噴霧干燥脫硫法及優(yōu)化設計
1 引言
噴霧干燥法商業(yè)應用已有20多年歷史，在煙氣脫硫市場占有率居第二。該法是利用噴霧干燥的原理，將吸收劑漿液霧化噴入吸收塔。在吸收塔內，吸收劑與煙氣中的二氧化硫等酸性物質發(fā)生化學反應的同時，吸收煙氣中的熱量使吸收劑中水分蒸發(fā)干燥。完成脫硫反應后的干粉狀產物，部分在塔內分離，由吸收塔錐形底部排出，部分隨除酸后的煙氣進入除塵設備。
旋轉噴霧干燥法系統相對簡單、投資低、運行費用也不高；運行相當可靠，不會產生結垢和堵塞；由于其干式運行，最終產物易于處理；只要控制好干燥吸收器的出口煙氣溫度，對于設備的腐蝕性也不高。但脫硫效率略低于濕法。適用于中小型電廠。噴霧干燥法與活性碳噴射、布袋除塵器聯用，可除去垃圾焚燒煙氣含有對環(huán)境有害的酸性氣體、顆粒物、重金屬、二噁英/呋喃等污染物，使污染物排放達到標準。作為深圳市環(huán)保示范工程的南山垃圾焚燒電廠的煙氣凈化系統即由旋轉噴霧及吸收塔系統，活性炭噴射及袋式除塵器系統組成。煙氣首先經過半干式反應塔除去酸性物質；接著在反應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噁英。最后煙氣進入袋式除塵器，幾乎所有的固體顆粒包括煙塵、反應生成物（固態(tài)）、未完全反應的石灰、固態(tài)重金屬以及吸附有二噁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，需要從理論上對其流場進行分析，本文將利用計算流體力學方法（CFD）討論旋轉噴霧及半干式反應塔的優(yōu)化設計。
2 噴霧干燥脫硫工藝及原理
旋轉噴霧煙氣脫硫工藝一般用生石灰（主要成分是CaO）作吸收劑。生石灰經熟化變成具有較好反應能力的熟石灰（主要成分是Ca（OH）2）漿液。熟石灰漿液經裝在吸收塔頂部的高達15000-20000r/min的高速旋轉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)生強烈的熱交換和化學反應，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反應。噴霧干燥煙氣脫硫化學過程：
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該系統工作過程清潔，無廢水產生；生成物為固態(tài)，容易處理；流程簡單、設備可靠、易于運行和維護。南山垃圾焚燒發(fā)電廠經該處理系統凈化后排放的煙氣指標如下表：
表1 南山垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放指標
種類
煙氣排放指標
灰塵（mg/Nm3）<=30
HCL(mg/Nm3) <=50
HF(mg/Nm3) <=2
SO2(mg/Nm3) <=220
NOx(mg/Nm3) <=400
CO(mg/Nm3) <=100
Cd+Hg(mg/Nm3) <=0.2
Ni+As(mg/Nm3) <=1
As,Cr,Co,Cu等(mg/Nm3)<=5
二惡英(ng-TEQ/Nm3) <=0.1
3 優(yōu)化設計
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致關重要。分析霧化器、煙氣導流葉片、半干式反應塔及其附屬設備的功能如下：將石灰漿及冷卻水霧化成均勻的微粒；使煙氣在反應塔內分布均勻；強化煙氣與液滴的混合和接觸；為反應提供適當的反應溫度；提供足夠長的煙氣停留（反應）時間。優(yōu)化設計主要從強化煙氣與液滴的混合和接觸，提供足夠的停留時間，防止半濕物料貼壁等方面著手。前人在工程實踐及實驗的基礎上已經得出了一些經驗公式、參數甚至是一些優(yōu)化的設計，但這都是特例，缺乏規(guī)律性的探討，基于流場分析的優(yōu)化設計還沒見報道。
4 反應塔流場分析
煙氣旋轉進入反應塔，石灰漿和水經過霧化盤進入反應塔，與煙氣以相反旋轉方向混和發(fā)生反應，生成固體產物。是氣、液、固三相反應及流動。經驗表明保證對蒸發(fā)過程的有效控制，對避免在噴霧干燥塔內形成沉積是十分重要。因此對流動進行CFD分析，了解煙氣與液滴在不同的設計參數下的混合及分布，了解液滴蒸發(fā)區(qū)的大小。從而確定最優(yōu)設計。
5 數學模型
由于從霧化器噴嘴到反應塔，其幾何尺度跨度很大，為得到足夠精細的網格，需要的網格數很龐大，為簡化起見，采用了2維軸對稱模型，盡管由于煙氣出口的存在，所討論的問題并非嚴格的2維軸對稱，但對于反應塔的前半段，還是基本真實的反映了其流場特征。計算采用雷諾應力模型，氣相為干煙氣、水蒸氣，采用離散相（水）蒸發(fā)模型。因為主要考察蒸發(fā)區(qū)的情況，以下對離散相顆粒運動作一簡單分析。
6 顆粒運動方程
顆粒在x方向受力
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是單位質量顆粒所受拉曳力，雷諾數和拉曳系數如下
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旋轉邊界產生的力在x,y方向分別為
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熱泳力
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Dt,p是熱泳力系數
Saffman's升力
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此外還要考慮重力等(重力在X方向)。利用顆粒隨機軌道法顆粒速度取流體平均速度或
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顆粒軌跡按下式積分
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軌跡方程簡化為
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式顆粒馳預時間，采用梯形法對上式積分，
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則可得顆粒在給定時間的速率和位置粒徑按Rosin-Rammler分布比較不同煙氣導流葉片角度的顆粒軌跡圖,可以給出優(yōu)化設計。由圖1可見，導流葉片角度為15時，石灰漿液集中在中心區(qū)，氣液不能充分混合；導流葉片角度為40、50度時，顆粒碰到反應塔壁，會導致較嚴重的結垢；導流葉片角度為25度時，既可得到較為充分的氣液混合，又能防止貼壁。此即給定條件下的最優(yōu)設計。
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圖1 半干反應塔噴霧軌跡圖（導流葉片角度依次為15，25，40，50）
7 結語
噴霧脫硫具有工作過程清潔，無廢水產生；生成物為固態(tài)，容易處理；流程簡單、設備可靠、易于運行和維護等優(yōu)點。對于其脫硫率和吸收劑的利用率低的缺點，有必要進行優(yōu)化設計。本文的初步模擬結果，表明對一定條件下的霧化器及反應塔，存在一個最優(yōu)的煙氣進口角度，在提高吸收劑利用率的同時避免塔體結垢。
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