李荫堂 于 涛 李 军
(西安交通大学环境工程系，西安710049)视频文件加密
摘 要 对于烟气脱硫喷淋塔中的雾化浆液液滴在塔内的运动以及停留时间进行了分析计算。给出了液滴下落速度 随时间的变化；计算了单个液滴及浆液总体的停留时间。结果表明，对于粒径为d p =113～310mm 的单个液滴，停留时间为t =310～113s ；雾化液滴尺寸分布对总体停留时间影响显著；合适的雾化液滴尺寸应为d p =017～115mm 。
关键词 烟气脱硫 喷淋塔 雾化 液滴尺寸
R esidence time of droplets in a spray scrubber for FG D
Li Y intang Yu Tao Li J un
(Department of Environmental Engineering ,Xi ’an Jiaotong University ,Xi ’an 710049)
Abstract The motion and residence time were analyzed and calculated for the atomized absorbent droplets in a spray scrubber for the flue gas desulfuration.A relation was given to describe that the dropping velocity changes with time.The residence time was calculated for the single droplet and the total droplets.It was shown that the residence time is t =3～1.3s for the droplets with d p =1.3～3mm ;the atomized droplets size distribution affects the total residence time obviously ;and the appropriate sizes of droplets should be d p =0.7～1.5mm.
K ey w ords flue gas desulfuration ;spray scrubber ;atomization ;droplets size
收稿日期:2003-09-04；修订日期:2003-11-04作者简介：李荫堂(1955～)，男，副教授，主要研究方向：大气环境与
污染控制。E 2mail :ytli @mailxjtu.edu
喷淋塔已逐渐成为湿式烟气脱硫吸收塔的主流塔型。目前我国喷淋塔的技术、设备等主要依赖进口；国内对于喷淋塔内的流体力学特性研究很少[1]。李仁刚等[1]实验测量了粒径较大的液滴的下落速
度；唐志永等[2]对空塔进行了气相流动数值模拟；曾芳等[3]对卧式喷淋塔的气液两相流动进行了数值模拟。喷淋塔一般为立式、逆流，烟气向上流过，吸收液从上部引入，喷雾淋洒，形成较大的气液接触界面，在下落过程中进行SO 2的吸收反应。喷嘴工作状况、烟气流速等决定了浆液从喷出到下落至浆液池所经历的时间。气液停留时间是反应效率的重要影响因素。烟气流速一般为3m/s ，不同的喷淋塔
变化不大。本文着重讨论雾化浆液在塔内的停留时间。吸收浆液雾化对脱硫效率产生重要影响:(1)喷嘴雾化状况，包括每只喷嘴的流量分配、雾化角、雾
粒空间分布(空心锥、实心锥)等影响浆液空间分布,
亦即影响与烟气接触的均匀性;(2)雾粒尺寸及其尺寸分布影响空间气液接触面积;(3)出口速度影响液滴初速度，即影响下落速度。
本文对喷淋塔一般使用的雾化喷嘴的性能和常见条件进行讨论。例如，空心锥喷嘴，雾化角90°，液滴尺寸为d p =1132～2195mm [4]，喷出速度为10m/s ，烟气流速取3m/s ，烟气温度取55℃。据此，可确定液滴的下落初始速度。以空心雾化角90°，则垂直向下的分速度为7107m/s ；再加上烟气向上流速3m/s ，则液滴与烟气的初始相对速度约为u 0
=10m/s 。液滴雷诺数为Re =ud p /ν，其中u =u 0
～u t ,u t 为液滴终端沉降速度；烟气(55℃)运动粘度ν=11734×10-5m 2/s 。例如，对于液滴d p =015～310mm ，考虑液滴d p =015mm 的u t 和液滴d p =310mm 的u 0
,Re 范围是288～1730。1
液滴的速度变化假设:①液滴为圆球;②液滴互不碰撞;③忽略
蒸发导致的尺寸减小，即液滴下落过程中尺寸不变;④忽略浮力。则液滴向下的运动方程为:
第5卷第10期环境污染治理技术与设备
Vol.5,No.102004年10月Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control
Oct .2004
m d u
d t
=m g-f d(1)
式中:m—单个液滴质量,m=ρpπd p3/6;f d—阻力。
f d=C d πd
p
2
4
×
ρu2
2
(2)
在雷诺数2～2000范围内，阻力系数可取:
C d=24
Re
(1+0.15Re0.687)(3)
液滴运动方程为:
d u d t =g-A u2 式中:A=
3C dρ
4d pρp
(4)
由此积分得:
1 2a ln a
+u
a-u
u
u
o
=A t(5)
式中:a=g/A，即终端速度u t，于是，式(5)可写作:
u t+u u t-u =
u t+u0
u t-u0
e2g A t(6)
此即液滴下落过程中速度(u0～u t)随时间的变化。2 液滴的终端沉降速度
在前述假设条件下，液滴下落阻力与重力平衡时，液滴进入匀速下降阶段，即达到终端沉降速度u t。由式(4),d u/d t=0，得
u t=4d pρp g
3C dρ
(7)
亦即u t=g/A。C d计算如式(3)。例如，烟速3m/s，烟温55℃，对于液滴d p=1132mm、2195 mm，其u t分别为517m/s、918m/s；即液滴下落绝对终端速度分别是217m/s、618m/s。
异形玻璃3 弛豫时间
由运动方程(6)可见，液滴要从初始速度达到终端速度，所需时间理论上是无穷大的。因此在颗粒运动学中定义了弛豫时间，比如从初速到静止的运动颗粒，速度减到初速的1/e所需的时间称为弛豫时间。这里我们定义液滴从u0到u=01368(u0-u t)+u t所需的时间为液滴弛豫时间t e。
近似取初始雷诺数为Re值，用式(3)计算C d；对于d p=1132mm、2195mm的液滴，弛豫时间是: d p=1132mm，从u0=10m/s到u=7128m/s所需时间，由式(6)，得t=01235s；类似地,d p=2195 mm,t=015s。在这段时间走过的路程，由d s= u d t，可通过简单的数值计算得出。4 单个液滴停留时间
液滴停留时间随粒径迅速变化。太小的液滴(d p<015mm)喷出后很快被烟气带走。较小的液滴(d p=015～017mm),u t略大于烟速，下落很慢，停留时间太长。太大的液滴(d p>3mm)下落速度很快，
停留时间很短。
4.1 临界粒径
在第1节的假设下，烟速为3m/s时，则d p= 015mm的液滴u t等于烟速，喷出后很快减速至u t，悬浮于空中，既不易随烟气飘走，也不易下落。称此值为临界粒径d c。d<d c者，被烟气带走;d> d c者，向下降落。
根据计算,d p=016mm的液滴，停留时间为2519s;d p=115mm者为215s;d p=310mm者为113s。喷淋塔中吸收反应时间需要3～5s，由此可见合适的雾化液滴粒径为017～115mm。d p>3 mm者，停留时间小于113s，而且单位质量浆液的表面积迅速变小。
4.2 尺寸为0.7～2.95mm的单个液滴的停留时间
液滴相对初速u0=10m/s，大于u t；从式(6)可知，液滴从u0减速至u t，经历时间为t→∞。这里如下近似计算：在吸收区高度为9m的范围内，这些液滴的停留时间分2段：第1阶段为减速阶段，从u0减到011(u0-u t)+u t；第2阶段为匀速阶段，即塔高(9m)减去减速阶段走过的路程，剩余路程近似认为以u t匀速下落。虽然这样低估了液滴下落速度，但考虑实际的液滴运动与前述假设的差别，浮力、蒸发作用都是使液滴下落速度减缓的因素。
减速阶段走过的路程，简单地数值积分可得。计算中仍近似取初始Re值，烟速3m/s。单个液滴在9m高度内的运动过程及总的停留时间如表1所示。
表1 单个液滴的运动过程
T able1 Motion of single droplet
d p(mm)R
e u t(m/s)t1(s)s1(m)t(s)
0.7403 3.70.330.9811.9
0.9516 4.40.42 1.44 5.85
1.0577 4.70.46 1.69 4.7
1.32761 5.70.59
2.53 2.98
1.5865 6.220.66 3.05
2.5
1.73998 6.800.74 3.73
2.11
2.011537.550.83 4.59 1.80
2.1412347.90.88 5.04 1.69
2.5514718.9 1.02 6.44 1.45
2.9517019.8 1.157.89 1.31
注:Re为初始雷诺数;t1、s1分别为第一阶段所需的时间、走过的路程
09环境污染治理技术与设备第5卷
单个液滴的停留时间和粒径之关系(见图1),
可拟合为下式:
t=4.56/d1.25
p
(8)
式中:d p=0.9～2.95mm。
计算结果表明,d p=0.7～1.5mm的液滴，停
留时间为2.5～11.9s
。
图1 单个液滴停留时间和粒径的关系
Fig.1 Relationship between residence time
and particle diameter of single droplet
5
电磁线圈液滴粒径具有相当分散的尺寸分布。对于d p
<0.7mm的雾滴，所占质量份额很小;d p>3mm
者，停留时间很短，一般份额也不大。因此，以下计
算的尺寸范围是0.7～2.95mm。
计算3种不同个数频度分布的液滴(见图2)。
根据个数频度分布可计算其相应的质量分布(见图
3)。结合表1中各尺寸液滴的停留时间，可加权平
均计算出总体停留时间。图2的3个样本，质量中
径d m分别是115、116和210mm；它们的总体停留
时间分别为216、214和119s。这就是浆液在9m
塔高内的平均停留时间
外用贴剂。
图2 个数频度分布
Fig.2 The distribution of number
frequency
图3 质量频度分布
Fig.3 The distribution of mass frequency
结果表明，液滴尺寸分布对于总体停留时间的
影响，大液滴的份额影响显著。虽然小液滴停留时
间长，但其质量份额总是很小；大液滴数目稍有增
多，其质量份额就大大增加，使总体停留时间迅速缩
短。因此，优化喷嘴喷雾状况，减少大液滴数目，对
于提高脱硫效率会有明显效果。
6 结 论
(1)单个雾化液滴，粒径为d p=1.3～3.0mm
者，停留时间为t=1.3～3.0s；本文的浆液总体停
留时间为1.9～2.6s;
(2)喷淋塔内烟速3m/s，则雾化液滴临界直径
为0.5mm，因此实际中雾化粒径要求大于0.7
mm；合适的雾化粒径范围是0.7～1.5mm。
(3)液滴尺寸分布对总体停留时间有明显影响,
尤其是较大的液滴；细小、均匀的雾化可显著延长总
体停留时间。
参考文献
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空气源热泵技术
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第10期李荫堂等：烟气脱硫喷淋塔内液滴停留时间
