第二节 烟气净化基本方法
根据烟气净化的原理可得出，烟气净化基本方法有以下四种。
（1）利用烟气通过液体层或用液体来喷洒气体，使烟气中的杂质得到分离，称为液体洗涤法或湿法气体净化。
（2）利用烟气通过一种多孔的物质，把烟气中的悬浮杂质截留分离，称为过滤法气体净化。
（3）利用机械力（如重力和离心力）的作用，使烟气中的悬浮杂质沉降分离，称为机械法气体净化。
（4）利用烟气通过高压电场，使悬浮杂质荷电并移向沉淀极而沉降分离，称为电净制法气体净化。
一、液体洗涤法气体净化
（一）空心洗涤塔
空心洗涤塔（以下简称空塔）在目前生产中应用广泛，气体多从塔底以45°角进入塔内，液体从塔顶及塔身中、下部用离心喷头（或裂缝式喷头）喷出（喷液压力为147.1kPa～196.1kPa）。气液逆流相遇，气体温度一般从380℃左右降低到65℃左右，除尘效率随气体中含尘性质及淋洒液密度的不同而有较大的差异，一般约为60％～80％，除雾效率在60％以下。
空塔的尺寸主要从传热和传质两方面来考虑，一般根据容积传热系数、热负荷、温度差等参数求取空塔容积，再根据塔内气速决定塔的主要尺寸。空塔容积一般用下式计算：
式中 V——空塔容积，m3； K——容积传热系数，W/（m3·K）；
Q——炉气释放出来的热量，kJ/h； Δt——平均温度差，℃。
式中 Δt1——入塔气体与出塔液体的温度差，℃；
Δt2——出塔气体与入塔液体的温度差，℃。
对于焙烧硫铁矿产生的烟气，气速在0.8m/s的情况下，K值一般为1675kJ/（m3·K）～2093kJ/（m3·K）。
塔内气流速度以接近气体的出口处计，一般为0.7m/s～1.5m/s（通常气体流速均以实际状态计算，不折为标准状态）。实际状态下的烟气总量除以该条件下的气流速度，即可得到所需要的塔截面积；有了塔的容积值和截面积值，即可确定塔的高度。
喷淋密度一般有两种范围，塔入口气体含尘量（标准状态）在0.2g/m3左右时，喷淋密度为12m3/（m2·h）～16m3/（m2·h）；塔入口气体含尘量（标准状态）在30g/m3～40g/m3时，喷洒密度为14m3/（m2·h）～20m3/（m2·h）。除尘效率可达50％～70％，除雾效率在50％左右，干燥效率在90％左右。
（二）湍冲洗涤塔
湍冲洗涤塔是在塔内筛板上放置一定数量的轻质球，塔顶淋洒液体，从塔的下部进气，小球在一定气速、淋洒液和自身重力的作用下，进行剧烈地旋转和翻腾，使气、液、固三相都处于高度湍动状态（故该塔又称湍球塔或三相流化塔），因而气液可充分接触。这种接触不仅发生在球的润湿表面上，而且扩大到整个湍流区域，所以它可获得比较大的气液接触表面积，同时这种接触表面是在不断更新的，比在泡沫塔内的气液湍动程度要大，因而进一步强化了传质和传热过程。
1.空塔气速、小球填装高度和液体喷淋量
洗涤烟气的湍冲洗涤塔，一般采用2.5m/s～3.5m/s的空塔气速比较合适，小球装填高度一般为200mm～400mm，在烟气净化中采用淋洒密度为35m3/（m2·h）～45m3/（m2·h）较合适。
2.筛板和筛板层数
湍冲洗涤塔的筛板与泡沫塔的筛板要求不同，其主要作用是支承小球，所以可做成炉栅或多孔形/网形；多孔形筛板对气液分布较匀，故一般采用较多。自由截面积最好在45％～60％。因为湍冲洗涤塔内气速大，如筛板自由截面积小，会使液体在板上积累，不利于小球的湍动跳跃。筛板开孔尺寸一般不应超过小球直径的2/3，以免压瘪或损坏的小球被卡住，一般钻孔直径为ф415mm～25mm，以钻孔直径20mm的居多。
（三）冲击波洗涤器（动力波洗涤器）
冲击波洗涤器是一种高效除尘降温洗涤设备，它的工作原理是将文式管和泡沫塔结合。它由设置两层喷头的冲击管、分离筒和填充冷却塔所组成，全系统采用了两级冲击波。
动力波洗涤烟气的主要原理是：液体由反向喷射器从气体相反的方向喷入直立的反向喷射筒，气体与液体相撞，从而迫使液体呈辐射状自里向外射向器壁，这样在气-液界面处建立起一定高度的泡沫区。根据气液的相对动量，泡沫柱沿筒体上下移动，由于气体与大面积不断更新的液体表面接触，在泡沫区即发生粒子的捕集及气体的吸收，相应进行热量的传递。
二、机械法气体净化
所谓机械力，在烟气净化上通常指的就是重力和离心力。应用重力作用的设备有除尘室、U形气道、沉淀槽、斜板沉降器、惯性分离器、惯性除尘器、复挡除沫器等。应用离心力作用的设备有旋风分离器、复挡除沫器等。这些设备都属于净化程度不高的烟气净化设备，重力沉降的效率一般在40％～70％，离心分离的效率一般在80％～90％，主要用于烟气的初步净化，减少以后净化程度高的设备的负荷且易于操作；或用于净化过程中的气液分离、液固分离等。
（一）重力沉降器
重力沉降器的作用原理是悬浮在气流或液流中的微粒，在遇到限制气或液流的表面后，借重力的影响而从气流或液流中分出。针对烟气中颗粒的沉降过程其沉降速度如下：
Re<2时，
2<Re<500时，
式中 ut——粒子的沉降速度，m/s； μ——流体黏度，kg/（m·s）；
ρs——粒子密度，kg/m3； D——球状粒子直径，m；
ρg——流体密度，kg/m3； g——标准重力加速度，9.80665m/s2。
可见，沉降器的沉降能力与沉降面积、粒子的沉降速度有关，与器的形状无关。而烟气中固体颗粒直径与其理论沉降速度关系如表2-1所示。
表2-1 粒子直径与其理论沉降速度
（二）旋风除尘器
旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。气体沿切线方向进入旋风除尘器，并绕中央导管的中心线做旋转运动，矿尘在除尘器内以一定速度做辐射状运动，达到器壁并沿壁下落，最后烟气经中央导出管由顶部逸出。
三、过滤法气体净化
1.纤维除雾器
纤维除雾器是用直径为5μm～30μm的玻璃纤维、金属丝毛、有机合成纤维等均匀填充于元件之中或筛板上，以多个元件组成的较多。
纤维除雾中的纤维所占的面积一般只有10％左右，含雾沫气体是在90％或更大的空间通过的。通过的速度主要是根据气体中雾沫粒度大小的分布和含雾沫量决定的。雾沫粒径平均在1μm以下，气速一般采用0.025m/s～0.15m/s，主要以扩散捕集为主，捕集效率>92％，是高效型除雾器，雾沫粒径平均大于1μm，气速一般采用0.25m/s～2.5m/s，主要以惯性碰撞和截留捕集为主，捕集效率>92.5％，是高速型除雾器。
2.袋滤器
袋式过滤器多用于干法净化和酸泥过滤，一般都做成袖筒和转筒式样，简称袋滤器或布袋过滤器。
除尘机理：含尘气体通过袋滤器时，直径大于织物孔隙的尘粒被阻留在滤布的表面（此作用称筛滤），随着灰尘在滤布表面上增多，逐步形成一层灰膜，由于灰膜的孔隙比滤布更小，所以滤尘效率会有所提高；对于较细的尘粒，进入孔隙的曲折通道时，由于气流绕过纤维或灰粒时运动方向发生了改变，尘料会因惯性的作用与纤维或灰尘碰撞而被捕集下来。
3.焦炭过滤器
焦炭过滤器是广泛使用的一种过滤器，它的优点是焦炭易得，维护工作量小，效果稳定可靠，多用于湿法净化各塔的除沫层或作单独的除沫设备，焦炭颗粒愈细，床层愈厚，气流速度愈低，则效率愈高；反之焦炭块度愈大，床层愈薄，气流速度愈高，则效率愈低。
四、电净制法气体净化
目前利用电离作用来净化烟气的设备有两种：一种是用于高温烟气除尘的，称为电除尘器或干法电滤器；另一种是用于湿烟气除雾的，称为电除雾器或湿式电滤器。一般它们通称为电滤器。
净化机理：利用高压直流电使电晕极不断发射电子，把电极间部分气体电离成正负离子，由于离子运动引起与尘、雾颗粒的碰撞，离子扩散而附着在尘土、雾粒子上，荷电后的尘、雾颗粒向与电极性相反的电极移动，到达电极放电，沉积在电极上而被收集除去，烟气得到了净化。电滤器除尘、除雾过程如图2-1所示。
图2-1 电滤器除尘、雾颗粒过程示意图
五、净化基本计算
（一）物料衡算
主要包括硫平衡计算和水平衡计算。
1.硫平衡计算
进入净化工序总硫量：
式中 W——净化工序硫元素总摩尔质量，kmol/h；
——烟气中SO2总摩尔质量，kmol/h；
——烟气中SO3总摩尔质量，kmol/h。
净化工序SO2损失量按3％计算，SO3全部转化为稀酸，则进入吸收工序的总硫量：
式中 W1——进入吸收工序的硫元素总摩尔质量，kmol/h；
——烟气中SO2总摩尔质量，kmol/h。
吸收尾气SO2按国家标准400mg/m3（0.013％，标准状态）计算，蒸发过程物料损失硫收率按95％计算，按照一年生产8000h计算，可年产亚硫酸钠（100％）为：
式中 W2——年产亚硫酸钠总摩尔质量，kmol；
——烟气中SO2总摩尔质量，kmol/h。
2.水平衡计算
a.出电除雾器烟气含水量，由下式计算：
式中 M出——出电除雾器烟气含水质量，kg/h；
W干——进气干基摩尔质量，kmol/h；
——净化工序损失SO2干基摩尔质量，kmol/h；
——电除雾器硫酸蒸气分压，kPa；
P当——当地大气压，kPa；
P操——电除雾器操作压力，kPa。
b.进净化入口烟气含水量，由下式计算：
M进=W进×18
式中 M进——进净化入口烟气含水质量，kg/h；
W进——进净化入口烟气含水摩尔质量，kmol/h。
c.净化工段需补充水量，由下式计算：
M补=M出+M酸?M进
式中 M补——净化工序补水量，kg/h；
M酸——净化工序酸水排放量，kg/h。
（二）热量衡算
热量平衡总热量计算公式为：
Q=CMΔt
式中 Q——总热量，kJ； C——比热容，J/（mol·K）；
M——摩尔质量，mol； Δt——温差，K。
1.烟气进湍冲洗涤塔带入热量（Q入）
式中 Q入——烟气进入湍冲洗涤塔带入总热量，kJ；
——烟气中SO2带入热量，kJ；
——烟气中O2带入热量，kJ；
——烟气中N2带入热量，kJ；
——烟气中SO3带入热量，kJ；
——烟气中H2O带入热量，kJ。
进入湍冲洗涤塔温差Δt为冶炼烟气温度。
2.烟气出电除雾器带出热量（Q出）
式中 Q出——烟气从电除雾器中带出总热量，kJ；
——烟气中SO2从电除雾器带出热量，kJ；
——烟气中O2从电除雾器带出热量，kJ；
——烟气中N2从电除雾器带出热量，kJ；
——烟气中SO3从电除雾器带出热量，kJ；
——烟气中H2O从电除雾器带出热量，kJ。
烟气出电除雾器温差Δt按40℃计算。
3.需冷却器面积、冷却水量
设净化酸水温度：进口50℃，出口37℃；设冷却水温度：进口30℃，出口38℃。
酸温：50℃→37℃，水温：38℃→30℃，Δt1=50℃?38℃=12℃，Δt2=37℃?30℃=7℃。
式中 Δt——冷热介质平均温差，℃；
Δt1——换热时，酸水入口处冷热介质温差，℃；
Δt2——换热时，酸水出口处冷热介质温差，℃。
冷却面积：
式中 F——达到预期换热温差所需换热面积，m2；
Q入——烟气进入湍冲洗涤塔带入总热量，kJ；
Q出——烟气从电除雾器中带出总热量，kJ；
Δt——冷热介质平均温差，℃；
K——冷却设备传热系数，W/（m2·K）。