李永華, 黃 濤

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院,河北保定 071003)

隨著我國對污染治理力度的增加,垃圾焚燒電廠面臨巨大的環(huán)境治理壓力。SO2和NOx為常見污染物,會造成酸雨、霧霾和光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題[1]。常規(guī)的污染物處理方法為濕法(石灰石-石膏法)脫硫和選擇性催化還原(SCR)脫硝[2-4],由于常規(guī)SCR技術(shù)中催化劑的反應(yīng)溫度區(qū)間也是二噁英生成的溫度區(qū)間[5-6],而如果SCR技術(shù)采用低溫布置,需對煙氣進行再次加熱,運行成本較高[7],同時對低溫催化劑有較高的要求。對于治理NOx污染物,氧化脫硝技術(shù)是一種較好的選擇,而臭氧作為氧化劑是較優(yōu)的選擇[8]。單一污染物的控制技術(shù)需要通過不同設(shè)備來實現(xiàn),存在占地面積大、運行成本高以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點[9],因此有必要對氧化脫硝技術(shù)進行研究。

王藝璨[10]對氣氣混合器中導(dǎo)流板傾斜角度和板間無量綱高度進行了研究,分析了不同參數(shù)對混合器性能的影響;董敏[11]針對噴管噴射角度、支管上噴嘴數(shù)量及混合距離進行了研究,得出了較優(yōu)的布置方案。馮哲愚等[12]對前置化的臭氧投加設(shè)備的角度進行了研究,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小臭氧與煙氣接觸的夾角可以提高氧化率。李曉靜等[13]發(fā)現(xiàn)在保證煙氣停留時間、入口NO質(zhì)量濃度、煙溫不變的條件下,隨著O3/NO物質(zhì)的量比的增加,O3對NO的氧化效率逐漸上升。王智化等[14]對臭氧的熱分解特性進行了研究。張佳[15]對煙氣中SO2濃度對NO氧化率的影響進行了研究,結(jié)果表明隨著煙氣中SO2初始濃度的增加,NO氧化率逐漸減小,但整體變化不大。Sun等[16]研究發(fā)現(xiàn)SO2很難與O3反應(yīng)。根據(jù)以往研究可知,O3與NO的氧化反應(yīng)過程極為迅速,僅需0.1 s[17]。

目前,針對臭氧氧化脫硝的研究較多,但基本是基于臭氧前置化氧化,后再對氧化產(chǎn)物進行吸收。筆者將臭氧噴射裝置設(shè)置在脫酸塔內(nèi)部,采用數(shù)值模擬方法研究臭氧在脫酸塔內(nèi)氧化NOx的過程,針對脫酸塔內(nèi)溫度區(qū)間、臭氧管道及噴嘴的布置方式進行分析,并對比了不同布置方式下O3/NO質(zhì)量流量比對氧化效率的影響,研究了臭氧主管道位置對氧化效果的影響,以期為臭氧投加設(shè)備的設(shè)計和NOx污染物氧化及控制提供借鑒。

1 工藝流程

臭氧氧化脫硝結(jié)合半干法吸收工藝流程見圖1。來自鍋爐垃圾焚燒的煙氣經(jīng)預(yù)除塵器處理后從脫酸塔上部煙道入口進入,脫酸塔上方裝有漿液噴入裝置,消石灰被旋轉(zhuǎn)霧化噴入脫酸塔內(nèi),起到部分降溫和后續(xù)吸收的作用,經(jīng)過噴水作用后,在合適的溫度區(qū)間內(nèi)噴入臭氧,臭氧進入脫酸塔內(nèi)進行氮氧化物(主要是NO)的氧化,臭氧脫除汞和二噁英的效率較高[18],同時SO2等多種酸性氧化物可被Ca(OH)2吸收,可以達(dá)到多種污染物同時被吸收的效果,最后生成的鹽類顆粒物和煙塵部分從脫酸塔下部排除,部分飛灰被布袋除塵器除去,可以滿足污染物的排放要求。

圖1 臭氧氧化脫硝工藝流程示意圖

臭氧氧化NOx的機理復(fù)雜,王智化[19]對反應(yīng)機理進行了研究,認(rèn)為其可分為65步,并通過實驗進行了驗證。根據(jù)相關(guān)文獻[14,20-21]的研究結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)有的反應(yīng)機理和實際工況,臭氧氧化主要考慮以下反應(yīng):

(1)

(2)

相關(guān)化學(xué)反應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 化學(xué)反應(yīng)參數(shù)

2 模型建立及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

采用SolidWorks進行物理建模,利用Workbench 19.2平臺完成模擬仿真工作。首先將幾何模型導(dǎo)入SpaceClaim進行體之間共享及各部分命名,進而將其導(dǎo)入Mesh中進行網(wǎng)格劃分,利用ICEM CFD軟件對網(wǎng)格進行優(yōu)化處理,最后利用Fluent軟件進行數(shù)值計算,再利用CFD-Post對計算結(jié)果進行后處理。所選物理模型為某垃圾焚燒電廠所用的旋轉(zhuǎn)噴霧脫酸塔,對模型煙氣進口處進行一定程度的簡化。脫酸塔簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示,該模型總高為20.8 m,其中中部主體部分高10 m,下部結(jié)構(gòu)高8 m。上部煙氣入口部分半徑為3 m,煙氣從上部圓周進氣;錐形上部分半徑為2 m,中部主體半徑為5 m;為了防止出口出現(xiàn)回流以及磨損現(xiàn)象,煙氣出口向內(nèi)深入0.7 m,伸出部分長為2.3 m,半徑為0.8 m。為使煙氣有較強的旋轉(zhuǎn)效果,頂部設(shè)置8個導(dǎo)流板,同時外圈高出內(nèi)圈0.3 m,使導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)輕微向內(nèi)傾斜。

圖2 脫酸塔結(jié)構(gòu)簡圖

對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證,網(wǎng)格數(shù)量對出口平均速度和進、出口平均壓降的影響如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為2 122 544時,繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量后出口平均速度改變量為0.35%,進、出口平均壓降改變量為5.1%,綜合考慮求解時間、精度以及網(wǎng)格生成難易后,選取網(wǎng)格數(shù)為2 122 544。

3 數(shù)值方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 煙氣湍流模型

假設(shè)煙氣流動與傳熱過程為穩(wěn)態(tài),煙氣為不可壓縮黏性流體,湍流模型如下:

(3)

(4)

(5)

式中:ρ為煙氣密度,kg/m3;t為時間,s;ui、uj為不同方向的流體速度;μ為流體黏度,kg/(m·s);p為靜壓,Pa;δi為不同方向單位體積流體所受外力;δi,j為克羅內(nèi)克符號;xi為方向坐標(biāo);T為溫度,K;cp為比定壓熱容,J/(kg·K);λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Sh為化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源,取Sh=0。

3.1.2 Realizablek-ε模型控制方程

湍動能及湍動能耗散率方程如下:

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中:k為湍流動能系數(shù),m2/s2;ε為湍流動能耗散率,m3/s2;ν為運動黏度,m2/s;Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能;YM為過度擴散產(chǎn)生的湍動能;Sk和Sε為用戶定義的參量;αk、αε分別為湍動能k和耗散率ε的相關(guān)常數(shù),αk=1.0,αε=1.2;C1、C2為常量,C1=1.44,C2=1.9;C1ε和C2ε為模型常量;μt為湍流黏度。

3.1.3 液滴軌道模型

求解過程中使用DPM(Discrete Phase Model)模型以及顆粒隨機模型來模擬漿液的運動,假設(shè)漿滴為球形,只考慮來自煙氣對漿液的曳力和漿滴自身重力。漿滴所受作用力表達(dá)式如下:

(8)

3.1.4 組分輸運模型

煙氣中包含多種氣體成分,利用多組分輸運模型來表示氣體成分以及氣體之間的擴散運動。組分輸運即物質(zhì)輸送,表示為系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分的時間變化率等于通過此系統(tǒng)界面的凈擴散流量與由反應(yīng)產(chǎn)生的生成率之和。

(9)

式中:v為流體速度;wi為每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Ri為化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生凈速率;Si為額外產(chǎn)生的速率;Ji為每種物質(zhì)的擴散通量,由濃度梯度產(chǎn)生。

(10)

式中:Sct為施密特數(shù),取0.7;Di,m為混合物中第i種物質(zhì)的擴散系數(shù)。

基于化學(xué)反應(yīng)速率較快的特點,化學(xué)反應(yīng)模型選擇體積反應(yīng)中的有限速率/渦耗散模型。

3.2 邊界條件及求解方式

對于連續(xù)相(煙氣),煙氣進口為速度入口,出口邊界采用壓力出口,出口壓力為-300 Pa。對于離散相(漿液),離散相噴嘴采用壓力旋轉(zhuǎn)霧化模型,在Y=-4 m中心處向上噴射,與煙氣形成逆流效果,噴射壓力為1.2 MPa。噴水面設(shè)置在Y=-4.5 m處,水向下噴射。載臭氧氣體采用O3與O2的混合氣體,O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。壁面設(shè)為絕熱無滑移壁面,內(nèi)部壁面類型為Trap,出入口類型為Escape。煙氣組成參數(shù)以及入口煙氣、漿液、水以及臭氧參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 煙氣組成成分的參數(shù)

脫酸塔內(nèi)煙氣流動為三維湍流且為旋轉(zhuǎn)狀態(tài),因此采用針對旋轉(zhuǎn)、漩渦處理效果較好的Realizablek-ε模型。采用組分輸運模型容積反應(yīng)中的有限速率/渦耗散模型,采用二階迎風(fēng)格式對控制方程進行離散,收斂殘差取10-5,采用壓力與速度耦合的SIMPLE算法進行連續(xù)性方程和動量方程的耦合迭代求解。在歐拉坐標(biāo)系下對連續(xù)場進行計算,結(jié)果收斂后在拉格朗日坐標(biāo)系下采用DPM模型及顆粒隨機軌道模型對離散相進行計算,將連續(xù)相與離散相反復(fù)耦合,得到收斂值。

他說，我們會做錯事，會傷害人，正因為我們鮮活著。所謂問心無愧的人生并非沒有錯，而是，我們錯了之后，懂得正視，鮮血淋漓過后，新的細(xì)胞會修復(fù)過去的疤痕。

4 結(jié)果與分析

4.1 溫度場分析

當(dāng)溫度超過150 ℃時O3會分解,且隨著溫度的升高,分解速度加快。因此,需找出適合噴射臭氧的位置,在不考慮化學(xué)反應(yīng)的條件下,僅靠漿液對煙氣降溫達(dá)不到理想的效果,需要設(shè)置噴水來使煙氣溫度降低到合適范圍。在小噴水量下X=0 m截面處沿高度的溫度分布曲線如圖4所示。Z=-3 m、0 m和3 m是X=0截面上3條Z坐標(biāo)等值線,可以看出噴水前塔內(nèi)溫度在165 ℃左右,接近單純脫酸塔內(nèi)溫度,噴水后溫度降至143 ℃左右,噴水量增大雖然能使溫度繼續(xù)降低,但考慮噴水量增大對脫硫的影響以及工程的實現(xiàn)程度,考慮臭氧分解作用,認(rèn)為在Y=-5 m截面以下滿足反應(yīng)條件。

圖4 X=0 m截面處沿高度方向的溫度分布曲線

4.2 臭氧管道及噴嘴布置對混合流場的影響

考慮到脫酸塔的空間大小,臭氧管道及噴嘴中央布置方案見圖5(a),主管直徑為500 mm,兩側(cè)各對稱分布7根支管,支管直徑為300 mm,支管長度為3 m,支管間距離為1 m,每根支管上等間距設(shè)置10個直徑為100 mm的噴嘴。臭氧管道及噴嘴貫穿布置見圖5(b),保持主、支管道和噴嘴尺寸以及支管間距離不變,將臭氧支管管道貫穿于脫酸塔內(nèi)部,其支管由中央布置一側(cè)7根支管的分布變?yōu)橐粋?cè)9根支管的分布,噴嘴數(shù)量也隨之增加。2種方案均為臭氧主管兩端進氣,進氣速度均為3 m/s。

(a) 噴嘴中央布置

4.2.1 主管道位置和噴嘴方向

主管道位置和噴嘴方向會影響臭氧與煙氣的混合程度,基于中央布置方案研究了O3主管道位置和噴嘴方向的布置方式,包括管道布置在上部、噴嘴向下噴入以及管道布置在下部、噴嘴向上噴入。2種布置方式下X=0 m截面的O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布以及O3與煙氣的混合流線如圖6所示。

(a) 管道在上、噴嘴向下噴入

從圖6可以看出,2種布置方式下臭氧噴出后主管兩側(cè)臭氧分布并不均勻,但能保證各噴嘴出口處均分布有臭氧,在煙氣的攜帶作用下臭氧逐漸均勻分布。第1種布置方式下有極少量臭氧氣體分布在管道上部,這是因為煙氣呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài),在內(nèi)部會產(chǎn)生相對于周圍的低壓力區(qū)。從臭氧氣體與煙氣的混合流線分布可以看出,第2種布置方式會造成臭氧氣體在不合理溫度區(qū)間內(nèi)分布較多。

由于煙氣具有旋轉(zhuǎn)向下的攜帶作用,盡管O3與NOx的氧化反應(yīng)時間很短,為保證反應(yīng)充分,另外實際脫酸塔底部有較多的灰渣和煙塵,這會在一定程度上影響反應(yīng)的進行,相比于將管道設(shè)置在塔內(nèi)靠下位置,將其設(shè)置在上部時混合效果更好。將噴嘴方向設(shè)置為向下時煙氣可以更好地被攜帶,向上噴入的臭氧混合氣體與煙氣形成逆流,進而對臭氧管道產(chǎn)生沖擊和磨損,對管道和混合效果會有一定的影響。綜合考慮,將臭氧管道設(shè)置在噴水面以下,即在Y=-5 m處噴嘴向下噴入臭氧。

4.2.2 支管及噴嘴數(shù)量

(a) O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4.3 臭氧氧化對比分析

臭氧噴入量是影響NOx氧化效率的重要指標(biāo),在整個脫硝過程中NOx氧化過程很關(guān)鍵,故研究O3噴入量與氣體中NOx含量之間的關(guān)系尤為重要。采用NO進出口質(zhì)量流量減幅作為衡量氧化效率的指標(biāo),選擇NO2進出口質(zhì)量流量增幅作為氧化過程中的觀測量,NO氧化效率和NO2增加率計算方法分別如下:

(11)

(12)

式中:ηNO和ηNO2分別為NO氧化效率和進出口NO2增加率;qm,inlet,NO、qm,oulet,NO分別為進、出口NO的質(zhì)量流量,kg/s;qm,inlet,NO2、qm,oulet,NO2分別為進、出口NO2的質(zhì)量流量,kg/s。

如圖8所示,隨著O3/NO質(zhì)量流量比增大,2種布置方案下NO出口質(zhì)量流量均呈下降趨勢,降速均逐漸減小,但兩者的降速略有不同;在管道中央布置方式下NO2出口質(zhì)量流量呈先增大后減小的趨勢,在質(zhì)量流量比為2時達(dá)到最大,而在管道貫穿布置方式下NO2出口質(zhì)量流量則比較穩(wěn)定;2種方案下NO3出口質(zhì)量流量均呈增大趨勢,但增速略有不同。結(jié)果表明,隨著O3噴入量的增加,前期O3主要用于氧化NO,導(dǎo)致NO2生成量增加,當(dāng)O3噴入量過量時塔內(nèi)NO含量較少而NO2含量較多,O3在對NO氧化的同時對NO2的氧化作用加強,NO3生成量增大。

圖8 不同布置方案下NO、NO2和NO3的出口質(zhì)量流量

設(shè)定參數(shù)P為進出口NO2增加率的倒數(shù),P=1/ηNO2。不同布置方案下P的變化如圖9所示,隨著O3/NO質(zhì)量流量比增大,與管道貫穿布置相比,管道中央布置方案下NO2變化幅度較大,結(jié)果表明2種不同布置方案下NOx氧化過程中各成分之間轉(zhuǎn)化有所不同。

圖9 不同布置方案下P值變化

如圖10所示,隨著O3/NO質(zhì)量流量比由1增大到3,在管道中央布置方式下NO氧化效率由38.12%提高到94.31%,在貫穿布置方式下NO氧化效率由38.66%提高到94.72%,NO氧化效率增速均呈先增大后減小的趨勢。這是因為隨著NO逐漸被氧化,塔內(nèi)NO含量逐漸減小,此時提高O3噴入量對NO氧化的促進作用減弱。雖然提高O3噴入量可以提高NO氧化效率,但O3制備成本較高,要根據(jù)實際工藝來確定O3噴入量。

隨著O3/NO質(zhì)量流量比的增大,在管道貫穿布置方案下NO氧化效率總體低于管道中央布置方案,此結(jié)果不考慮臭氧分解作用,而在O3/NO質(zhì)量流量比達(dá)到最大時2種方案的NO氧化效率相差較小。如果考慮臭氧分解作用,由于貫穿布置方案下在不合適溫度區(qū)間臭氧分布較多,NO氧化效率會進一步降低;另外,臭氧管道對煙氣存在阻力作用,貫穿布置方式下管道較多,進而阻力增大,這會對煙氣流動造成一定的影響;由于貫穿布置方案中管道和噴嘴數(shù)量增加,因此投資成本增大。綜合考慮,脫酸塔內(nèi)管道中央布置方案更優(yōu)。

4.4 臭氧主管道位置對氧化效率的影響

考慮臭氧與煙氣的混合效果及停留時間,采用中央布置,將臭氧主管道分別布置在Y=-5.5 m、-6 m、-6.5 m、-7 m、-7.5 m和-8 m處,通過改變主管道在脫酸塔內(nèi)高度上的位置來定性分析停留時間對臭氧氧化反應(yīng)的影響,并與將臭氧管道布置在Y=-5 m處的NO氧化效率進行對比。各成分出口質(zhì)量流量及NO氧化效率分別如圖11和圖12所示。

圖12 O3主管道位置對氧化效率的影響

從圖11可以看出,隨著O3主管道位置在脫酸塔內(nèi)的下移,出口NO質(zhì)量流量出現(xiàn)波動,而出口NO2質(zhì)量流量整體呈增大趨勢,出口NO3質(zhì)量流量先保持平穩(wěn)后減小。這主要是由于煙氣進入塔內(nèi)狀態(tài)不變,而O3混合氣體則是從不同位置進入,各成分出口質(zhì)量流量表現(xiàn)出波動的原因是O3與煙氣的混合效果不同,另外氧化效果還與臭氧氣體在塔內(nèi)的停留時間相關(guān)。

由于出口NO質(zhì)量流量發(fā)生變化,NO氧化效率也出現(xiàn)波動。在Y=-5～-7.5 m的高度區(qū)間內(nèi),NO氧化效率為94%～96%,當(dāng)臭氧主管道高度下降至Y=-8 m時,NO氧化效率降幅較大。這是因為各臭氧噴嘴出口在塔內(nèi)下移幅度較大,距離脫酸塔出口較近,停留時間較短,且煙氣與臭氧混合較差。雖然隨著臭氧主管道位置的逐漸下移,NO2生成量增加,但為了保證氧化效率盡可能大,應(yīng)盡量對NO進行氧化,因此不應(yīng)繼續(xù)降低臭氧主管道。

5 結(jié) 論

(1) 在脫酸塔內(nèi),噴入0.2 kg/s的小水量后塔內(nèi)溫度可以降低到臭氧快速分解的溫度以下,在此噴水面以下可以進行后續(xù)臭氧對NOx氧化反應(yīng)的研究。

(2) 與臭氧管道布置在下方、噴嘴向上噴入方式相比,在臭氧管道布置在上方、噴嘴向下噴入方式下臭氧在塔內(nèi)分布情況及其與煙氣的混合流場更優(yōu);管道貫穿布置方式下支管和噴嘴數(shù)量增加,臭氧在主管道兩側(cè)分布較為對稱,且在不合適溫度區(qū)間內(nèi)臭氧分布較多。

(3) 隨著O3/NO質(zhì)量流量比的增大,2種布置方案下出口NO質(zhì)量流量持續(xù)下降,但趨勢均逐漸減緩,NO2質(zhì)量流量的變化差異較大,而NO3質(zhì)量流量一直呈增大趨勢,3種氮氧化物之間的生成和消耗存在一定的關(guān)系;隨著O3/NO質(zhì)量流量比的增加,NO氧化效率提高,隨著臭氧量的繼續(xù)增加,其對NO氧化效率的作用減小。

(4) 隨著O3主管道位置的下移,由于O3與煙氣混合效果以及停留時間不同,因此NO氧化效率在一定范圍內(nèi)呈波動狀態(tài),但波動范圍不大,當(dāng)管道下降幅度較大時NO氧化效率較差,應(yīng)根據(jù)工程實際對臭氧主管道進行布置。