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        急冷塔運行工況參數(shù)的數(shù)值模擬分析

        2020-05-31 11:04:10郭慧媛
        廣州化工 2020年9期
        關(guān)鍵詞:煙氣影響

        郭慧媛

        (陜西省石油化工學(xué)校,陜西 西安 710061)

        固體廢物焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂蓄w粒物、有機(jī)物和氯化物等諸多成分,在降溫過程中產(chǎn)生二噁英類物質(zhì),造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。根據(jù)二噁英類物質(zhì)生成機(jī)理,縮短煙溫在250~500 ℃區(qū)間的時間是一種簡單有效的方法[1]。煙氣急冷塔是一種迅速降低煙氣溫度、控制二噁英類污染的常用設(shè)備[2]。本論文采用商用fluent流體力學(xué)計算軟件進(jìn)行數(shù)值計算,根據(jù)某垃圾焚燒系統(tǒng)急冷塔按1:1建立模型,急冷塔選用雙流體單噴嘴結(jié)構(gòu),噴嘴型號和霧化數(shù)據(jù)參考Spraying公司樣本,模型中簡化了噴嘴和噴嘴保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)。模型主要采用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格法,煙道彎頭及安裝噴嘴處采用的是四面體網(wǎng)格化方法,整個模型的網(wǎng)格數(shù)量約為26萬個單元。急冷塔內(nèi)噴入的霧化液滴蒸發(fā)降溫過程是非常復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程,并發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)[3],計算模型中僅考慮液滴的蒸發(fā)傳質(zhì)傳熱過程,不考慮物化反應(yīng)和液滴間的相互作用。

        1 噴嘴型號

        該急冷塔使用的噴嘴為:FM10型,Spraying公司。噴射錐角有兩種,一種是20°錐角,另一種是55°錐角。在其他條件相同的前提下將兩個不同錐角的噴嘴進(jìn)行模擬計算,比較結(jié)果如表1所示。

        圖1 急冷塔結(jié)構(gòu)

        表1 模擬結(jié)果對比統(tǒng)計

        由表1可見,這兩種型號噴嘴的出口煙氣溫度基本一樣;選用55°噴射錐角時,塔內(nèi)壁最低溫度遠(yuǎn)低于100 ℃,有較多的液滴與內(nèi)壁碰撞,標(biāo)記為“trapped”液滴量達(dá)21.25%,很容易出現(xiàn)“濕壁”粘壁現(xiàn)象,所以55°錐角的噴嘴不適合用于急冷塔的噴水降溫操作。

        2 噴水量對急冷塔運行的影響

        急冷塔的一個重要運行控制參數(shù)是噴水控制,噴水控制效果將直接影響急冷塔降溫效果、二噁英減排效果;水量過大、噴水控制波動大則會影響急冷塔的穩(wěn)定運行[4]。噴水量對各控制因素的影響如下,噴水量在0.4 kg/s以上時出口煙溫降低到250 ℃以下;噴水量在0.5 kg/s以下時壁面最低溫度在100 ℃以下;“trapped”液滴量基本與噴水量呈指數(shù)關(guān)系。

        表2 噴水量影響數(shù)據(jù)對比

        3 液滴中位徑對急冷塔運行的影響

        噴嘴運行水壓和霧化空氣壓力變化直接影響霧化液滴的粒徑分布規(guī)律[5],在急冷塔噴嘴現(xiàn)場操作中,水壓和霧化空氣壓力是不斷調(diào)整的。本文直接模擬計算不同中位徑,結(jié)果如表3所示。

        表3 液滴中位徑影響數(shù)據(jù)對比

        由表3可知:液滴中位徑對“trapped”液滴量的影響較大,中位徑在(150±20)μm變化時,“trapped”液滴量變化幅度達(dá)±25%,液滴粒徑大,動能大,運動到塔壁的幾率也大。上表中的液滴中位徑數(shù)值計算范圍內(nèi),出口煙溫不受液滴中位徑的影響;最低壁面溫度在138~149 ℃內(nèi)。

        4 入口煙氣溫度對急冷塔運行的影響

        垃圾焚燒操作和焚燒煙氣是波動的,煙氣溫度也在不斷變化,為確定急冷塔對煙氣溫度變化的適應(yīng)范圍,在保證急冷塔出口煙氣溫度基本恒定的條件下,本文計算了不同煙氣溫度下急冷塔的數(shù)值模擬運行狀態(tài),計算中適當(dāng)調(diào)整了噴水量,其他計算條件不變。

        表4 入口煙溫影響數(shù)據(jù)對比

        由表4可知:煙氣溫度與噴水量基本呈線性關(guān)系,最低壁面溫度隨進(jìn)口煙溫升高呈下降趨勢;噴水量增加,液滴擴(kuò)散蒸發(fā)范圍增大,“trapped”液滴量緩慢增大;急冷塔能夠適應(yīng)進(jìn)口煙溫在500~800 ℃的變化幅度。

        5 煙氣量對急冷塔運行的影響

        為確定急冷塔對煙氣量變化的適應(yīng)范圍,在保證急冷塔出口煙氣溫度基本恒定的條件下,本文模擬計算不同煙氣量下急冷塔的運行狀態(tài),適當(dāng)調(diào)整噴水量,其他計算條件不變。“入口煙氣量%”是模型入口邊界條件的煙氣量與設(shè)計煙氣量的體積之比。

        表5 入口煙氣量影響數(shù)據(jù)對比

        由表5可知:煙氣量對最低壁面溫度和液滴蒸發(fā)時間影響較小;“trapped”液滴隨煙氣量的增加緩慢增加;急冷塔能夠適應(yīng)煙氣量在60%~120%的變化幅度。

        6 結(jié) 論

        通過對急冷塔運行參數(shù)的數(shù)值模擬計算,最終確定:兩種FM10型噴嘴中,該急冷塔適用20°噴射角的噴嘴;在0.4~0.5 kg/s的噴水量范圍、500~800 ℃的入口煙氣溫度范圍、60%~120%的煙氣量范圍、出口煙溫控制在175~250 ℃范圍,急冷塔可以長期穩(wěn)定運行;急冷塔最佳出口煙溫(230±10) ℃;根據(jù)SPRAY公司噴嘴選用樣本,結(jié)合模擬計算結(jié)果,急冷塔噴嘴的最佳操作參數(shù)范圍是:壓縮氣體壓力0.276~0.55 MPa,液體壓力0.324~0.517 MPa。

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