半干法反應(yīng)塔數(shù)值模擬與流場(chǎng)優(yōu)化

秦為軍，陶正新，王正權(quán)

(光大環(huán)保技術(shù)裝備(常州)有限公司，江蘇 常州 213102)

垃圾焚燒發(fā)電由于具有無(wú)害化、減量化和資源化等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在成為處理日益增加的城市生活垃圾的一種重要方式[1]。然而，生活垃圾成分復(fù)雜且多變，在焚燒過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生各種對(duì)環(huán)境、對(duì)人體有害的大氣污染物，如氮氧化物、二氧化硫、氯化氫、粉塵、重金屬、二噁英等。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒電廠中廣泛使用的脫除二氧化硫和氯化氫等酸性氣體的方式是旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫酸[2-3]。其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的霧化盤將石灰漿霧化成霧滴噴入反應(yīng)塔中，石灰漿霧滴與煙氣中的氯化氫、二氧化硫進(jìn)行中和反應(yīng)并被干燥以達(dá)到脫酸的目的[4]。然而，很多垃圾焚燒發(fā)電廠投入半干法脫酸塔時(shí)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)存在霧化器振動(dòng)超標(biāo)、霧化盤板結(jié)和石灰漿掛壁等問(wèn)題，嚴(yán)重影響脫酸塔的可靠運(yùn)行。為了保證脫酸塔的高效和穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理組織煙氣流場(chǎng)十分重要。

某生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目規(guī)模為2×600 t/d，采用旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫除煙氣中SO2、HCL和HF等酸性氣體，霧化器選用比利時(shí)西格斯品牌。焚燒爐焚燒生活垃圾(不摻燒工業(yè)垃圾)時(shí)，機(jī)組運(yùn)行在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況下半干法脫酸塔脫酸效率高于85%。該項(xiàng)目于2020年6月份開(kāi)始運(yùn)行，然而脫酸塔運(yùn)行過(guò)程中，霧化器振動(dòng)傳感器數(shù)值頻繁超標(biāo)、軸承溫度過(guò)高和霧化器頻繁跳閘等問(wèn)題嚴(yán)重影響了半干法脫酸系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。通過(guò)將霧化器吊出反應(yīng)塔檢查發(fā)現(xiàn)霧化盤上端面及軸頸處石灰漿板結(jié)嚴(yán)重且不均勻，霧化盤上端面及軸頸處石灰漿板結(jié)如圖1所示。分析認(rèn)為石灰漿在霧化盤上不均勻性的板結(jié)是造成霧化器振動(dòng)頻繁超標(biāo)的原因。為了分析霧化盤上石灰漿板結(jié)的原因，文章對(duì)該脫酸塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上制定了一套合理的優(yōu)化方案，以減少霧化盤上石灰漿的板結(jié)，提高半干法反應(yīng)塔運(yùn)行的可靠性。

圖1 霧化盤上端面及軸頸處石灰漿板結(jié)

1 物理模型介紹

本文研究的對(duì)象為某規(guī)模為2×600 t/d垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的旋轉(zhuǎn)噴霧半干法反應(yīng)塔。該反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，它包括蝸殼形狀的煙氣入口煙道(蝸殼煙道)、配風(fēng)組件、反應(yīng)塔塔體以及煙氣出口煙道。其中配風(fēng)組件是組織煙氣與石灰漿霧滴進(jìn)行強(qiáng)烈混合、保證傳熱傳質(zhì)的關(guān)鍵部件，配風(fēng)組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，由進(jìn)風(fēng)葉片、旋流葉片和導(dǎo)流環(huán)等組成。

圖2 反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 配風(fēng)組件結(jié)構(gòu)示意圖

煙氣從余熱鍋爐過(guò)熱器進(jìn)入蝸殼煙道，經(jīng)蝸殼等壓分配后進(jìn)入配風(fēng)組件。在配風(fēng)組件內(nèi)導(dǎo)流葉片、旋流葉片作用下煙氣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)流環(huán)匯流至霧化盤噴嘴處。旋轉(zhuǎn)霧化器設(shè)計(jì)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速約為9 000 r/min。石灰漿在高速旋轉(zhuǎn)作用下被霧化并從霧化盤噴嘴噴出，與煙氣及酸性物質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)烈的傳熱和傳質(zhì)[5]。煙氣中的酸性物質(zhì)大部分被脫除，而石灰漿液滴被干燥成灰粒。干燥的灰粒一部分從反應(yīng)塔底部排出，另一部分隨煙氣進(jìn)入除塵器。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

半干法反應(yīng)塔的計(jì)算流體力學(xué)模型是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工圖紙按1∶1的比例建模。建模時(shí)為了兼顧模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符且計(jì)算量小，忽略了對(duì)反應(yīng)塔內(nèi)部流場(chǎng)影響較小的一些支撐結(jié)構(gòu)、附件等。此外，本文主要研究脫酸塔內(nèi)的流場(chǎng)，因此未對(duì)霧化器及霧化盤進(jìn)行建模，而是采用壁面代替。網(wǎng)格劃分采用多面體網(wǎng)格，對(duì)于近壁面處及流場(chǎng)變化梯度較大的區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。在進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，確定的最終網(wǎng)格數(shù)量為178萬(wàn)。

CFD模擬時(shí)湍流模型采用對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)模擬具有更高精度的SSTk-w湍流模型[6-7]。對(duì)于近壁面處通過(guò)壁面函數(shù)進(jìn)行近似處理[8]。邊界上的湍流尺度通過(guò)計(jì)算的湍流強(qiáng)度和水力直徑指定。在CFD模擬時(shí)，做了如下假設(shè)：(1)半干法反應(yīng)塔入口前為鍋爐過(guò)熱器，流動(dòng)比較均勻，因此將反應(yīng)塔入口設(shè)為均勻速度入口。(2)出口邊界條件設(shè)為均勻壓力出口且相對(duì)壓力設(shè)為-800 Pa。(3)灰斗底部因有鎖氣閥，漏風(fēng)可以忽略，因此灰斗底部設(shè)為壁面。

2.2 邊界條件

該反應(yīng)塔入口煙氣量為164 000 Nm3/h，入口煙氣溫度約為200 ℃。進(jìn)口煙道截面為邊長(zhǎng)為2.19 m的正方形。反應(yīng)塔出口煙道為φ2.1 m圓形煙道。據(jù)此計(jì)算得CFD模擬邊界條件見(jiàn)表1。

表1 邊界條件

2.3 模擬結(jié)果分析

圖4為煙氣在反應(yīng)塔塔內(nèi)中心截面的速度分布云圖(中心截面為反應(yīng)塔塔體軸線與反應(yīng)塔出口煙道軸線形成的平面)。從圖4可以看出：煙氣由蝸殼形入口煙道進(jìn)入配風(fēng)組件后，由于配風(fēng)組件流通截面急劇縮小，在配風(fēng)組件內(nèi)煙氣流速升高。高速流動(dòng)的煙氣在配風(fēng)組件導(dǎo)流葉片和渦流葉片的作用下，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)入反應(yīng)塔。煙氣進(jìn)入反應(yīng)塔后，由于反應(yīng)塔內(nèi)流通截面增大(塔徑D=10.5 m)，煙氣向反應(yīng)塔外側(cè)繼續(xù)擴(kuò)散。煙氣在塔內(nèi)整體呈現(xiàn)“幾”字形的流動(dòng)狀態(tài)。

圖4 反應(yīng)塔塔內(nèi)中心截面的速度分布云圖

圖5為配風(fēng)組件處的局部速度分布云圖，圖6為配風(fēng)組件處局部速度分布矢量圖。從圖5、圖6可以看出煙氣在配風(fēng)組件內(nèi)流動(dòng)時(shí)外側(cè)流速高、內(nèi)側(cè)流速低，煙氣主要集中于配風(fēng)組件的外側(cè)。煙氣從配風(fēng)組件進(jìn)入反應(yīng)塔后未沖向位于配風(fēng)組件中心處的霧化盤并與霧化盤噴嘴噴出的石灰漿液滴進(jìn)行脫酸反應(yīng)，而是繼續(xù)向反應(yīng)塔外側(cè)擴(kuò)散。霧化盤的下方及四周由于煙氣稀少、煙氣壓力低，沿著反應(yīng)塔向下流動(dòng)的主流煙氣在低壓的“吸引”下，一部分會(huì)回流至該處，形成了與煙氣主流方向相反的二次回流，如圖6所示。當(dāng)霧化盤噴嘴有石灰漿霧滴噴出時(shí)，石灰漿霧滴中粒徑小、速度低、剛性弱的霧滴將不能穿透霧化盤四周的二次回流區(qū)隨主流煙氣向出口流動(dòng)并進(jìn)行脫酸反應(yīng)，而是被二次回流裹挾回流到霧化盤上端面及軸頸處，并在熱煙氣干燥下形成石灰板結(jié)。模擬分析結(jié)果與項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)塔霧化盤上端面、軸頸處石灰漿板結(jié)現(xiàn)象相符合。

圖5 配風(fēng)組件處的局部速度分布云圖

圖6 配風(fēng)組件處的局部速度矢量圖

從圖5、圖6還可以看出煙氣在配風(fēng)組件入口處已經(jīng)呈現(xiàn)外側(cè)流速高、內(nèi)側(cè)流速低的現(xiàn)象。為了分析該現(xiàn)象形成原因，配風(fēng)組件入口處速度矢量圖如圖7所示。從圖7可以看出，由于該項(xiàng)目配風(fēng)組件中導(dǎo)流葉片切向角度較大，煙氣在導(dǎo)流葉片的作用下從蝸殼煙道進(jìn)入配風(fēng)組件時(shí)主要沿著配風(fēng)組件外側(cè)筒壁的切向進(jìn)入，因此煙氣在配風(fēng)組件內(nèi)主要集中于配風(fēng)組件的外側(cè)向下流動(dòng)。當(dāng)煙氣流動(dòng)至配風(fēng)組件出口進(jìn)入反應(yīng)塔時(shí)，在強(qiáng)烈的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)作用下便向反應(yīng)塔外側(cè)繼續(xù)擴(kuò)散，形成了霧化盤四周及下方的低壓煙氣區(qū)域。向下運(yùn)動(dòng)的主流煙氣中一部分回流至霧化盤處并裹挾石灰漿霧滴，最終形成霧化盤上端面及軸頸處石灰漿板結(jié)。

圖7 配風(fēng)組件入口處速度矢量圖

3 優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)原方案模擬結(jié)果分析得出：該項(xiàng)目半干法反應(yīng)塔的配風(fēng)組件入口導(dǎo)流葉片切向角度較大，煙氣沿著配風(fēng)組件外側(cè)進(jìn)入反應(yīng)塔，導(dǎo)致位于配風(fēng)組件中心的霧化盤四周及下方空間形成煙氣低壓區(qū)，向下運(yùn)動(dòng)的煙氣回流至此卷吸霧化盤噴嘴處漿液霧滴至霧化盤上端及軸頸處并被干燥成石灰是造成霧化盤上端和軸頸處石灰不均勻板結(jié)并進(jìn)一步引起霧化器頻繁振動(dòng)超標(biāo)的原因。

因此，本文優(yōu)化方案為：保持配風(fēng)組件進(jìn)口導(dǎo)流葉片的弧度不變，將導(dǎo)流葉片的曲率半徑由2 560 mm優(yōu)化為1 280 mm以減小導(dǎo)流葉片的切向角度，從而使得煙氣可以在配風(fēng)組件內(nèi)均勻分配，減小霧化盤四周及下方的二次回流區(qū)域。優(yōu)化前后導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)示意圖(下圖為優(yōu)化方案)

圖9為優(yōu)化后反應(yīng)塔中心截面速度分布云圖，圖10為優(yōu)化方案配風(fēng)組件處局部速度分布圖，圖11為優(yōu)化方案配風(fēng)組件處局部速度矢量圖。從圖9可以看出：優(yōu)化導(dǎo)流葉片后，煙氣不再主要聚集于配風(fēng)組件的外側(cè)，而是比較均勻的分布于整個(gè)配風(fēng)組件內(nèi)。當(dāng)煙氣從配風(fēng)組件進(jìn)入反應(yīng)塔塔體后仍然向外側(cè)擴(kuò)散，并在霧化盤的下方形成二次回流區(qū)。但是，相比于原方案，優(yōu)化方案霧化盤下方的二次回流區(qū)的范圍已經(jīng)大幅縮小。

圖9 優(yōu)化后反應(yīng)塔中心截面速度分布云圖

從圖10與圖11可以看出：采用優(yōu)化方案后，從配風(fēng)組件進(jìn)入反應(yīng)塔的煙氣中大部分沖向了霧化盤的噴嘴處。沖向霧化盤噴嘴處的高速煙氣氣流不僅可以攜帶大量石灰漿霧滴進(jìn)入反應(yīng)塔發(fā)生脫酸反應(yīng)、提供脫酸效率。而且還在霧化盤的上端面和軸頸處形成了起保護(hù)作用的“氣封”。該“氣封”可以防止石灰漿霧滴在霧化盤上端及軸頸處不均勻板結(jié)。

圖10 優(yōu)化方案配風(fēng)組件處局部速度分布圖

圖11 優(yōu)化方案配風(fēng)組件處局部速度矢量圖

圖12為配風(fēng)組件入口截面速度矢量分布圖。從圖12可以看出：減小了導(dǎo)流葉片的曲率半徑后，葉片的切向?qū)Я髯饔脺p弱、徑向?qū)Я髯饔迷鰪?qiáng)，煙氣在配風(fēng)組件入口處的分布更加的均勻。此外，相比較于原方案中葉片之間的狹長(zhǎng)流道，優(yōu)化方案還拓寬了葉片間的流道，增大了葉片間的通流面積，降低了煙氣流速。當(dāng)煙氣中飛灰較多時(shí)，低煙氣流速可以減少葉片磨損、保護(hù)設(shè)備。

圖12 配風(fēng)組件入口截面速度矢量分布圖

該半干法反應(yīng)塔按優(yōu)化方案改造后，霧化器振動(dòng)傳感器數(shù)值控制在報(bào)警值內(nèi)，霧化器不再頻繁跳閘。將霧化器吊出反應(yīng)塔檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)石灰漿在霧化盤上端和軸頸處的板結(jié)得到了明顯改善。優(yōu)化方案達(dá)到了預(yù)期的效果，保證了反應(yīng)塔的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)半干法反應(yīng)塔配風(fēng)組件內(nèi)的導(dǎo)流葉片切向角度過(guò)大時(shí)，會(huì)使煙氣集中于配風(fēng)組件的外側(cè)并在霧化盤四周及下方形成較大范圍的煙氣回流。

(2)霧化盤四周及下方的煙氣回流會(huì)將石灰漿霧滴卷吸至霧化盤上端面及軸頸處，形成石灰不均勻性板結(jié)。

(3)通過(guò)合理的設(shè)計(jì)半干法反應(yīng)塔配風(fēng)組件內(nèi)的導(dǎo)流葉片曲率半徑，減小切向角度，可以使煙氣在配風(fēng)組件內(nèi)均勻分配，防止霧化盤上端和軸頸處的石灰板結(jié)，提高半干法脫酸系統(tǒng)的可靠性。