鼓型結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)霧化脫酸塔煙氣脫酸特性分析

李思瑩，胡佳密，葉學(xué)民

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

垃圾焚燒處理相較傳統(tǒng)填埋處理方式而言具有占地少、處理周期短、可回收焚燒余熱等優(yōu)點(diǎn)；但垃圾焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量酸性氣體，如處理不當(dāng)易造成二次污染。

旋轉(zhuǎn)霧化脫酸塔是垃圾焚燒煙氣處理的關(guān)鍵設(shè)備。深入研究脫酸塔內(nèi)部流動(dòng)特征及煙氣脫酸性能，對于提高脫酸塔性能具有重要意義。

文獻(xiàn)[1,2]分析了相對濕度和噴淋方式對脫酸反應(yīng)速率的影響。文獻(xiàn)[3]通過研究得到了液氣比對降溫效果和脫酸效率的影響。文獻(xiàn)[4]討論了煙氣量、酸性氣體濃度等因素對脫硫效率的影響。文獻(xiàn)[5]研究了微波輻照下，脫除劑性質(zhì)的改變對脫酸率的影響。文獻(xiàn)[6,7]通過實(shí)驗(yàn)研究了煙氣流速、溫度和pH值等運(yùn)行參數(shù)對塔內(nèi)酸性氣體脫除效率的影響。另外，還有學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對脫酸塔內(nèi)部流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行理論研究，分析了煙氣流速、污染物濃度、霧化盤轉(zhuǎn)速和噴霧劑流量等運(yùn)行參數(shù)對脫酸塔內(nèi)流場特征及脫酸率的影響[8-10]。

目前，關(guān)于脫酸塔的研究多集中在運(yùn)行參數(shù)變化對酸性氣體脫除率的影響，在提高脫酸率方面的研究結(jié)論主要體現(xiàn)在增加脫酸劑用量或霧化盤轉(zhuǎn)速[11]等方面，而未關(guān)注脫酸塔本體結(jié)構(gòu)。

考慮到通過改變脫酸塔本體結(jié)構(gòu)來提高其脫酸率是一種更加節(jié)能高效的方式，本文以某旋轉(zhuǎn)霧化脫酸塔為對象，在原筒體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出一種鼓型、內(nèi)壁有導(dǎo)流帶的新型塔體結(jié)構(gòu)，并通過仿真計(jì)算驗(yàn)證所提模型的可靠性，從而為脫酸塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型改進(jìn)及網(wǎng)格劃分

某旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫酸塔物理模型如圖1（a）所示。該脫酸塔主體高11.14 m、圓筒體直徑8.5 m。脫酸塔頂部有直徑2.2 m、高度1.75 m的類蝸殼煙氣進(jìn)口裝置。脫酸劑霧化盤直徑0.215 m，4個(gè)注射孔直徑9 mm，布置在高度為11 m的位置。煙氣經(jīng)進(jìn)口裝置流入并與脫酸劑反應(yīng)后由下部直徑1.7 m的煙氣出口流出。底部椎體高度為7.3 m。煙氣與脫酸劑總體上呈順流式混合。已有的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，脫酸塔內(nèi)煙氣中的HCl脫除率大于99%，而SO2脫除率僅為59%。

圖1 脫酸塔物理模型Fig. 1 Physical models of the deacidification tower

為改進(jìn)脫酸塔的內(nèi)流特征以進(jìn)一步提高 SO2脫酸率，本文提出的改進(jìn)模型如圖1（b）所示：塔體采用鼓型結(jié)構(gòu)，最大直徑為11 m；內(nèi)壁上附有螺距為2 m、寬度為1.1 m的螺旋式煙氣導(dǎo)流帶；其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。

將模型導(dǎo)入Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，選取數(shù)量為 38萬、64萬、118萬、153萬的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，與網(wǎng)格數(shù)為38萬時(shí)的計(jì)算結(jié)果相比：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為64萬時(shí)，出口流量提升0.11%；網(wǎng)格數(shù)為118萬時(shí)，提升0.24%；153萬時(shí)，提升0.26%。綜合考慮計(jì)算效率，選取以網(wǎng)格數(shù)118萬為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

改進(jìn)前后的模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 脫酸塔網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig. 2 Results of deacidification tower meshing division

2 塔內(nèi)流場計(jì)算條件

2.1 初始計(jì)算條件及假設(shè)

（1）忽略脫酸漿液流動(dòng)管道、霧化噴嘴等構(gòu)件對脫酸塔內(nèi)煙氣流動(dòng)的局部擾動(dòng)。

（2）將脫酸漿滴視為離散相，不考慮漿滴間的摩擦碰撞等相互作用力。

（3）將煙氣視為不可壓縮流體，忽略溫度對煙氣密度、粘度等特性的影響。

（4）煙氣在塔內(nèi)做三維、定常、湍流流動(dòng)。（5）石灰漿滴在整個(gè)過程中保持球形。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

利用Fluent模擬塔內(nèi)煙氣流動(dòng)過程。

連續(xù)相計(jì)算采用Realizablek-ε模型?？紤]煙氣垂直于進(jìn)口截面進(jìn)入塔內(nèi)，在進(jìn)口處速度均勻分布，出口處壓力均勻分布；故連續(xù)相邊界條件設(shè)置為“速度入口”及“壓力出口”。進(jìn)口煙氣溫度為463.15 K，煙氣流速為9.22 m/s；出口煙氣溫度為425.15 K，壓力為-250 Pa。塔體其余部分均設(shè)置為固體壁面。霧化盤轉(zhuǎn)速為1×104r/min。

離散相計(jì)算采用 DPM 模型。脫酸劑通過injection方式注入塔內(nèi)。石灰漿液總的質(zhì)量流量為0.3 kg/s，溫度為293.15 K。漿液從霧化器的4個(gè)出口注入塔內(nèi)，速度的大小和方向由霧化器轉(zhuǎn)速、漿液體積流量及霧化器孔徑大小決定。經(jīng)計(jì)算，液滴在霧化器出口處的速度約為112 m/s，與圓周切向間的夾角為0.05°。

利用 Barracuda軟件模擬煙氣與脫酸漿滴間的化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)速率系數(shù)采用 Arrhenius定律進(jìn)行描述。液滴的化學(xué)反應(yīng)過程采用非均相模擬。

將本文所得計(jì)算模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比：HCl的脫除率分別為99.62%和 93.77%，SO2的脫除率分別為 82.07%和83.93%。脫酸率數(shù)據(jù)基本吻合，因此文中采用的數(shù)值模擬方法正確可靠。

3 塔內(nèi)過程對比分析

3.1 流動(dòng)特征對比

無噴霧情形下，脫酸塔內(nèi)煙氣流動(dòng)特性模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 原模型塔內(nèi)流動(dòng)特征計(jì)算結(jié)果Fig. 3 Calculation results of flow characteristics in the original model tower

圖4 改進(jìn)模型塔內(nèi)流動(dòng)特征計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Calculation results of flow characteristics in the improved model

圖3（a）和圖4（a）表明，雖然在改進(jìn)前后2種模型中均存在著大小不等的回流區(qū)，但改進(jìn)后的模型中回流區(qū)更多、煙氣速度更低，這說明煙氣在該區(qū)域的停留時(shí)間得到延長[13]。該結(jié)果表明，模型的改進(jìn)有利于延長煙氣與脫酸劑混合時(shí)間，從而強(qiáng)化了脫酸過程。

由圖3（b）和圖4（b）可知，受蝸殼入口影響，2模型中的煙氣沿切向進(jìn)入，在塔內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程總體上均呈螺旋式下降趨勢；模型改進(jìn)后，煙氣流動(dòng)路徑更長，煙氣在脫酸塔內(nèi)的停留時(shí)間增加。

圖3（c）和圖4（c）表明，由2種模型的塔壁到塔中心，煙氣流速逐漸減小，在脫酸塔中心軸線附近區(qū)域流速達(dá)到最低。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在改進(jìn)模型中，速度分布更加均勻，煙氣流速更低且低速區(qū)域范圍更大。

煙氣必須在塔內(nèi)停留足夠長的時(shí)間，才可以使酸性氣體被充分吸收，使生成物中所含的水分蒸發(fā)；因此，平均停留時(shí)間是脫酸塔設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)[14]。經(jīng)模型計(jì)算，在相同進(jìn)出口條件下，煙氣在原模型中的平均停留時(shí)間為27.84 s，在改進(jìn)模型中的平均停留時(shí)間提高至38.38 s。

加入離散相液滴后，不同塔高截面上的流場速度分布如圖5和圖6所示。

圖5 原模型不同高度處的速度分布計(jì)算結(jié)果Fig. 5 Calculation results of velocity distribution at different heights of the original model

圖6 改進(jìn)模型不同高度處的速度分布計(jì)算結(jié)果Fig. 6 Calculation results of velocity distribution at different heights of the improved model

圖5（a）和圖6（a）表明：速度分布在霧化盤出口區(qū)域受液滴影響顯著。由于模型所采用的汽液比較大，在靠近塔壁附近的位置，煙氣受入口處蝸殼結(jié)構(gòu)影響而逆時(shí)針流動(dòng)[15]。對于改進(jìn)模型，在霧化盤附近，速度場分布由液滴影響下的高速變?yōu)闊煔庥绊懴碌牡退?。此過程說明，較原模型而言，在改進(jìn)模型中，煙氣對速度場的影響更大，與液滴之間的相互作用更強(qiáng)烈。

由圖5（b）（c）和圖6（b）（c）可知，煙氣在脫酸塔內(nèi)總體以逆時(shí)針方向向下旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。在改進(jìn)后的模型中，任意高度截面的平均速度均小于原模型中的速度。此結(jié)果與僅有連續(xù)相時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果相同。

影響化學(xué)反應(yīng)速率的另一重要因素是液滴的直徑。液滴平均粒徑的減小可使其表面積增大，從而增加液滴與煙氣接觸并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的面積，提高反應(yīng)塔對酸性氣體的脫除效率。

利用DPM模型中的breakup選項(xiàng)對液滴的破碎過程進(jìn)行跟蹤模擬。結(jié)果顯示，在相同條件下，原模型中液滴的平均粒徑為65.38 μm，改進(jìn)模型中液滴平均粒徑減小為64.55 μm。此結(jié)果與文獻(xiàn)[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3.2 生成物分布

在相同進(jìn)口條件下，一定時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物的生成量可說明化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速度。

圖7所示為70 s時(shí)，生成物在脫酸塔內(nèi)分布的計(jì)算結(jié)果。由圖7（a）（b）可知，在原模型中，脫酸劑在剛離開霧化器時(shí)保持順時(shí)針方向流動(dòng)，在與煙氣短暫接觸后受煙氣影響轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針方向流動(dòng)。在此過程中，大量液滴與煙氣進(jìn)行反應(yīng)并擴(kuò)散到塔內(nèi)。

圖7 生成物分布計(jì)算結(jié)果Fig. 7 Calculation results of product distribution

圖7（c）（d）表明，在改進(jìn)模型中，脫酸劑幾乎沒有維持原有順時(shí)針流動(dòng)就與煙氣相互作用而擴(kuò)散至塔內(nèi)。此過程說明塔中煙氣與液滴相互作用更加強(qiáng)烈，生成物分布更加均勻。

在2種模型中，生成物在脫酸塔中心處的濃度均高于塔壁附近，其主要原因是脫酸塔中心區(qū)域流速較低，反應(yīng)物之間的接觸時(shí)間更長。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為，一定條件下的 SO2脫除率隨 CaCl2濃度增加而提高。由圖7（a）（c）可知，相同時(shí)間內(nèi)，在改進(jìn)模型中生成了更多CaCl2，這說明模型的改進(jìn)有利于增強(qiáng)SO2的整體脫除效果。

3.3 酸性氣體分布

酸性氣體的分布特征是反應(yīng)脫酸率的另一個(gè)重要指標(biāo)。

圖8所示為酸性氣體在脫酸塔內(nèi)分布的計(jì)算結(jié)果。

圖8 酸性氣體分布計(jì)算結(jié)果Fig. 8 Calculation results of acid gas distribution

圖8（a）（c）表明，HCl的脫除反應(yīng)主要在脫酸塔的上半部分進(jìn)行。當(dāng)煙氣流動(dòng)至底部椎體附近時(shí)，HCl脫除基本已完成。在進(jìn)口裝置下方，HCl氣體濃度變化最大，其主要原因是初始漿滴速度與煙氣間的差距較大，兩相間存在強(qiáng)烈的相互作用。文獻(xiàn)[18]認(rèn)為，煙氣脫酸過程主要發(fā)生在霧化器出口0.75 m左右的范圍內(nèi)，此范圍外脫酸速率沒有明顯變化。

由圖8（b）（d）可知，SO2在剛進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)濃度變化較大，其原因與HCl脫除速率變化原因一致。

相較 HCl而言，SO2在整個(gè)塔內(nèi)空間中的脫除速率較慢，其主要原因[19]是相同溫度下HCl的各項(xiàng)反應(yīng)速率系數(shù)均大于 SO2；因此，在相同的反應(yīng)條件和反應(yīng)時(shí)間下，漿液液滴會(huì)優(yōu)先與 HCl發(fā)生脫除反應(yīng)。此外，HCl和 SO2在與 Ca(OH)2反應(yīng)時(shí)存在競爭性吸收的關(guān)系[20]。在煙氣進(jìn)入塔內(nèi)與脫酸劑混合時(shí)，由于煙氣中HCl含量較高，從而影響了脫酸劑對SO2的吸收。

在改進(jìn)模型中，酸性氣體濃度變化突出的位置更加靠近煙氣入口。這表明，此處的傳熱傳質(zhì)效果更強(qiáng)。

在改進(jìn)模型中，塔內(nèi)酸性氣體的含量低于原模型，這主要?dú)w因于其合理的結(jié)構(gòu)使得煙氣與脫酸劑充分混合，提高了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速率并延長反應(yīng)時(shí)間。

酸性氣體的脫除率計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表 1可知，模型改進(jìn)后，SO2的脫除率提高了4.98%，而HCl的脫除率略微下降，其原因可能是2種酸性氣體的競爭性吸收。

表1 進(jìn)出口酸性氣體參數(shù)對比Tab. 1 Comparison of inlet and outlet acid gas parameters kg/s

總體上來看，在沒有增加額外能耗情況下，通過改進(jìn)脫酸塔筒體結(jié)構(gòu)可有效提高酸性氣體的脫除率。

4 結(jié)論

為改善內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)而提高其脫酸率，對脫酸塔本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：采用鼓型主體結(jié)構(gòu)并在內(nèi)壁增加螺旋形煙氣導(dǎo)流帶。

改進(jìn)后，煙氣流動(dòng)更合理：煙氣流速更低、煙氣與脫酸劑間的相互作用更加強(qiáng)烈。在相同條件下，原模型中煙氣平均停留時(shí)間為27.84 s，脫酸劑粒徑為65.38 μm；改進(jìn)模型中停留時(shí)間提高至38.38 s，脫酸劑粒徑減小為64.55 μm。

改進(jìn)后，脫酸效果得到改善：SO2脫除率提高了近5%。