，入口烟气温度的提高与脱酸效率之间的关系是相当的复杂的。从理论上来分析主要原因为：①烟气入口温度增加，烟气的绝热饱和温度也随着升高，所以通过热传递使液滴的温度亦增加。气液温度增加，单个液滴中HCl、SO2的溶解度减小，这会就使得塔内HCl、SO2的吸收速率也减小。②入口烟气温度提高，在保证出口温度一定的条件下，需要喷入水量升高，如果液滴粒径不变，则反应塔内的液滴个数增加，这样就增加了反应接触面积，提高了脱酸效率。③从传热的角度出发，入口烟气温度的升高，使得烟气与液滴之间的传热温差也增大，从而导致水分的蒸发速率也增大，液滴的蒸发时间缩短，这是不利于酸性气体去除的。
4.2 碱液浓度对脱酸率的影响
NaOH溶液浓度的改变，实际上就是控制进入喷雾干燥塔的水量。通过控制水量主要有2个效果：通过控制进塔水量来控制塔出口的烟气温度，也就是控制烟气的近绝热饱和温度；通过控制进塔水量来控制液滴的数量，从而控制水分的蒸发时间。在喷雾干燥工艺中，控制进塔水量是至关重要的。特别是对控制烟气的出口温度来说，直接关系着塔内的反应温度。然而事实上，在喷雾干燥法处理危险废物焚烧烟气的过程中，烟气是不会达到饱和状态的。最主要的原因是因为尽管反应塔有良好的保温措施，但事实上还是做不到绝热状态。所以，理论上和实践中还是有很大的差别。
4.3 化學计量比对脱酸率的影响
随着化学计量比的增加，HCl和SO2的脱除效率也就越高，从而烟气的出口HCl和SO2的浓度也就越低。这是因为化学计量比的增加意味着NaOH加入量增加，从而使进入塔内的液滴中OH-的浓度升高。从化学反应平衡的角度出发，增加反应物的量，也就是反应推动力增加，有利于反应向生成物的方向进行而提高脱酸效率；增加NaOH的用量意味着液相传质阻力减小，即减小了HCl、SO2等酸性气体向NaOH液滴表面的阻力（因为液膜传质系数增大了），使脱酸效率提高；NaOH的量增加了，这就意味着液滴表面的那层水膜变薄了（假设的单个液滴的粒径不会改变），使液滴的蒸发时间增加从而提高脱酸效率。在NaOH溶液的浓度不是很大的情况下，NaOH浓度的改变导致液滴干燥时间缩短对脱酸效率所造成的影响要远小于它对传质阻力和传质推动力的影响，因此，总体上来说，化学计量比的增加，喷雾干燥塔内的脱酸效率还是升高的。当化学计量比增加到1.05时，SO2的脱除效率就超过了HCl的脱除效率。这是因为HCl与NaOH反应生成的NaCl的溶解度很大，NaCl降低了液滴中蒸发压力，从而延长了液滴的蒸发时间，这样对后续SO 2 的吸收是有利的。
4.4 碱液雾滴粒径对脱酸率的影响
在其他参数不变的条件下，减小喷淋液滴的粒径，意味着进入喷雾干燥塔内的颗粒物的数量增加，从而增大了NaOH液滴与酸性气体接触的表面积，这对酸性气体的去除是有利的。但是，减小液滴的粒径对增加烟气的脱酸效果并不是很明显，这主要是因为本模型假设是气液反应，减小液滴的粒径也就意味着单个液滴的厚度变小了，这是不利于气液传质的。
结论
本文主要研究了烟气进口温度、化学计量比、NaOH溶液的浓度、液滴的粒径对喷雾干燥塔脱酸效率的影响。根据数学模型的理论计算与现场的运行经验，可以确定喷雾干燥工艺运行的基本工况为：烟气经过急冷后进入喷雾干燥塔的最佳温度为200℃，喷雾干燥塔内碱液与酸性气体的当量比为1.05，碱性溶液的浓度为8%—10%为最佳，喷嘴喷出液滴的半径为50—70μm。在进行工艺设计时，上述工艺参数可作为设计的基本条件。