5.2.3 洗涤除臭的工艺设计
5.2.3.1 洗涤除臭设备
1）填料塔
填料塔的典型结构如图5-3所示。塔内装有支承板，板上堆放填料层，喷淋的液体通过分布器洒向填料。填料在整个塔内既可堆成一个整体，也可将填料装成几层，每层的下部都设有单独的支承板。当填料分层堆放时，层与层之间常装有液体再分布装置［51］。
吸收塔常采用气液逆向流，即吸收液自塔顶向下喷淋，在填料表面分散成薄膜，经填料间的缝隙下流，可形成液滴落下；气体从塔底被送入，沿填料间空隙上升，填料层的润湿表面就成为气液接触的传质表面。填料种类很多，常用的有拉西环、鲍尔环、鞍形环、波纹填料等。对填料的基本要求是：单位体积填料所具有的表面积大，气体通过填料时的阻力低。
液体流过填料层时，有向塔壁汇集的倾向，中心的填料不能充分加湿。因此，当填料层的高度较大时，常将填料层分成若干段，以便所有的填料都能充分加湿。为避免操作时出现干填料状况，一般要求液体喷淋强度在10 m3/（m2·h）以上，并力求喷淋均匀。为了克服“塔壁效应”，填料高度与塔径比值应至少为8。若算出的填料层高度太大，则要分成若干段。每段高度一般应在3～5 m以下，或按下列推荐的倍数来定。对拉西环，每段填料层高度为塔径3倍，对鲍尔环及鞍形环填料为5～10倍。填料塔的空塔气速一般为0.3～1.5 m/s，压降通常为0.15～0.6 kPa/m填料，液气比为0.5～2.0 kg/kg（溶解度很小的气体除外）。填料塔传质能力受操作变量的影响，参见表5-1。
图5-3 填料塔结构图
表5-1 填料塔操作变量对传质能力影响的定性分析
填料塔的优点是结构简单，便于用耐腐蚀材料制造，气液接触效果较好，压降较小。填料塔的缺点是当恶臭中含有悬浮颗粒时，填料容易堵塞，清理检修时填料损耗大。
迄今为止，最常用的湿式洗涤器是逆流循环式填充塔。洗涤液从塔顶部进入并喷淋到填料上，顺着填料自上而下滴流。恶臭气体从洗涤塔底部进入，通过孔隙空间向上运行。气相和液相之间的这种对流方式产生湍流，增大了表面接触面积。洗涤液与恶臭气体充分接触后降落至填充塔的下部，后又被收集再循环使用，一部分洗涤液继续“向下排放”，目的是防止其中的高浓度溶解固体和悬浮固体对填料造成堵塞。同时补充洗涤液以使回流液体保持一定的浓度。另一种常见的洗涤器是错流循环式填充塔，其工作原理与逆流循环式填充塔的工作原理相似，只是气流方向与液流方向垂直，常应用于工业恶臭污染（如脂肪提取与加工业产生的恶臭）的去除，在污水除臭的恶臭去除方面尚未得到广泛应用。
2）湍球塔
湍球塔是填料塔的一种特殊情况，结构如图5-4所示。其填料为在塔内不断湍动的空心或实心小球，由塔内开孔率较大的筛板支承和限位。支承板的开孔率约为0.35～0.45，限位板取0.8～0.9。气流通过筛板时，小球在其中湍动旋转，相互碰撞。吸收液自上向下喷淋润湿小球表面，并得到吸收。由于气、液、固三相接触，小球表面的液膜不断更新，增加了气液相之间的接触和传质，提高了吸收效率。
图5-4 湍球塔结构图
小球应质轻、耐磨、耐腐蚀、耐高温。通常由聚乙烯、聚丙烯或发泡聚苯乙烯等材料制作，塔的直径大于200 mm时，可以采用直径25 mm、30 mm、38 mm的小球。填料的静止床层高度为0.2～0.3 m。
湍球塔的空塔速度一般为2～6 m/s。湍球塔被推荐用于除臭含颗粒物的气体或液体，以及可能发生结晶的过程。这种设备由于填料剧烈地湍动，不易被固体颗粒堵塞。一般情况下，每段塔的阻力约为0.4～1.2 kPa。在相同的气流速度下，湍球塔的阻力要比填料塔小。湍球塔的优点是气流速度高，除臭能力大，设备体积小，吸收效率高。它的缺点是随小球的运动，有一种程度的返混；段数多时阻力较高；塑料小球不能承受高温，使用寿命短，需经常更换。
3）喷淋（雾）塔
在喷淋塔内，液体是分散相，气体是连续相，适用于极快或快速反应的化学洗涤过程。喷淋塔的优点是结构简单，压降低（通常低于250～500 Pa），不包括除雾分离器及气体分布板，不易堵塞，气体除臭能力较大（气体在塔内的速率为1.5～6 m/s，停留时间通常在20～30s），投资费用低。其缺点是效率较低，占地面积大；气速大时，雾沫夹带较板式塔严重。如果吸收液循环使用或带有少量残渣时，喷嘴易堵，因而需加沉淀过滤装置过滤吸收液。
为保证吸收效率，应注意使气、液分布均匀，充分接触，喷淋塔通常采用多层喷淋。旋转喷淋塔可增加相同大小的塔的传质单元数，卧式喷淋塔则传质单元较少。喷淋塔的关键部分是喷嘴，可分为机械离心式喷嘴和冲击式喷嘴等。常用的喷淋塔的种类如图5-5所示。
图5-5 各种类型的喷淋塔
1，4，8，13—气体进口；2，7，12，14—气体出口；3，6—除雾器；5—喷淋水；9—调节器；10—多管喷嘴；11—挡水盘
20世纪80年代以来，薄雾型洗涤器在恶臭（特别是硫化氢）去除方面也曾得到广泛使用。试剂、水和空气的混合物以液滴的形式喷入一个开放的容器，液滴的大小通常在5 mm左右，用过的洗涤液在容器底部进行收集。在薄雾型洗涤器中，尽管已设计和安装了循环系统（尤其对氨的去除），但是通常用过的洗涤液就废弃而不再循环使用了。
4）文丘里洗涤器
文丘里洗涤器如图5-6所示，它可以避免逆流或错流喷淋塔气速太高导致雾沫夹带严重的弊端，气速可提高至20～30 m/s。不过，此时液体全部被气体夹带，需设置专门的气液分离装置，其阻力降比普通喷淋塔大［51］。
图5-6 文丘里洗涤器
文丘里洗涤器的工作方式为：液体经杯口（或文丘里上缘齿边）溢入杯内沿（或文丘里渐缩管），形成一层液膜或液流，同时高速气体进入其内；由于通道变小，速度进一步提高，气液高度混合、湍动，进行传质，并在喉管处高速喷出，成雾状后气液分离。没有扩大管的喷淋塔，阻力降比文丘里喷淋器大些。
5.2.3.2 设计步骤
1）设计计算依据
（1）单位时间需所除臭的气体流量。
（2）气体的组成成分。
（3）被吸收组分的吸收率或净化后气体的浓度。
（4）使用的吸收液。
（5）工艺操作条件，如压力、温度等。
以上条件中，后3项在多数情况下是设计者选定的，但是需要综合考虑经济效益、优化条件。
2）选择吸收液
吸收液的性能是影响整个吸收恶臭气体吸收效果的重要因素，因此需要针对目标脱除气体选择合适的吸收液。常用的化学洗涤液（吸收液）可以是清水、化学试剂溶液（酸、碱）、强氧化剂溶液或有机溶剂。鉴于污水污泥除臭设施产生的恶臭特点，吸收液的选择主要针对氨气和硫化氢及有机硫化物，所以药剂一般选用是强碱、次氯酸钠和硫酸的溶液。选择吸收液的基本原则如下：
（1）对于物理吸收，要求吸收液对吸收质的溶解度大，可以按照化学性质相似相溶的规律去选择吸收液，即在与吸收质结构相近液体中筛选吸收液。
（2）化学吸收过程的推动力大，净化效果好，所以要选择能与待吸收的气体反应（特别是快速反应）的物质作吸收液。
（3）中和反应是最常用的化学反应，因为许多重要的大气污染物是酸性气体，可以用碱或碱性盐溶液吸收。选择化学吸收液，应注意反应产物的性质，要使产物无害或易于回收利用。
（4）水是一种常用的吸收液，符合前面提到的大部分要求，是许多吸收过程的首选对象。例如用水洗涤除去恶臭中的NH3等。用水清除这一类气态污染物，主要是依据它们在水中溶解度较大的特性。这些气态污染物在水中的溶解度，一般是随气相分压的增加、吸收温度的降低而增大。因而理想的操作条件是加压和低温下吸收，降压和升温下解吸。
用水作吸收液的优点是：安全易得，吸收流程、设备和操作都比较简单。其缺点是：设备庞大，净化效率低，动力消耗大。
水既可直接作吸收液，也可用水溶液作吸收液。水对有些物质的溶解度较低，为了提高吸收效果，可加入增溶剂。例如氮氧化物在稀硝酸中的溶解度比在水中的溶解度大，所以可用稀硝酸吸收氮氧化物。许多有机物在水中不溶或微溶，不能直接用水作吸收液。但可以利用能同时亲水和亲某种不溶于水的吸收质基团，使吸收质在水中乳化，破乳后又可与水分离，以便回收。所以，在水中添加表面活性剂作为吸收液是一种值得探索的途径。
（5）吸收酸性气体常用碱性吸收液。由于这类吸收液能与被吸收的气态污染物如H2S等之间发生化学反应，因而使吸收能力大大增加，表现在：单位体积吸收液能吸收净化大量的恶臭、净化效率高、液气比低、吸收塔的生产能力强，使得技术经济更加合理。例如，用碱液清除恶臭气体中的H2S，理论上可推算出：①H2S在pH值为9的碱液中的溶解度为中性溶液（水、pH值为7）的50倍。②H2S在pH值为10的碱液中的溶解度为中性溶液（水、pH值为7）的500倍。
可见，酸性气体H2S在碱性吸收液中的溶解度比在水中大得多，且碱性愈强，H2S的溶解度也愈大。这一规律对于其他酸性气体也是类似的。因而，在吸收净化酸性气态污染物时，通常采用上述碱金属或碱土金属的溶液为吸收液。
（6）吸收碱性气体常用酸性吸收液。化学吸收的流程较长，设备较多，操作也较复杂，有的吸收液不易得到或价格较贵。另外，吸收液的吸收能力强有利于净化气态污染物，而吸收能力强的吸收液不易再生，再生需消耗较大的能耗。因而在选择吸收液时，要权衡多方面的因素。常见气态污染物与适宜的吸收液的组合见表5-2。
表5-2 吸收液选择实例
3）温度和压力
通常情况下，温度越低、压力越高，气体的溶解度越大。从这个观点来看，吸收操作在低温、高压下对吸收有利。
4）确定吸收液用量
吸收液用量取决于适宜的液气比，而液气比是由设备费和操作费两个因素决定的。根据经验，一般取最小液气比的1.1～2倍，即
式中 L——单位时间通过塔任意截面单位面积吸收液的物质的量［kmol/（m2·s）］；
G——单位时间通过塔任意截面单位面积混合气体的物质的量［kmol/（m2·s）］；
Ls——单位时间通过塔任意截面单位面积吸收液的物质的量［kmol/（m2·s）］；
GB——单位时间通过塔任意截面单位面积惰性气体的物质的量［kmol/（m2·s）］。
最小吸收液用量根据吸收操作线和平衡线求取。
5）洗涤设备的确定
如前所述，常用的化学洗涤法设备有填料塔、喷雾塔和文丘里洗涤塔等多种类型，需要根据恶臭的量及性质选用适合的洗涤设备。根据物料平衡、相平衡、传质速率方程式和反应动力学方程式确定吸收设备的主要尺寸。
选择化学洗涤设备应遵循下列原则：
（1）气体除臭能力大，气液相之间接触充分，气液湍动程度高，净化效率高。
（2）有较大的气液接触面积，液气比可调节，压力损失小。
（3）操作稳定，抗腐蚀和防堵塞。
（4）结构简单，易于加工，安装维修方便。
污水处理厂恶臭洗涤处理发生的化学反应通常为极快反应或快反应类型，它们的液膜转化系统值较大，反应在液膜内发生，因而选用气相为连续相、湍动程度较高，相界面积大的化学洗涤装置较为适合，而填料塔、喷淋塔、文丘里洗涤塔等能满足这些要求，特别是填料塔的气液接触时间、气液量的比值均可在较大幅度内调节，即操作的弹性大，且结构简单，因而在化学洗涤除臭中得到了广泛应用。如果反应物浓度高，化学反应为快速反应或中速反应时，反应主要在液膜内以至液相主体中发生，此时采用板式塔较适合。表5-3列出了常用的化学洗涤设备比较供设计选用。
表5-3 常用的化学洗涤设备比较
续表
6）压力损失的计算
化学洗涤设备的压力损失由洗涤层阻力和塔内部件阻力两部分组成。洗涤层的阻力可根据设计或操作参数由相关设计手册查出每米洗涤层（如填料层）的压降值，再将该比压降乘以洗涤层总度即得洗涤层的阻力。塔内部件阻力主要包括气体通过分布器、支承板的局部损失、液体收集分布器及液体初始分布器的局部阻力。各种塔内部件的局部阻力损失与其结构密切相关，应根据具体条件进行计算。从设计角度看，气体分布器应具有一定的阻力，以实现气体均布，而其他塔内部件的阻力越小越好.
7）辅助配套设备选用
化学洗涤除臭设施除了洗涤塔（器）的主体设备之外，还包括洗涤液循环系统、投药系统、电气控制系统、富液除臭系统和除雾装置等辅助配套设备。
洗涤液循环系统一般由循环泵、不堵塞喷嘴、喷管、循环水箱、固液分离器、避震节、流量计等组成，应符合下列规定：①洗涤液输送管道应安装固液分离器，并保证系统布液均匀；②宜采用不易堵塞并拆装方便的螺旋喷嘴。
5.2.3.3 填料塔设计计算
1）填料的选择
填料可为气液两相提供良好的传质条件。选用的填料应满足以下基本要求：
（1）具有较大的比表面积和良好的润湿性。
（2）有较高的孔隙率（多在0.45～0.95）。
（3）对气流的阻力较小。
（4）尺寸适当，通常不应大于塔径的0.1～0.125。
（5）耐腐蚀、机械强度大、造价低、堆积密度小、稳定性好等。
常用填料的特性见表5-4。
2）液泛气速与填料塔的压降
液泛气速是填料塔正常操作气速的上限。当空塔气速超过液泛气速时，填料塔持液量迅速增加，压降急剧上升，气体夹带液沫严重，填料塔的正常操作被破坏。
填料塔的压降影响动力消耗和正常操作费用。影响压降和液泛气速的因素很多，主要有填料的特性、气体和液体的流量及物理性质等。埃克特等指出，填料塔压降、液泛和各种因素之间的关系如图5-7所示［52］。
表5-4 常用填料的特性
续表
图5-7 填料塔液泛点与压降的通用关系
WL/WG为液气比；ρG、ρL为气体、液体密度，单位为kg/m3；μL为液体黏度，单位为Pa·s；φ为填料因子，单位为m-1；ψ为水的密度与液体的密度之比；μ0为空塔气速，单位为m/s；g为重力加速度。
最上方三条线分别为不同填料类型（弦栅、整砌拉西环及各类型乱堆填料）的液泛线，三条线左下方的线为等压降线。
3）填料塔塔径的计算
填料塔直径D取决于除恶臭量Q和适宜的空塔气速u0，即
u0一般由填料塔的液泛速率确定，根据生产经验，u0取值可由填料塔的液泛速率u1确定，即u0=0.66～0.80u1，也可从有关手册中查得。u0小则塔径大，动力消耗少，但设备投资高。由上式计算出的塔径应按照国内压力容器公称直径标准（JB 1153—73）取整，即直径在1 m以下时，间隔为100 mm；直径在1 m以上时，间隔为200 mm。
4）最小吸收液用量LSmin的计算
设化学反成方程式为：A+bB→C
式中 GB——B组分的摩尔流率［kmol/（m2·h）］；
LS——吸收液的摩尔流率［kmol/（m2·h）］。
对于快速反应与瞬间反应，LS（CA1-CA2）可忽略不计，吸收液最小用量相当于CB1=0进的吸收液用量：
式中 C1、C2——气体入口与出口处溶液中各组分的浓度（kmol/m3）。
5）吸收塔塔高的计算
气液逆流接触型吸收塔内的浓度变化，如图5-8所示。
图5-8 吸收塔内浓度变化
设在液相内进行的反应为：
吸收塔任意截面作塔上部的物料平衡：
式中 p——溶质组分在气体中的分压；
pA——A组分的分压。
此式也就是塔的操作线方程。若将式中的pA、CB由pA1、CB1各值代入，则吸收塔的单位面积的吸收传质速率：
式中 NA——A组分的吸收传质速率。
对于塔微元段的吸收速率式
式中 G，L——气、液相的流率（沿塔高不变）［kmol/（m2·h）］；
ρL——吸收液的密度（kmol/m3）；
L/ρL——吸收液的体积流率［m3/（m2·h）］；
α——单位体积填料层所提供的传质面积（m2/m3）；
β——反应增强系数；
γ——系数；
kGα——气相体积传质系数［kmol/（m3·h·kPa）］；
kLα——液相体积传质系数（h-1）。
α不仅与填料的种类、材质、尺寸、形状及充填方式有关，而且与填料表面的润湿状态、气液性质及流动状态有关，所以α值难以确定。通常它与传质系数的乘积作为个完整的物理量一起测定，称为体积传质系数，单位为kmol/（m2·h）。
塔高按下式计算：
（1）传质过程由气相控制时，pAi=0，由上式得
（2）当气相阻力可以被忽略时，pAi=pA，CAi=C'A=pA/H，CAi由操作线和CB求得，β也可用CB关联，通过对上式图解积分法计算塔高。
（3）气液传质阻力均不能忽略时，则kC（pA-PAi）=kLCAi，需求出对应的pA的pAi，再据上式积分式试算。
当气液两相传质阻力均存在时，化学反应级数可以按拟一级反应或近似地按瞬间反应解析方法求解塔高，方法如下：
①快速不可逆拟一级反应吸收，满足塔底3＜γ＜0.5β∝（β∝为不可逆瞬间反应的吸收增强系数）
塔高按下式求得
式中 k2——不可逆二级反应（拟一级反应）常数。
②不可逆瞬间反应吸收，塔顶满足γ＞10β∝时，因吸收塔内的液相组成CB用下式算出的临界浓度（CB）C的大小不同而有所不同。
a.当CB1≥（CB）C时，通常可认为在气液界面和化学反应已完成，因此，pAi=0。这时，液相阻力不存在，可根据式（5-9）计算出塔高。
b.当CB2＜（CB）C时，化学反应的反应面位于液相内部，这时，气液两相传质阻力都存在，这时塔高按下式计算：
c.当CB2＞（CB）C＞CB1时，全塔分为CB＞（CB）C和CB＜（CB）C两部分计算，前者条件用式（5-9），后者条件下用式（5-12）分别计算塔高，然后相加求总高。
d.如CB=（CB）C时，式中pA用（pA）C计算，而（pA）C值按下式算出：
6）传质系数
若无准确可靠传质系数数据，则所有涉及传质速率问题的计算将失去应用价值。
对于气体吸收过程，影响传质速率的因素很多，迄今为止无统一的通用计算公式和方法，设计时多通过试验测定或用经验公式计算来获取，采用经验公式求总传质系数，然后用物理吸收的方法计算该气液相反应所需的吸收体积。这些经验公式一般是由中间实验或生产设备实测得到的数据而建立的［3］。
（1）对于填料塔。当气体的质量流率G为320～4150 kg/（m2·h）、液体的质量流率L为4400～58500 kg/（m2·h）、填料用陶瓷拉西环时，其传质系数的经验公式为：
式中 kGα——气相体积传质系数［kmol/（m3·h·kPa）］；
kLα——液相体积传质系数（h-1）；
G、L——气体和液体质量流率［kg/（m2·h）］；
A——系数，其值和温度有关，见表5-5。
表5-5 常数A与温度关系
（2）水吸收氨。这是易溶气体的吸收，吸收的主要阻力在气膜。可用以下经验公式来求取传质系数：
式中 kGα、KGα——气膜体积分传质系数和总传质系数［kmol/（m3·h·atm）］；
WG、WL——气体、液体空塔质量流率［kg/（m2·h）］。
该公式适用范围为：用水吸收氨。磁环填料，直径为12.5 mm。
（3）用碱或乙醇胺等吸收H2S用碱法中和，氧化析硫或用乙醇胺吸收H2S，在气体空塔速率为0.6～1.0 m/s，喷淋液气比为10 L/m3时，可取吸收系数的平均值：
5.2.3.4 洗涤除臭设备注意事项
关于除臭设备系统内的关键参数和配置见表5-6。
表5-6 洗涤除臭设备
续表
