前言：随着环保法规的日趋严格，减少二氧化硫（SO₂）排放成为工业烟气处理的重要目标。湿法烟气脱硫技术因其高效率和广泛的适用性而备受关注。然而，传统湿法脱硫塔在运行过程中存在传质效率低、能耗大等问题。为改善这些问题，本研究设计了一种湍流提效装置，并进行了相应的热态实验，以探究其对脱硫性能的影响。实验过程中采用石灰石-石膏法吸收SO2,以CaCO3浆液做脱硫剂,并以SO2混合空气,经升温处理后作为模拟烟气。气体流速采用手持式L型皮托管风速仪(MP120)测定;液体流量采用电磁流量计(JY-LDE-40,流量范围0.45~67m3/h)测定;湍流层间的阻力由压力探头测定,由串口数据集成终端读取并显示;SO2浓度由烟气分析仪(TH-990F(II),检测范围为0~5000mg/m3)测定^[1]。

1实验部分

1.1实验材料与测定分析方法

在实验过程中，为了探究石灰石-石膏法对于吸收二氧化硫（SO2）的效果，研究人员采用了CaCO3浆液作为脱硫剂。他们首先将CaCO3配置成一定浓度的浆液，并以此作为吸收剂。同时，为了模拟真实的烟气环境，他们将SO2与空气混合，并通过升温处理使其达到所需的温度。这样配置出的模拟烟气可以更好地反映实际工况下的二氧化硫吸收情况。

在实验过程中，他们对气体流速采用了手持式L型皮托管风速仪（MP120）进行测定。这种仪器可以精确地测量气体流速，并确保实验数据的准确性。对于液体流量，他们则采用了电磁流量计（JY-LDE-40）。该流量计的流量范围为0.45～67 m3/h，能够满足实验的需求。湍流层间的阻力则是由压力探头进行测定的。为了方便数据的管理和显示，他们采用了串口数据集成终端来读取并展示这些数据。

为了准确测定模拟烟气中二氧化硫的浓度，他们使用了烟气分析仪（TH-990F(Ⅱ)）。该分析仪的检测范围为0～5000 mg/m3，能够满足实验中可能出现的各种二氧化硫浓度情况。通过这些设备的精确测量和记录，实验人员可以实时监测和分析石灰石浆液对二氧化硫的吸收效果，从而为后续的数据分析和实验优化提供有力的支持。

1.2 实验装置及操作步骤

实验过程中，为了探究石灰石-石膏法对于吸收二氧化硫（SO2）的效果，研究人员采用了CaCO3浆液作为脱硫剂。他们首先将CaCO3配置成一定浓度的浆液，并以此作为吸收剂。同时，为了模拟真实的烟气环境，他们将SO2与空气混合，并通过升温处理使其达到所需的温度。这样配置出的模拟烟气可以更好地反映实际工况下的二氧化硫吸收情况。通过增加湍流旋汇装置，可以根据负荷的变化更灵活的调整喷淋层投入层数，降低脱硫系统的厂用电率，也提高了整个脱硫系统的可靠性。同时由于压损较低，也为将来烟风系统改造保留了裕量^[2]。

在脱硫反应进行的过程中，科研团队关注并研究了多个关键操作参数对整体脱硫性能的影响。这些参数包括但不限于气体流速，即烟气在脱硫塔内的流动速度；液气比（L/G），即单位时间内吸收剂浆液体积流量与烟气体积流量的比值；以及浆液浓度，即吸收剂浆液中活性成分的含量及其整体密度。通过精细调节这些参数，得以深入探讨它们如何作用于脱硫反应的过程，并影响最终脱硫效率。

与此同时，一套精密的数据采集系统实时监测并记录了实验过程中的一系列关键参数。这些数据的实时获取对于准确掌握实验过程中的动态变化、评估脱硫效果以及优化工艺条件具有决定性作用。这为后续的数据分析、模型建立及理论验证提供了强有力的实验支撑。

实验操作的详细步骤如下：首先，根据预设的实验条件，精心布置吸收塔内部的湍流层结构；在正式运行前，对整个系统进行全面检查，确保各项设备与设施均处于正常状态；随后，启动浆液制备系统，制备出一定浓度的碳酸钙浆液，并通过管道泵入吸收塔内，开始进行喷淋操作；紧接着，调节相关阀门及其他设备参数，密切观察设备示数变化，直至液体流量稳定在预设的工作状态；待液体流量稳定后，启动模拟烟气系统，通过调节风机及电加热器的功率输出，精确控制风量大小和温度水平，使其达到预设的工况条件；经过约20分钟的稳定运行后，开启配气系统，并在进气口处测量并记录二氧化硫浓度值，调整至设定的目标浓度并确保其保持稳定；在试验期间，通过观测湍流边界层之前和之后的空气压力，在每一段都布置两个测点来减少误差，然后求出两段的平均压力差，就是该区域的系统压力损失。最后，对吸附柱出口处的SO2进行了再测量，以评价其脱硫效率。完成上述步骤后，，结合试验需要，对吸收塔中的湍流结构和操作条件进行调整。重复以上过程，进行多组对照试验及资料收集^[3]。2. 结果与讨论

2.1 湍流层结构对脱硫性能的影响

实验结果深刻地揭示了湍流层结构在烟气脱硫过程中的重要作用。在特定的实验条件下，当烟气通过设计合理的湍流层时，其与吸收剂之间的相互作用得到了显著增强。湍流层通过增加流体内部的混合和扰动，极大地提升了烟气与吸收剂浆液之间的接触面积，使得两者能够更充分、更均匀地发生反应，从而大幅度提高了脱硫效率。

具体来说，在实验中设定的工况条件下：吸收液浓度为10%（含固量），浆液的pH值为5.8，以及塔内气体流速为3.6 m/s的情况下，对比了三种不同类型的湍流结构——无湍流结构、管栅式湍流结构（直径为a mm）和球式湍流结构（直径也为a mm）。通过对这三种情况进行对比分析，可以发现，与没有设置湍流层的传统脱硫塔相比，采用湍流提效装置的脱硫塔在脱硫效率上有了明显的优势。

2.2 球式湍流结构对于脱硫性能的影响

2.2.1 球间距对于脱硫性能的影响

在进口烟气温度为70℃，塔内气速为3.6m/s，二氧化硫浓度（ρ(SO2)）为2000mg/m3，浆液浓度（含固量）为10%，浆液pH值为5.8，气液比（L/G）为8L/m3的特定工况下，通过试验研究了不同位置的烟气脱硫效果，并分析了烟气中不同位置的烟气脱硫效果。试验表明，在烟气中，颗粒间的距离是决定烟气脱硫效果的重要因素。

2.2.2 气体流速对脱硫性能的影响

当气速由3.0 m/s逐步提升至4.0 m/s时，其过程中所引起的阻力增幅大致介于0.5至0.8 kPa的区间内。这一现象在3.0至3.6 m/s的气速增速区间内表现得尤为明显，在这一范围内，不同L/G（液气比）下的阻力变化相对平稳，呈现出一种较为线性的增长趋势，大约每增加0.6 m/s的气速就会伴随着0.4 kPa左右的阻力增长。然而，当气速从3.6 m/s跃升至4.0 m/s时，低L/G条件下的阻力增幅出现了显著的降低，这种降低现象在极端情况下甚至达到了0.1 kPa。

这一现象的背后原因主要在于气速提升带来的多方面影响：随着气流速度的增大，气体与液体之间的相对运动加剧，导致了黏性阻力显著增强，即气液界面间的摩擦力增大，这是造成阻力上升的主要原因。此外，在高气速下，流体更容易失去稳定性，形成剧烈的湍流流动甚至产生液泛现象。这种情况下，不仅加剧了气体流通截面处的局部阻力，而且由于有效流通面积大幅减小，进一步推高了整体流通阻力。

脱硫塔在处理烟气过程中的脱硫效率与气体流速之间存在密切关系。理论上讲，在一定范围内增加气体流速可以提升脱硫反应的速度和效率，因为这有利于增加气液两相间的接触机会和反应时间，进而提高脱硫率。然而，流速并非越高越好，因为它同时也影响着烟气在塔内的停留时间。当气体流速超过某一最佳值时，单位时间内烟气通过脱硫塔的体积增大，导致烟气在塔内的平均停留时间缩短。如果停留时间过短，可能无法保证充分的脱硫反应进程，反而会降低脱硫效率。

因此，在实际运行过程中，操作人员需要根据脱硫塔的设计规格、工艺要求以及实际工况等诸多因素来精细调节和优化气体流速。选定3.6 m/s的塔截面气速是一个兼顾了高效脱硫与合理阻力的明智选择：在这个速度下，既能确保高脱硫效率的实现，又能将L/G（液气比）和塔内阻力控制在较为适宜的水平。同时，还应在保证脱硫效果的基础上，尽量避免过高的气体流速导致的潜在问题，如湍流层阻力过大、烟气停留时间不足等不利影响^[4]。

2.2.3 L/G（液气比）对脱硫性能的影响

L/G（液气比）在脱硫工艺中是一个关键的参数，它直接关系到脱硫系统的性能和效率。液气比的定义是脱硫过程中所使用的浆液或吸收剂与处理烟气体积的比值，这个参数对于脱硫效率、设备能耗以及浆液或吸收剂的利用率都有着重要的影响。

实验结果表明，在一定范围内，增加L/G值可以提高脱硫效率。这是因为较高的L/G值意味着有更多的浆液或吸收剂与烟气接触，增加了反应面积和反应时间，从而提高了对二氧化硫等有害物质的吸收和去除效果。然而，这并不意味着L/G值越高越好。过高的L/G值可能会导致设备能耗增加，因为需要更多的浆液或吸收剂来处理一定量的烟气，同时也可能导致浆液浪费，因为过量的浆液可能无法完全与烟气反应，从而造成资源浪费和成本增加。

因此，在实际操作中，选择合适的L/G值需要综合考虑能耗和脱硫效率之间的关系。一方面，要保证脱硫效率达到预设的目标值；另一方面，要尽量降低设备能耗和浆液浪费，以实现经济高效的脱硫操作。这通常需要通过实验和模拟计算来确定最佳的L/G值，并根据实际情况进行动态调整^[5]。

2.2.4 浆液浓度对脱硫性能的影响

浆液浓度在脱硫工艺中扮演着至关重要的角色，它是影响脱硫效率的另一个关键因素。适当的浆液浓度是确保脱硫反应顺利进行、提高脱硫效率以及维持系统稳定运行的基础。在实验条件下，我们可以观察到，在一定范围内，随着浆液浓度的逐步增加，脱硫效率呈现出明显的上升趋势。这是因为较高的浆液浓度意味着单位时间内有更多的脱硫剂参与到反应过程中，能够更有效地吸收和转化烟气中的二氧化硫，从而达到提高脱硫效率的目的。

然而，这一正效应并非无限制，当浆液浓度超过某一临界值时，可能会带来一系列负面影响。过高的浆液浓度会导致浆液粘稠度增大，流动性变差，进而增加浆液输送过程中的难度，可能导致泵浦功率消耗增大、管道堵塞频繁发生等问题。同时，高浓度浆液对设备部件如搅拌器、喷嘴等造成的磨损也会显著加剧，缩短设备使用寿命^[6]。

因此，在实际的脱硫系统运行过程中，操作人员必须根据设备性能参数、脱硫效率要求以及经济性考量等因素，精心调整并维持在一个既能保证高效脱硫又能确保设备安全稳定运行的理想浆液浓度水平上。这既涉及到对工艺条件的精细化管理，也体现了工程实践中技术优化与成本控制的双重目标。

结语：通过在塔中设置紊流结构，使烟气的脱硫效果得到了极大的改善。结果表明，在同样的开孔条件下，新的球形紊流结构具有较小的阻力和较高的脱硫效率。采用增加烟气流速、增加 L/G和适当的浆液浓度等措施，可以使烟气的紊动效应得到进一步的改善，从而提高脱硫效率。利用新的球形湍流层，可以有效地减小紊流结构的阻力，提高脱硫效率；具有很好的工业应用前景。 

参考文献：

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[2]蒋惠梦,谷小兵,余苏玲,et al.湿法烟气脱硫喷淋塔的阻力特性研究[J].环境保护科学,2017,43(31):45-46.

[3]刘宁.湿法烟气脱硫塔湍流提效装置的阻力特性研究[J].科技资讯, 2019,13(25):345:084-085.

[4]孙克勤,周山明,仲兆平,等.大型烟气脱硫塔的流体动力学模拟及优化设计[J].热能动力工程, 20018，321（323）：456-457.

[5]周山明,金保升,仲兆平,等.大型烟气脱硫塔的流体动力学模拟及优化设计[J].东南大学学报：自然科学版, 2018,35(132):022-023.

[6]谷小兵,赵怡凡,肖志均,等.一种湿法脱硫提效的湍流管栅装置及脱硫吸收塔:CN201520398519.X[P].CN204841404U[2024-07-04].