文丘里洗滌塔在危廢焚燒尾氣凈化中的應(yīng)用及CFD模擬分析

陳賢春 許 燦 鄒 鎂 王 奔

（1.湖南省環(huán)科院環(huán)境工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南北控威保特環(huán)境科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

文丘里塔由于其優(yōu)越的除塵[1]、降溫、傳質(zhì)[2-3]性能在化工行業(yè)中作為噴霧器具有廣泛的應(yīng)用，因其作為洗滌器具有結(jié)構(gòu)輕巧、操作簡(jiǎn)便、降溫除塵吸收效率高[4]的突出特點(diǎn)在尾氣凈化中逐漸得到推廣與應(yīng)用。但是，文丘里塔在危險(xiǎn)廢物焚燒尾氣凈化中的應(yīng)用較少，因此可以將優(yōu)點(diǎn)眾多的文丘里技術(shù)應(yīng)用到危廢焚燒尾氣凈化中。

針對(duì)危廢焚燒尾氣的成分特點(diǎn)，在確保經(jīng)濟(jì)性、高效性、先進(jìn)性、可行性的前提下，該項(xiàng)目采用 “急冷塔+布袋除塵器+文丘里洗滌塔+深度凈化系統(tǒng)+引風(fēng)機(jī)+蒸汽換熱器+煙囪”的廢氣治理工藝路線(xiàn)。該文主要探討文丘里洗滌塔在危廢焚燒尾氣中應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)，并利用先進(jìn)的ANSIS Fluent 軟件進(jìn)行CFD流場(chǎng)模擬，確定文丘里洗滌塔喉口處的最佳煙氣流速。

1 文丘里洗滌塔在危廢焚燒尾氣凈化中的應(yīng)用實(shí)例

1.1 文丘里洗滌塔進(jìn)出口煙氣參數(shù)

危險(xiǎn)廢物焚燒尾氣中所含的污染物成分除常見(jiàn)的SO2、NOx、顆粒物外，還含有與危險(xiǎn)廢物原料成分息息相關(guān)的HCl、HF、二噁英、重金屬等污染物。文丘里洗滌塔位于除塵器之后，其進(jìn)口煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)文丘里洗滌塔的降溫、除塵及預(yù)脫酸的作用，經(jīng)文丘里洗滌塔之后，溫度大幅度降低，進(jìn)一步去除煙氣中的顆粒物，預(yù)先除去部分酸性污染物，為后續(xù)深度凈化工藝提供條件并減少建設(shè)及運(yùn)行成本，確保凈煙氣達(dá)標(biāo)排放。文丘里洗滌塔出口煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 文丘里洗滌塔結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

如圖1所示，文丘里洗滌塔由文丘里段和洗滌段組成。文丘里段設(shè)置在洗滌段左上方，根據(jù)文丘里結(jié)構(gòu)特性自上而下設(shè)置煙氣入口段、收縮段、喉口和擴(kuò)散段，并于煙氣入口段兩側(cè)開(kāi)孔接入洗滌液噴淋管，噴淋管末端裝設(shè)噴嘴。洗滌段為圓形，筒體上設(shè)置工程所需的人孔、與泵連接孔、排凈孔等，在右上角設(shè)置煙氣出口。

圖1 文丘里洗滌塔結(jié)構(gòu)示意圖

文丘里洗滌塔材質(zhì)：文丘里段溫度高（高達(dá)185 ℃）、氣速快，材質(zhì)要求耐高溫耐壓耐腐蝕，筒體采用1.4529；洗滌段溫度相對(duì)較低（約100 ℃）、氣速較低，材質(zhì)要求耐溫耐壓耐腐蝕，筒體采用碳鋼襯1.4529。

煙氣處理流程如下：危廢焚燒尾氣從文丘里段頂部進(jìn)入，在文丘里收縮段開(kāi)始加速，至喉口處速度達(dá)到最大，高流速的煙氣沖擊洗滌液（洗滌液從文丘里收縮段上方的洗滌液噴淋管?chē)娙耄┍砻?，將洗滌液霧化成大量微小霧滴，因此增加了液體的表面積，利于氣液之間進(jìn)行熱量交換及物質(zhì)反應(yīng)，使焚燒尾氣溫度大幅度降低的同時(shí)除去了部分酸性污染物。此外，被焚燒尾氣沖撞高速運(yùn)動(dòng)的霧滴易于與細(xì)小的塵粒凝聚，以進(jìn)一步去除焚燒尾氣中的顆粒物。焚燒尾氣往下到達(dá)擴(kuò)散段時(shí)，流速慢慢降低，氣相的剪切力繼續(xù)發(fā)揮作用使霧滴進(jìn)一步破碎，使物化反應(yīng)更完全，達(dá)到降溫、除塵、脫酸的目的。焚燒尾氣經(jīng)過(guò)文丘里段的強(qiáng)烈反應(yīng)后進(jìn)入洗滌段，尾氣俯沖而下至洗滌段底部，受洗滌段底部的反作用力后在洗滌段內(nèi)呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了焚燒尾氣與洗滌段內(nèi)洗滌液的接觸時(shí)間，進(jìn)而延長(zhǎng)吸附反應(yīng)的時(shí)間，以提高脫酸效率。經(jīng)文丘里洗滌塔洗滌后的尾氣進(jìn)入下一級(jí)深度凈化系統(tǒng)，確保凈化后的尾氣達(dá)標(biāo)排放。

1.3 文丘里洗滌塔的作用原理

文丘里洗滌塔在危險(xiǎn)廢物焚燒尾氣凈化中發(fā)揮了顯著的降溫作用、深度除塵作用及初步的脫酸作用，原理如下。

降溫原理：從文丘里收縮段上部經(jīng)噴嘴噴入的洗滌液，經(jīng)喉口處的高速氣體霧化后，將洗滌液破碎至粒徑為100μm～200μm的微小霧滴[5]，大大增加液滴與尾氣的接觸傳質(zhì)面積，與熱氣流接觸后，熱量從氣體中傳遞到液滴中，液滴溫度升高并蒸發(fā)[6]，用該方式將氣體的熱量帶走使氣體溫度急速降低。喉管處氣速越高，霧化效果越好，液滴表面積越大，傳熱效果越好；喉管處氣速越高，紊流程度越大，雷諾數(shù)越大，而傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)成正比。因此，喉口處氣速越高，文丘里洗滌塔降溫效率越高。

除塵原理：高溫焚燒尾氣進(jìn)入文丘里收縮段后，氣體流速隨著收縮段截面積的縮小而快速增大，在喉口處增至最大值，此時(shí)氣體的動(dòng)能最大，壓力能最小。

高速的氣流使氣體和液體混合充分，使氣體中的粉塵與液滴碰撞沉降的概率增大，碰撞之后的微小含塵液滴在擴(kuò)散段中凝聚成更大的液滴，液滴的大小直接影響洗滌段中氣液分離效率的高低[7]。 液滴越大，氣液分離越徹底，除塵效率越高。

脫酸原理：與焚燒尾氣混合的液體采用堿液，堿液可與焚燒尾氣中的酸性污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將部分酸性污染物進(jìn)行吸收凈化。吸收反應(yīng)主要發(fā)生在喉口處和洗滌段。喉口處高速的氣流加快了堿液與尾氣中酸性污染物的反應(yīng)速度，使污染物快速被吸收。從擴(kuò)散段減速進(jìn)入洗滌段的氣體在洗滌液中呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了氣體與洗滌液的接觸時(shí)間，進(jìn)而延長(zhǎng)吸附反應(yīng)的時(shí)間，使氣體得到進(jìn)一步凈化。

2 CFD模擬

喉口處氣速的選取不能過(guò)大也不能過(guò)小，過(guò)大則壓力損失大，相應(yīng)的成本和能耗提高，過(guò)小則霧化效果差，無(wú)法保證洗滌塔的降溫、除塵、脫酸效果。因此采用CFD模擬來(lái)確定最佳氣速。

程錦承等人[8]采用CFD模擬軟件對(duì)文丘里氣液分布管進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果指出：氣體流量對(duì)混合流流速影響較大，液體流量對(duì)其影響較小，因此該文只研究氣體流速對(duì)混合流流場(chǎng)的影響。

2.1 物理原型

選取文丘里洗滌塔作為數(shù)值計(jì)算的物理原型，并在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)對(duì)物理原型的計(jì)算區(qū)域稍作改進(jìn)。以文丘里段入口至洗滌段尾氣出口作為研究區(qū)域，并認(rèn)為洗滌液噴嘴對(duì)流場(chǎng)的影響可以忽略。采用Fluent商用軟件分別對(duì)喉口氣速為25 m/s、40 m/s、50 m/s時(shí)的氣相流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 基本假設(shè)及網(wǎng)格劃分

2.2.1 基本假設(shè)

為方便文丘里洗滌塔內(nèi)氣相流場(chǎng)的模擬計(jì)算，使塔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況得以簡(jiǎn)化，做以下假設(shè)：1）將焚燒尾氣作為連續(xù)相考慮，視為不可壓縮黏性流體，忽略其溫度變化對(duì)密度的影響。2）忽略塔內(nèi)洗滌液噴淋管、噴嘴等構(gòu)件對(duì)傳熱及流動(dòng)的影響。3）假定文丘里洗滌塔絕熱，煙氣與噴淋液滴進(jìn)行對(duì)流換熱。4）顆粒初始速度均勻分布。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

利用Fluent軟件對(duì)文丘里洗滌塔流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算。選取k-ε模型，采用多面體網(wǎng)格，計(jì)算選用Simple算法。

2.3 結(jié)果與討論

如圖2所示 ，焚燒尾氣從上至下傾入文丘里段，入口煙氣流速為15 m/s，在收縮段開(kāi)始加速，于喉口處氣速分別達(dá)到25m/s、40m/s、50m/s，之后在擴(kuò)散段減速，減速后沖入洗滌段，在洗滌段內(nèi)呈無(wú)規(guī)則螺旋狀流動(dòng)。

圖2 各喉口氣速下文丘里洗滌塔塔內(nèi)速度分布圖

喉口氣速為25 m/s時(shí)塔內(nèi)速度分布流場(chǎng)顯示：當(dāng)煙氣沖入洗滌段后，因流速較低經(jīng)底部碰撞后大部分氣體無(wú)法沖至頂部再?gòu)椈叵礈煲褐?，直接在洗滌段中部打轉(zhuǎn)后通過(guò)右側(cè)出口排出，出口速度流場(chǎng)均勻性差。整個(gè)過(guò)程流場(chǎng)加速與減速過(guò)程均較緩，喉口處?kù)F化效果較差，速度分布不均勻，流線(xiàn)稀疏，塔內(nèi)未被尾氣布滿(mǎn)的空間較多，洗滌段內(nèi)流場(chǎng)分布較亂，有部分尾氣從擴(kuò)散段沖入洗滌段后未減速直接往洗滌段頂部沿壁流往出口，尾氣在洗滌液中的停留時(shí)間短。根據(jù)楊冰[9]采用的文丘里洗滌器壓力損失公式計(jì)算，如公式（1）所示，取液比為0.727L/m3時(shí)，文丘里段的壓損為468Pa。

式中：ΔP—文丘里洗滌器的氣體壓力損失，cmH20。υr—喉管氣體速度，cm/s。L—液氣體積比，一般為0.5L/m3～1.0 L/m3。

喉口氣速為40 m/s時(shí)塔內(nèi)速度分布流場(chǎng)顯示：整個(gè)過(guò)程流場(chǎng)加速較快，減速較緩，喉口處?kù)F化效果較好，速度分布均勻，流線(xiàn)密集，塔內(nèi)空間基本布滿(mǎn)尾氣，洗滌段內(nèi)靠近出口方向有一處較小的渦流，旋渦以上的塔內(nèi)空間已經(jīng)布滿(mǎn)尾氣，尾氣在洗滌液中有充分的停留時(shí)間。根據(jù)公式（1）計(jì)算，取液比為0.727L/m3時(shí)，文丘里段的壓損為1198Pa。

喉口氣速為50 m/s時(shí)塔內(nèi)速度分布流場(chǎng)顯示：整個(gè)過(guò)程流場(chǎng)加速與減速均較快，喉口處?kù)F化效果較好，速度分布均勻，流線(xiàn)較密集，文丘里段塔內(nèi)空間布滿(mǎn)尾氣；洗滌段流場(chǎng)分布較亂，塔內(nèi)尾氣擴(kuò)容作用較差，塔內(nèi)空間未被尾氣充滿(mǎn)，大部分尾氣從擴(kuò)散段沖入洗滌段后與塔壁碰撞次數(shù)較少，尾氣在洗滌液中沒(méi)有充足的停留時(shí)間。根據(jù)公式（1）計(jì)算，取液比為0.727L/m3時(shí)，文丘里段的壓損為1872Pa。

從流場(chǎng)模擬結(jié)果可知，當(dāng)喉口處氣速為40m/s時(shí)，塔內(nèi)流場(chǎng)均勻順暢、流線(xiàn)密集有規(guī)律，氣速變化均勻，喉口處?kù)F化效果好，在洗滌液中有充足的停留時(shí)間，壓力損失較小，因此喉口處煙氣最佳流速為40m/s。

3 結(jié)語(yǔ)

文丘里洗滌塔在危廢焚燒尾氣的凈化中具有急速降溫、深度除塵及初步脫酸的作用，在該文的煙氣條件下，喉口處煙氣流速選取40m/s時(shí)，煙氣綜合凈化效果最佳、成本較低，在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。2020年11月發(fā)布了最新的《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18484-2020），該標(biāo)準(zhǔn)自2021年7月1日開(kāi)始實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮氧化物的排放濃度大幅度降低，因此在今后的工程應(yīng)用中增加脫硝措施，確保凈煙氣最終達(dá)標(biāo)排放。該文采用的文丘里洗滌塔的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、性能參數(shù)可為同類(lèi)工程提供參考。