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        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

        2021-08-26 02:50:32陳賢春
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年10期
        關(guān)鍵詞:煙氣

        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 長沙 410004;2.湖南北控威保特環(huán)境科技股份有限公司,湖南 長沙 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。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噴入)表面,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),延長了氣體與洗滌液的接觸時(shí)間,進(jìn)而延長吸附反應(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大也不能過小,過大則壓力損失大,相應(yīng)的成本和能耗提高,過小則霧化效果差,無法保證洗滌塔的降溫、除塵、脫酸效果。因此采用CFD模擬來確定最佳氣速。

        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)氣相流場的模擬計(jì)算,使塔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況得以簡化,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法沖至頂部再彈回洗滌液中,直接在洗滌段中部打轉(zhuǎn)后通過右側(cè)出口排出,出口速度流場均勻性差。整個(gè)過程流場加速與減速過程均較緩,喉口處霧化效果較差,速度分布不均勻,流線稀疏,塔內(nèi)未被尾氣布滿的空間較多,洗滌段內(nèi)流場分布較亂,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)速度分布流場顯示:整個(gè)過程流場加速較快,減速較緩,喉口處霧化效果較好,速度分布均勻,流線密集,塔內(nèi)空間基本布滿尾氣,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)速度分布流場顯示:整個(gè)過程流場加速與減速均較快,喉口處霧化效果較好,速度分布均勻,流線較密集,文丘里段塔內(nèi)空間布滿尾氣;洗滌段流場分布較亂,塔內(nèi)尾氣擴(kuò)容作用較差,塔內(nèi)空間未被尾氣充滿,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。

        從流場模擬結(jié)果可知,當(dāng)喉口處氣速為40m/s時(shí),塔內(nèi)流場均勻順暢、流線密集有規(guī)律,氣速變化均勻,喉口處霧化效果好,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

        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)可為同類工程提供參考。

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