摘要：生活垃圾焚燒廠半干法+干法的煙氣凈化工藝設(shè)計(jì)中，反應(yīng)塔的形式與合理布置是塔內(nèi)氣體混合均勻、反應(yīng)完全的有效措施之一。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD） 模擬對(duì)反應(yīng)塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過FLUENT 模擬軟件模擬反應(yīng)塔的進(jìn)風(fēng)口對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響。通過模擬發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)塔進(jìn)風(fēng)口的布設(shè)可以實(shí)現(xiàn)最佳的反應(yīng)塔流場(chǎng)工況。

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾,焚燒,反應(yīng)塔,CFD 模擬

隨著垃圾焚燒廠的增加，焚燒處理量也明顯增加。從2003 年的47 座垃圾焚燒廠處理量369 萬t 增加到2008 年的74 座處理量1 569. 7 萬t［1］。越來越多的焚燒廠投入運(yùn)營(yíng)，焚燒廠的污染問題也越來越受到公眾的關(guān)注。大氣污染是焚燒廠的主要污染問題之一，煙氣凈化工藝的選擇決定了焚燒廠的煙氣處理能否達(dá)標(biāo)以及其運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于半干法+干法煙氣處理工藝而言，反應(yīng)塔的效率決定了煙氣處理的效果和經(jīng)濟(jì)性，筆者以威海市垃圾焚燒處理廠二期工程為例，對(duì)其煙氣反應(yīng)塔的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模為日焚燒處理生活垃圾700 t，年處理能力23. 1 萬t。焚燒采用2 臺(tái)350 t/d 機(jī)械爐排爐（預(yù)留1 臺(tái)2. 0 MW 背壓式汽輪發(fā)電機(jī)）。機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)為8 000 h。焚燒線工藝和關(guān)鍵設(shè)備引進(jìn)日本荏原株式會(huì)社往復(fù)式機(jī)械爐排爐；煙氣凈化采用半干法+干法+活性炭噴射+ 布袋除塵工藝；設(shè)置煙氣在線監(jiān)測(cè)裝置。

2 煙氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 臺(tái)鍋爐將安裝2 套相同的煙氣凈化（FGC）系統(tǒng)。入口煙氣參數(shù)見表1。

3 工藝描述

原煙氣由反應(yīng)塔頂部進(jìn)入。同時(shí)在反應(yīng)塔上部采用固定噴嘴將消石灰漿液噴入塔內(nèi)與煙氣中的酸性物質(zhì)在反應(yīng)塔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除HCl、 SO2 等酸性有害物質(zhì)，從而完成脫酸過程。煙氣經(jīng)反應(yīng)塔的底部出口排出后，進(jìn)入布袋除塵器內(nèi)，經(jīng)除塵后由煙囪排入大氣。部分粉塵在塔內(nèi)隨著煙氣向下流動(dòng)，在重力、慣性力作用下沉入塔底部由排灰裝置排出。同時(shí)在反應(yīng)塔出口管道備用消石灰粉噴入。

本系統(tǒng)包括反應(yīng)塔、布袋除塵器、工藝水系統(tǒng)、石灰漿存儲(chǔ)及制備系統(tǒng)、活性炭噴射系統(tǒng)、飛灰輸送及存儲(chǔ)系統(tǒng)。其工藝流程如圖1 所示。

4 反應(yīng)塔的設(shè)計(jì)

反應(yīng)塔的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，塔內(nèi)流場(chǎng)的分布關(guān)系到脫酸效果和石灰漿的消耗量。筆者采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， 簡(jiǎn)稱 CFD） 對(duì)塔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。CFD 是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)做了分析。CFD 的基本思想可以歸納為：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD 可以看作是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程） 控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等） 的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定渦流分布特性、空化特性及脫硫區(qū)等。與CAD 聯(lián)合，還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

CFD 采用的軟件是FLUENT。FLUENT 是用于計(jì)算復(fù)雜幾何條件下流動(dòng)和傳熱問題的程序，它提供的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，把計(jì)算相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)問題變得容易和輕松。FLUENT 軟件是目前市場(chǎng)上最流行的CFD 軟件，它在美國的市場(chǎng)占有率達(dá)到60%。

現(xiàn)反應(yīng)塔的結(jié)構(gòu)為1 座塔3 個(gè)進(jìn)口，鍋爐出口煙道在與反應(yīng)塔對(duì)接前要經(jīng)過變徑（1 分3），見圖2。

4. 1 反應(yīng)塔前變徑段導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

為了保證反應(yīng)塔3 個(gè)進(jìn)口煙氣流量、流速分布均勻，需要對(duì)反應(yīng)塔進(jìn)口前的變徑段做CFD 模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)圖2 的設(shè)計(jì)進(jìn)行CFD 模擬，結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，導(dǎo)流板轉(zhuǎn)角處有渦流，需對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行流線處理后，再次進(jìn)行CFD 模擬，結(jié)果見圖4。

從圖4 可看出，對(duì)導(dǎo)流板和煙道轉(zhuǎn)角做圓滑處理后，煙道轉(zhuǎn)角渦流減少，但導(dǎo)流板倒角不夠，導(dǎo)流板太長(zhǎng)使導(dǎo)流板處有渦流。導(dǎo)流板重新設(shè)計(jì)后，再次CFD 模擬，結(jié)果見圖5，可以看出，導(dǎo)流板處渦流明顯減少，3 個(gè)出口（即反應(yīng)塔進(jìn)口）煙氣流量、流速分布都很均勻。

4. 2 反應(yīng)塔進(jìn)口導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

從圖5 可看出，采用雙導(dǎo)流板與單導(dǎo)流板，反應(yīng)塔進(jìn)口段的流速分布均存在不均勻的情況。針對(duì)上述情況，采取對(duì)導(dǎo)流板加長(zhǎng)措施，再分別對(duì)雙導(dǎo)流板與單導(dǎo)流板進(jìn)行CFD 模擬，結(jié)果見圖6。

從圖6 可看出，加長(zhǎng)后的雙導(dǎo)流板反應(yīng)塔的進(jìn)口處流速分布均勻。

4. 3 反應(yīng)塔噴槍設(shè)計(jì)

噴槍布置3 個(gè)，反應(yīng)塔的每個(gè)進(jìn)氣口布置1 個(gè)，其模擬結(jié)果見圖7。從圖7 看出，噴槍的布置對(duì)流場(chǎng)幾乎沒有影響，且噴槍能覆蓋大部分的圖2 反應(yīng)塔進(jìn)口段設(shè)計(jì)方案反應(yīng)塔面積。

4. 4 反應(yīng)塔的整體CFD 模擬

根據(jù)上述細(xì)部模擬，對(duì)反應(yīng)塔進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其整體模擬結(jié)果見圖8。由圖8 可見，上述優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)流場(chǎng)的均勻分布起到了很大作用，CFD 模擬達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)論

通過對(duì)固定噴嘴的反應(yīng)塔的CFD 模擬，為保證反應(yīng)塔進(jìn)口流場(chǎng)的均勻分布，在反應(yīng)塔進(jìn)口處變徑段，導(dǎo)流板必須進(jìn)行倒角流線處理，且長(zhǎng)度宜短；在反應(yīng)塔進(jìn)口拐彎處，導(dǎo)流板宜設(shè)計(jì)為雙導(dǎo)流板，且應(yīng)加長(zhǎng)；噴槍布置在進(jìn)口段的管內(nèi)，對(duì)流場(chǎng)幾乎沒有影響。從CFD 模擬的運(yùn)用情況來看，可以從理論上達(dá)到反應(yīng)塔內(nèi)流場(chǎng)的均勻分布，提高塔內(nèi)反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)最佳的煙氣凈化效果，同時(shí)降低處理成本，是煙氣凈化工藝設(shè)計(jì)的有效手段，其應(yīng)用在煙氣凈化工藝設(shè)計(jì)上是一種有益的嘗試和創(chuàng)新，但是實(shí)際的效果有待本項(xiàng)目投產(chǎn)后驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

［1］ 國家統(tǒng)計(jì)局. 中國統(tǒng)計(jì)年鑒2009［M］. 北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2009.

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