1  引言

噴霧干燥法商業(yè)應(yīng)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(nèi)，吸收劑與煙氣中的二氧化硫等酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)后的干粉狀產(chǎn)物，部分在塔內(nèi)分離，由吸收塔錐形底部排出，部分隨除酸后的煙氣進(jìn)入除塵設(shè)備。

旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法系統(tǒng)相對簡單、投資低、運(yùn)行費(fèi)用也不高；運(yùn)行相當(dāng)可靠，不會產(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，對于設(shè)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(lián)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。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(tǒng)即由旋轉(zhuǎn)噴霧及吸收塔系統(tǒng)，活性炭噴射及袋式除塵器系統(tǒng)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噁英。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、反應(yīng)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(jìn)行分析，本文將利用計算流體力學(xué)方法（CFD）討論旋轉(zhuǎn)噴霧及半干式反應(yīng)塔的優(yōu)化設(shè)計。

2  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：

該系統(tǒng)工作過程清潔，無廢水產(chǎn)生；生成物為固態(tài)，容易處理；流程簡單、設(shè)備可靠、易于運(yùn)行和維護(hù)。南山垃圾焚燒發(fā)電廠經(jīng)該處理系統(tǒng)凈化后排放的煙氣指標(biāo)如下表：

表1  南山垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放指標(biāo)

種類

煙氣排放指標(biāo)

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(shè)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(guān)重要。分析霧化器、煙氣導(dǎo)流葉片、半干式反應(yīng)塔及其附屬設(shè)備的功能如下：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；為反應(yīng)提供適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度；提供足夠長的煙氣停留（反應(yīng)）時間。優(yōu)化設(shè)計主要從強(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(chǔ)上已經(jīng)得出了一些經(jīng)驗公式、參數(shù)甚至是一些優(yōu)化的設(shè)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(shè)計還沒見報道。

4  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)過霧化盤進(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)，生成固體產(chǎn)物。是氣、液、固三相反應(yīng)及流動。經(jīng)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(nèi)形成沉積是十分重要。因此對流動進(jìn)行CFD分析，了解煙氣與液滴在不同的設(shè)計參數(shù)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(shè)計。

5  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(yán)格的2維軸對稱，但對于反應(yīng)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(yīng)力模型，氣相為干煙氣、水蒸氣，采用離散相（水）蒸發(fā)模型。因為主要考察蒸發(fā)區(qū)的情況，以下對離散相顆粒運(yùn)動作一簡單分析。

6  顆粒運(yùn)動方程

顆粒在x方向受力

是單位質(zhì)量顆粒所受拉曳力，雷諾數(shù)和拉曳系數(shù)如下

旋轉(zhuǎn)邊界產(chǎn)生的力在x,y方向分別為

熱泳力

Dt,p是熱泳力系數(shù)

Saffman's升力

此外還要考慮重力等(重力在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

顆粒軌跡按下式積分

軌跡方程簡化為

式顆粒馳預(yù)時間，采用梯形法對上式積分，

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(dǎo)流葉片角度的顆粒軌跡圖,可以給出優(yōu)化設(shè)計。由圖1可見，導(dǎo)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(dǎo)流葉片角度為40、50度時，顆粒碰到反應(yīng)塔壁，會導(dǎo)致較嚴(yán)重的結(jié)垢；導(dǎo)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(shè)計。

圖1  半干反應(yīng)塔噴霧軌跡圖（導(dǎo)流葉片角度依次為15，25，40，50）

7  結(jié)語

噴霧脫硫具有工作過程清潔，無廢水產(chǎn)生；生成物為固態(tài)，容易處理；流程簡單、設(shè)備可靠、易于運(yùn)行和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。對于其脫硫率和吸收劑的利用率低的缺點(diǎn)，有必要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文的初步模擬結(jié)果，表明對一定條件下的霧化器及反應(yīng)塔，存在一個最優(yōu)的煙氣進(jìn)口角度，在提高吸收劑利用率的同時避免塔體結(jié)垢。

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