余 婷，戴 勇，劉 建

(上海康恒環(huán)境股份有限公司,上海 201703)

引 言

垃圾焚燒過程產(chǎn)生的煙氣中含有二噁英等致癌物質(zhì)，可導(dǎo)致皮膚痤瘡、頭痛、失眠、抑郁等問題,并對(duì)人體有長(zhǎng)期影響[1]。在垃圾焚燒過程中主要通過以下途徑控制二噁英：合理控制焚燒爐內(nèi)的煙氣溫度、煙氣停留時(shí)間、燃燒過量空氣系數(shù)、煙氣中一氧化碳的濃度；在煙氣中噴入活性炭來吸附二噁英；在爐外通過急冷措施以縮短煙氣溫度在200℃～400℃區(qū)間的時(shí)間[2]。在控制煙氣中二噁英類有機(jī)污染物排放的同時(shí)，還需進(jìn)一步脫除煙氣中酸性污染物(HCl、SOx、HF等)。在半干法+干法+除塵工藝中，通常在除塵器前噴入活性炭和脫酸藥劑(Ca(OH)2或NaHCO3)以吸附煙氣中的二噁英與酸性污染物。然而，能夠有效去除煙氣中二噁英的活性炭?jī)r(jià)格十分昂貴，市場(chǎng)價(jià)約人民幣8 000～10 000元/噸，噸垃圾運(yùn)行成本約為5元[3]，并且常規(guī)的活性炭噴射器不能保證噴入的活性炭粉末與煙氣充分混合。因此，為了保證二噁英達(dá)標(biāo)排放，大量增加活性炭的噴入量并不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)和高效的解決方案。

基于上述問題，為了實(shí)現(xiàn)二噁英、酸性氣體的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)降低運(yùn)行成本，需要增強(qiáng)活性炭、脫酸藥劑與煙氣的混合與吸附，從而提高活性炭和脫酸藥劑的有效利用率，降低在活性炭和脫酸藥劑上投入的成本。目前，為增強(qiáng)活性炭與煙氣的混合效果，主流方法是通過改良活性炭噴嘴的設(shè)計(jì)，或者在煙道內(nèi)壁增設(shè)擾流部件[4]。例如，在專利CN107661682A中，通過在煙道內(nèi)壁設(shè)置向內(nèi)凸起的擾流構(gòu)件，改變煙氣流動(dòng)的方向，從而加強(qiáng)了氣固混合的效果[5]。在煙道內(nèi)壁設(shè)置擾流部件雖然可以起到一定的擾流與強(qiáng)化混合的作用，但是同時(shí)也容易導(dǎo)致粉料積灰以及壓損增大的情況。近年來，也有一些研究利用文丘里結(jié)構(gòu)來強(qiáng)化粉料與煙氣的混合，例如在專利CN205640959U中，采取在文丘里管的喉部直段噴入活性炭粉，利用擴(kuò)張段與出口直段上產(chǎn)生的渦流來強(qiáng)化活性炭與煙氣的混合[6]。但是僅利用文丘里結(jié)構(gòu)的話，對(duì)強(qiáng)化混合的效果也比較有限。

1 研究方法

1.1 研究概述

在半干法+干法+除塵工藝中，活性炭?jī)?chǔ)存在活性炭倉(cāng)中，通過活性炭給料機(jī)經(jīng)輸送風(fēng)機(jī)輸送到除塵器前的煙道中，以去除煙氣中的二噁英和重金屬。噴吹管的數(shù)量通常為1根/條焚燒線。噴吹管插入煙道一定深度后沿軸向彎折90°，與煙氣流向相同，見圖1。噴吹管數(shù)量,噴吹管彎折角度和煙道直徑的變化都可能影響煙氣中二噁英和重金屬的含量。目前國(guó)內(nèi)尚未有噴吹管數(shù)量與噴吹管彎折角度對(duì)活性炭與煙氣的混合效果的影響的研究。

圖1 煙道內(nèi)活性炭與干粉噴吹管結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖

因此，本文以某項(xiàng)目的半干法反應(yīng)塔與袋式除塵器之間的煙道為對(duì)象，利用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬。本文研究了噴吹管的數(shù)量、噴吹管的彎折角度和有無文丘里結(jié)構(gòu)對(duì)粉料與煙氣混合效果的影響，探究了通過增加噴吹管數(shù)量、改變噴吹管彎折角度和設(shè)置文丘里結(jié)構(gòu)來改善混合效果的可行性，為煙道混合裝置的設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的方向與思路。

1.2 模擬方法

本研究以國(guó)內(nèi)某垃圾焚燒發(fā)電廠袋式除塵器前的煙道為例，分別模擬了三種情況對(duì)煙氣和活性炭混合的影響：(1)噴吹管彎折角度為90°時(shí)，噴吹管數(shù)量(噴吹管數(shù)量分別為1，2，3)的影響;(2)噴吹管數(shù)量為3時(shí),噴吹管彎折角度 (彎折角度分別為0°，45°，90°)的影響；(3)噴吹管彎折角度為0°和噴吹管數(shù)量為3時(shí)，文丘里結(jié)構(gòu)的影響。如圖2所示，文丘里管與活性炭噴吹管之間的間距d2約1.5 m。文丘里管分為漸縮段與漸擴(kuò)段，漸縮段與漸擴(kuò)段的總長(zhǎng)d3約為4米；喉部的寬度d4約為1.6米，漸縮角度約為32°，漸擴(kuò)角度約為17°；根據(jù)計(jì)算，煙氣在喉部的流速約為33.6 m/s。 所有模擬中，煙道直徑為2.4 m,活性炭噴吹管管徑d1為65 mm，煙氣量為155 000 Nm3/h，煙氣溫度約為155 ℃，煙氣流速約為14.93 m/s (除了在文丘里結(jié)構(gòu)之外)，活性炭噴入量約為15.5 kg/h;活性炭噴吹管以指向煙道橫截面的圓心的方向插入煙道(活性炭噴吹管均布于煙道的橫截面)，插入煙道內(nèi)(插入深度約為0.5米)后進(jìn)氣管彎折一定的角度。

圖2 文丘里結(jié)構(gòu)示意圖

煙氣與活性炭的混合是流體與固體顆粒的混合，需要將活性炭顆?？紤]成離散的顆粒噴入煙氣中，因此需要使用DPM模型(discrete phase model)進(jìn)行本次模擬[7]。模擬中的煙氣和活性炭特性分別在表1與表2中給出。

表1 煙氣參數(shù)

表2 活性炭參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 噴吹管數(shù)量對(duì)混合效果的影響

從圖3可以看出，攜帶活性炭顆粒的壓縮空氣沿著煙氣管道軸向噴入(噴吹管插入煙道后彎折角度為90°)，活性炭呈柱狀快速流過煙氣管道。當(dāng)活性炭噴吹管只有1根時(shí)，活性炭顆粒主要分布在噴吹管所在直線附近。當(dāng)活性炭噴吹管的數(shù)量為2根時(shí)，活性炭在煙道的截面上分布的更加均勻。當(dāng)活性炭噴吹管的數(shù)量增至3根時(shí)，活性炭在煙道的截面上分布的最為均勻。另一方面，根據(jù)表3的煙道出口截面的活性炭顆粒濃度標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出隨著噴吹管根數(shù)的增加，濃度標(biāo)準(zhǔn)差變小。濃度標(biāo)準(zhǔn)差越小說明截面的顆粒分布得越均勻。3根的濃度標(biāo)準(zhǔn)差最小(DP2：21.5437×10-5)。由此可以得出，采用3根噴吹管進(jìn)氣可以獲得最佳的氣固混合效果。

表3 煙道出口截面(距離噴吹管14.5 m處的截面)平均顆粒濃度

圖3 噴吹管數(shù)量為1(a),2(b),3(c) 時(shí)的活性炭顆粒軌跡示蹤 (每個(gè)噴吹管彎折角度為90°)

理論而言，增加噴吹管的個(gè)數(shù)，活性炭顆粒在進(jìn)入煙道的初期便可以在截面分布的更加分散，對(duì)氣固混合應(yīng)該是更為有利的，但是，從工程實(shí)際的角度來看，繼續(xù)增加噴吹管的數(shù)量不具備較強(qiáng)的可操作性，一方面會(huì)使設(shè)備布置更加復(fù)雜、后期運(yùn)維難度更大，另一方面也增加了成本。

2.2 噴吹角度對(duì)混合效果的影響

不同噴吹角度的活性炭顆粒軌跡示蹤如圖4和圖3(c)所示。由圖4可以得出，當(dāng)噴射角度為0°時(shí)，活性炭顆粒沿徑向運(yùn)動(dòng)的距離較遠(yuǎn)，顆粒能夠覆蓋大部分出口截面，混合比較均勻；當(dāng)噴射角度為45°時(shí)，活性炭顆粒沿徑向運(yùn)動(dòng)的距離較短，軸向的速度較大，在煙道內(nèi)停留的時(shí)間較短，只有部分顆粒能夠散開，混合均勻性比較差；當(dāng)噴射角度為90°時(shí)(圖3(c))，活性炭顆粒完全沿軸向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)軌跡呈柱狀，活性炭顆粒在煙氣中的擴(kuò)散效果很差。比較表3中0°(DP4)、45°(DP3)、90°(DP2)的活性炭顆粒濃度標(biāo)準(zhǔn)差，可以得出0°(DP4)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，90°(DP2)的標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明0°的混合最為均勻，45°次之，90°的混合效果最差。

圖4 噴射角度為0°(a)和45°(b)時(shí)活性炭的軌跡 (噴吹管數(shù)量為3)

3種噴射角度的速度場(chǎng)可以進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析。以距離噴吹管插入點(diǎn)0.5 m處的截面的活性炭顆粒為例，噴吹管的彎折角度為90°時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向速度最大、徑向速度最小，噴吹管的彎折角度為0°時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向速度最小、徑向速度最大。當(dāng)噴射角度為45°和90°時(shí)，活性炭顆粒均存在軸向初速度，與煙氣的流向相同，兩者的速度疊加，大大縮短了活性炭顆粒在煙道內(nèi)的停留時(shí)間，造成活性炭在煙氣中混合不均勻。當(dāng)噴射角度為0°時(shí)，活性炭顆粒的軸向初速度較小，徑向運(yùn)動(dòng)的距離較大，氣固的混合效果得到強(qiáng)化(表4)。

表4 煙道入口截面(距噴吹管0.5 m處)活性炭顆粒的速度

2.3 文丘里結(jié)構(gòu)對(duì)混合效果的影響

有文丘里結(jié)構(gòu)的煙道內(nèi)活性炭顆粒軌跡示蹤如圖5所示。對(duì)比圖4(a)與圖5，有文丘里結(jié)構(gòu)的煙道橫截面活性炭分布得更加均勻。表3中有文丘里結(jié)構(gòu)的(DP5)活性炭顆粒濃度標(biāo)準(zhǔn)差小于無文丘里結(jié)構(gòu)的(DP4)活性炭顆粒濃度標(biāo)準(zhǔn)差，該數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了增加文丘里結(jié)構(gòu)后進(jìn)一步改善了氣固混合的效果。分析有、無文丘里結(jié)構(gòu)的速度場(chǎng)(見圖6)，可以看出，煙道內(nèi)增加文丘里結(jié)構(gòu)后，管徑的改變使得煙氣的流速發(fā)生改變，從而加強(qiáng)了煙氣與粉料的擾動(dòng)。在文丘里結(jié)構(gòu)的喉部煙氣的流速最大，在擴(kuò)張段粉料得到進(jìn)一步分散，從而獲得更佳的活性炭混合效果。

圖5 有文丘里結(jié)構(gòu)時(shí)的活性炭的軌跡

圖6 有文丘里結(jié)構(gòu)(b)、無文丘里結(jié)構(gòu)(a)的速度云圖對(duì)比

3 結(jié) 論

本文以一種應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電廠干法脫硫、活性炭脫除二噁英的煙道混合強(qiáng)化裝置為研究對(duì)象，分別研究了噴吹管個(gè)數(shù)、噴吹管噴吹角度和有無文丘里結(jié)構(gòu)對(duì)混合效果的影響，得出以下結(jié)論：

3.1 當(dāng)噴吹管的數(shù)量分別為1、2、3根時(shí)，3根噴吹管的氣固混合最為均勻；

3.2 當(dāng)噴吹管的彎折角度分別為0°、45°、90°時(shí)，0°可以獲得最佳的氣固混合效果；

3.3 增加文丘里結(jié)構(gòu)后，氣固混合效果進(jìn)一步得到改善。

綜上所述，可以通過增加噴吹管的數(shù)量至3根、將噴吹角度設(shè)置為0°、在煙道內(nèi)增加文丘里結(jié)構(gòu)來獲得更好的氣固混合效果。本研究為垃圾焚燒發(fā)電廠煙道混合裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考方向。