噴霧干燥脫硫法處理垃圾焚燒煙氣的優(yōu)化設(shè)計(jì)
采用旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法處理垃圾焚燒煙氣設(shè)備、技術(shù)相對(duì)簡單、投資低、運(yùn)行費(fèi)用也不高；運(yùn)行過程中，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢和堵塞；由于其干式運(yùn)行，最終產(chǎn)物易于處理。只要控制好干燥吸收器的出口煙氣溫度，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)設(shè)備的腐蝕，但脫硫效率略低于濕法。噴霧干燥法與活性炭噴射、布袋除塵器聯(lián)用，可除去垃圾焚燒煙氣中含有對(duì)環(huán)境有害的酸性氣體、顆粒物、重金屬、二惡英或呋喃等污染物。
深圳市環(huán)保示范工程的南山垃圾焚燒電廠的煙氣凈化系統(tǒng)是由旋轉(zhuǎn)噴霧及吸收塔，活性炭噴射及袋式除塵器組成。煙氣首先經(jīng)過半干式反應(yīng)塔除去酸性物質(zhì)；接著在反應(yīng)塔煙氣出口和袋式除塵器之間的煙道中噴入活性炭用來吸附煙氣中的汞蒸汽和二惡英；最后煙氣進(jìn)入袋式除塵器，幾乎所有的固體顆粒包括煙塵、生成物（固態(tài)）、未完全反應(yīng)的石灰、固態(tài)重金屬以及吸附有二惡英的活性炭等都被除去。凈化后的煙氣通過煙囪排入大氣。
為獲得最佳的除酸效果，提高吸收劑的利用率，需要從理論上對(duì)其流場進(jìn)行分析，我們將利用CFD討論旋轉(zhuǎn)噴霧及半干式反應(yīng)塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1 噴霧干燥脫硫工藝及原理
旋轉(zhuǎn)噴霧煙氣脫硫工藝一般用生石灰（主要成分是CaO）作吸收劑。生石灰經(jīng)熟化變成具有較好反應(yīng)能力的熟石灰（主要成分是Ca（OH）2）漿液。熟石灰漿液經(jīng)裝在吸收塔頂部的高達(dá)15000～20000r／min的高速旋轉(zhuǎn)霧化器噴射成均勻的霧滴，其霧粒直徑可小于100μm。這些微粒具有很大的比表面積，與煙氣接觸，將發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換和化學(xué)反應(yīng)，迅速地將大部分水分蒸發(fā)，形成含水量少的固體灰渣。如果吸收劑顆粒沒有完全干燥，則在吸收塔之后的煙道和除塵器中仍可繼續(xù)發(fā)生吸收二氧化硫的化學(xué)反應(yīng)。噴霧干燥煙氣脫硫化學(xué)過程如下：
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從理論上講，強(qiáng)堿吸收劑與酸性污染物的反應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)就可以完成，但由于該反應(yīng)涉及“氣－液”或“氣－固”不同的傳質(zhì)過程，使得污染物的去除效率不同。二相之間的傳質(zhì)過程分為3步，即：被吸收成分從氣相主體到“氣－液”或“氣－固”界面的傳質(zhì)過程，界面上的溶解平衡過程，從界面到“液”或“固”相主體的擴(kuò)散過程？捎霉綒w納為：
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上式中NA為單位時(shí)間、單位面積上傳質(zhì)的量；KPA和KGA是分別以濃度和分壓表示的A組分的傳質(zhì)系數(shù)；S為吸收傳質(zhì)面積，括號(hào)中兩個(gè)數(shù)值的差反應(yīng)了傳質(zhì)面積的大小。NA傳質(zhì)量越大，則A組分污染物的去除效率越高，而NA的大小決定于傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)表面積和傳質(zhì)推動(dòng)力。傳質(zhì)系數(shù)反應(yīng)了傳質(zhì)阻力的大小，阻力越大，相應(yīng)的系數(shù)越小。因“氣－液”傳質(zhì)系數(shù)大于“氣－固”傳質(zhì)系數(shù)，所以，在其他條件相同的情況下，濕法的凈化效果明顯高于干法，半干法的凈化效果居于濕法與干法之間。另外，增加表面積和“吸收劑與污染物”的摩爾濃度也可使凈化效果增加。然而，在實(shí)際操作過程中，更重要的是通過足夠的停留時(shí)間來保證污染物的高效去除。
2 優(yōu)化設(shè)計(jì)
由于噴霧脫硫的脫硫率低于濕法脫硫，吸收劑的利用率較低，獲得最佳的除酸效果，提高吸收劑的利用率就顯得至關(guān)重要。霧化器、煙氣導(dǎo)流葉片、半干式反應(yīng)塔及其附屬設(shè)備的功能為：
將石灰漿及冷卻水霧化成均勻的微粒；使煙氣在反應(yīng)塔內(nèi)分布均勻；強(qiáng)化煙氣與液滴的混合和接觸；提供適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度；提供足夠長的煙氣停留（反應(yīng)）時(shí)間。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從強(qiáng)化煙氣與液滴的混合和接觸，提供足夠的停留時(shí)間，防止半濕物料貼壁等方面著手。目前在工程實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上已經(jīng)得出了一些經(jīng)驗(yàn)公式、參數(shù)，基于流場分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)還沒見報(bào)道。
2.1反應(yīng)塔流場分析
煙氣旋轉(zhuǎn)進(jìn)入反應(yīng)塔，石灰漿和水經(jīng)霧化盤進(jìn)入反應(yīng)塔，與煙氣以相反旋轉(zhuǎn)方向混和發(fā)生反應(yīng)，氣、液、固三相反應(yīng)及流動(dòng)，生成固體產(chǎn)物。經(jīng)驗(yàn)表明對(duì)蒸發(fā)過程的有效控制，對(duì)避免在噴霧干燥塔內(nèi)形成沉積是十分重要的。因此對(duì)煙氣流動(dòng)采用CFD進(jìn)行分析，了解煙氣與液滴在不同的設(shè)計(jì)參數(shù)下的混合及分布狀態(tài)，了解液滴蒸發(fā)區(qū)的情況，從而確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
2.2數(shù)學(xué)模型
由于從霧化器噴嘴到反應(yīng)塔，其幾何尺度跨度很大，為得到足夠精細(xì)的網(wǎng)格，需要的網(wǎng)格數(shù)很龐大，為簡化起見，采用了二維軸對(duì)稱模型。由于煙氣出口的存在，并非嚴(yán)格的二維軸對(duì)稱，但對(duì)于反應(yīng)塔的前半段，還是基本真實(shí)的反映了其流場特征。計(jì)算采用雷諾應(yīng)力模型，氣相為干煙氣、水蒸氣，采用離散相（水）蒸發(fā)模型。因?yàn)橹饕疾煺舭l(fā)區(qū)的情況，以下對(duì)離散相顆粒運(yùn)動(dòng)作一簡單分析。
2.3顆粒運(yùn)動(dòng)方程
顆粒在x方向受力：
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此外還要考慮重力等因素（在x方向）。利用顆粒隨機(jī)軌道法，顆粒速度取流體平均速度或：
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則可得顆粒在給定時(shí)間的速率和位置。
粒徑按Rosin-Rammler分布，導(dǎo)流葉片角度為15°時(shí)，石灰漿液集中在中心區(qū)，石灰漿液集中在中心區(qū)，氣液不能充分混合；導(dǎo)流葉片角度為40°、50°時(shí)，顆粒碰到反應(yīng)塔壁，會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的結(jié)垢；導(dǎo)流葉片角度為25。時(shí)，既可得到較為充分的混合氣液，又能防止貼壁，由此保流葉片的角度為25°時(shí)為最優(yōu)設(shè)計(jì)。
3 結(jié)束語
針對(duì)噴霧脫硫法處理垃圾焚燒煙氣脫硫率和吸收劑利用率低的缺點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過探討，證明基于CFD的流場優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。
4 參考文獻(xiàn)略
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