鼓型结构旋转雾化脱酸塔烟气脱酸特性分析

李思莹，胡佳密，叶学民

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

垃圾焚烧处理相较传统填埋处理方式而言具有占地少、处理周期短、可回收焚烧余热等优点；但垃圾焚烧过程中会产生大量酸性气体，如处理不当易造成二次污染。

旋转雾化脱酸塔是垃圾焚烧烟气处理的关键设备。深入研究脱酸塔内部流动特征及烟气脱酸性能，对于提高脱酸塔性能具有重要意义。

文献[1,2]分析了相对湿度和喷淋方式对脱酸反应速率的影响。文献[3]通过研究得到了液气比对降温效果和脱酸效率的影响。文献[4]讨论了烟气量、酸性气体浓度等因素对脱硫效率的影响。文献[5]研究了微波辐照下，脱除剂性质的改变对脱酸率的影响。文献[6,7]通过实验研究了烟气流速、温度和pH值等运行参数对塔内酸性气体脱除效率的影响。另外，还有学者利用数值模拟方法对脱酸塔内部流动和化学反应状态进行理论研究，分析了烟气流速、污染物浓度、雾化盘转速和喷雾剂流量等运行参数对脱酸塔内流场特征及脱酸率的影响[8-10]。

目前，关于脱酸塔的研究多集中在运行参数变化对酸性气体脱除率的影响，在提高脱酸率方面的研究结论主要体现在增加脱酸剂用量或雾化盘转速[11]等方面，而未关注脱酸塔本体结构。

考虑到通过改变脱酸塔本体结构来提高其脱酸率是一种更加节能高效的方式，本文以某旋转雾化脱酸塔为对象，在原筒体结构基础上，提出一种鼓型、内壁有导流带的新型塔体结构，并通过仿真计算验证所提模型的可靠性，从而为脱酸塔的结构设计提供参考。

1 物理模型改进及网格划分

某旋转喷雾干燥脱酸塔物理模型如图1（a）所示。该脱酸塔主体高11.14 m、圆筒体直径8.5 m。脱酸塔顶部有直径2.2 m、高度1.75 m的类蜗壳烟气进口装置。脱酸剂雾化盘直径0.215 m，4个注射孔直径9 mm，布置在高度为11 m的位置。烟气经进口装置流入并与脱酸剂反应后由下部直径1.7 m的烟气出口流出。底部椎体高度为7.3 m。烟气与脱酸剂总体上呈顺流式混合。已有的实验和理论研究表明，脱酸塔内烟气中的HCl脱除率大于99%，而SO2脱除率仅为59%。

图1 脱酸塔物理模型Fig. 1 Physical models of the deacidification tower

为改进脱酸塔的内流特征以进一步提高 SO2脱酸率，本文提出的改进模型如图1（b）所示：塔体采用鼓型结构，最大直径为11 m；内壁上附有螺距为2 m、宽度为1.1 m的螺旋式烟气导流带；其余结构参数不变。

将模型导入Mesh中进行网格划分。选用非结构化网格。

为验证网格无关性，选取数量为 38万、64万、118万、153万的网格数进行模拟。结果表明，与网格数为38万时的计算结果相比：当网格数为64万时，出口流量提升0.11%；网格数为118万时，提升0.24%；153万时，提升0.26%。综合考虑计算效率，选取以网格数118万为计算标准。

改进前后的模型网格划分结果如图2所示。

图2 脱酸塔网格划分结果Fig. 2 Results of deacidification tower meshing division

2 塔内流场计算条件

2.1 初始计算条件及假设

（1）忽略脱酸浆液流动管道、雾化喷嘴等构件对脱酸塔内烟气流动的局部扰动。

（2）将脱酸浆滴视为离散相，不考虑浆滴间的摩擦碰撞等相互作用力。

（3）将烟气视为不可压缩流体，忽略温度对烟气密度、粘度等特性的影响。

（4）烟气在塔内做三维、定常、湍流流动。（5）石灰浆滴在整个过程中保持球形。

2.2 计算模型及边界条件

利用Fluent模拟塔内烟气流动过程。

连续相计算采用Realizablek-ε模型。考虑烟气垂直于进口截面进入塔内，在进口处速度均匀分布，出口处压力均匀分布；故连续相边界条件设置为“速度入口”及“压力出口”。进口烟气温度为463.15 K，烟气流速为9.22 m/s；出口烟气温度为425.15 K，压力为-250 Pa。塔体其余部分均设置为固体壁面。雾化盘转速为1×104r/min。

离散相计算采用 DPM 模型。脱酸剂通过injection方式注入塔内。石灰浆液总的质量流量为0.3 kg/s，温度为293.15 K。浆液从雾化器的4个出口注入塔内，速度的大小和方向由雾化器转速、浆液体积流量及雾化器孔径大小决定。经计算，液滴在雾化器出口处的速度约为112 m/s，与圆周切向间的夹角为0.05°。

利用 Barracuda软件模拟烟气与脱酸浆滴间的化学反应。化学反应速率系数采用 Arrhenius定律进行描述。液滴的化学反应过程采用非均相模拟。

将本文所得计算模拟结果与文献[12]的实验结果进行数据对比：HCl的脱除率分别为99.62%和 93.77%，SO2的脱除率分别为 82.07%和83.93%。脱酸率数据基本吻合，因此文中采用的数值模拟方法正确可靠。

3 塔内过程对比分析

3.1 流动特征对比

无喷雾情形下，脱酸塔内烟气流动特性模拟结果如图3和图4所示。

图3 原模型塔内流动特征计算结果Fig. 3 Calculation results of flow characteristics in the original model tower

图4 改进模型塔内流动特征计算结果Fig. 4 Calculation results of flow characteristics in the improved model

图3（a）和图4（a）表明，虽然在改进前后2种模型中均存在着大小不等的回流区，但改进后的模型中回流区更多、烟气速度更低，这说明烟气在该区域的停留时间得到延长[13]。该结果表明，模型的改进有利于延长烟气与脱酸剂混合时间，从而强化了脱酸过程。

由图3（b）和图4（b）可知，受蜗壳入口影响，2模型中的烟气沿切向进入，在塔内运动过程总体上均呈螺旋式下降趋势；模型改进后，烟气流动路径更长，烟气在脱酸塔内的停留时间增加。

图3（c）和图4（c）表明，由2种模型的塔壁到塔中心，烟气流速逐渐减小，在脱酸塔中心轴线附近区域流速达到最低。通过对比可以发现，在改进模型中，速度分布更加均匀，烟气流速更低且低速区域范围更大。

烟气必须在塔内停留足够长的时间，才可以使酸性气体被充分吸收，使生成物中所含的水分蒸发；因此，平均停留时间是脱酸塔设计中非常重要的参数[14]。经模型计算，在相同进出口条件下，烟气在原模型中的平均停留时间为27.84 s，在改进模型中的平均停留时间提高至38.38 s。

加入离散相液滴后，不同塔高截面上的流场速度分布如图5和图6所示。

图5 原模型不同高度处的速度分布计算结果Fig. 5 Calculation results of velocity distribution at different heights of the original model

图6 改进模型不同高度处的速度分布计算结果Fig. 6 Calculation results of velocity distribution at different heights of the improved model

图5（a）和图6（a）表明：速度分布在雾化盘出口区域受液滴影响显著。由于模型所采用的汽液比较大，在靠近塔壁附近的位置，烟气受入口处蜗壳结构影响而逆时针流动[15]。对于改进模型，在雾化盘附近，速度场分布由液滴影响下的高速变为烟气影响下的低速。此过程说明，较原模型而言，在改进模型中，烟气对速度场的影响更大，与液滴之间的相互作用更强烈。

由图5（b）（c）和图6（b）（c）可知，烟气在脱酸塔内总体以逆时针方向向下旋转流动。在改进后的模型中，任意高度截面的平均速度均小于原模型中的速度。此结果与仅有连续相时的仿真计算结果相同。

影响化学反应速率的另一重要因素是液滴的直径。液滴平均粒径的减小可使其表面积增大，从而增加液滴与烟气接触并进行化学反应的面积，提高反应塔对酸性气体的脱除效率。

利用DPM模型中的breakup选项对液滴的破碎过程进行跟踪模拟。结果显示，在相同条件下，原模型中液滴的平均粒径为65.38 μm，改进模型中液滴平均粒径减小为64.55 μm。此结果与文献[16]的实验结果相吻合。

3.2 生成物分布

在相同进口条件下，一定时间内反应物的生成量可说明化学反应发生的速度。

图7所示为70 s时，生成物在脱酸塔内分布的计算结果。由图7（a）（b）可知，在原模型中，脱酸剂在刚离开雾化器时保持顺时针方向流动，在与烟气短暂接触后受烟气影响转变为逆时针方向流动。在此过程中，大量液滴与烟气进行反应并扩散到塔内。

图7 生成物分布计算结果Fig. 7 Calculation results of product distribution

图7（c）（d）表明，在改进模型中，脱酸剂几乎没有维持原有顺时针流动就与烟气相互作用而扩散至塔内。此过程说明塔中烟气与液滴相互作用更加强烈，生成物分布更加均匀。

在2种模型中，生成物在脱酸塔中心处的浓度均高于塔壁附近，其主要原因是脱酸塔中心区域流速较低，反应物之间的接触时间更长。文献[17]认为，一定条件下的 SO2脱除率随 CaCl2浓度增加而提高。由图7（a）（c）可知，相同时间内，在改进模型中生成了更多CaCl2，这说明模型的改进有利于增强SO2的整体脱除效果。

3.3 酸性气体分布

酸性气体的分布特征是反应脱酸率的另一个重要指标。

图8所示为酸性气体在脱酸塔内分布的计算结果。

图8 酸性气体分布计算结果Fig. 8 Calculation results of acid gas distribution

图8（a）（c）表明，HCl的脱除反应主要在脱酸塔的上半部分进行。当烟气流动至底部椎体附近时，HCl脱除基本已完成。在进口装置下方，HCl气体浓度变化最大，其主要原因是初始浆滴速度与烟气间的差距较大，两相间存在强烈的相互作用。文献[18]认为，烟气脱酸过程主要发生在雾化器出口0.75 m左右的范围内，此范围外脱酸速率没有明显变化。

由图8（b）（d）可知，SO2在刚进入塔内时浓度变化较大，其原因与HCl脱除速率变化原因一致。

相较 HCl而言，SO2在整个塔内空间中的脱除速率较慢，其主要原因[19]是相同温度下HCl的各项反应速率系数均大于 SO2；因此，在相同的反应条件和反应时间下，浆液液滴会优先与 HCl发生脱除反应。此外，HCl和 SO2在与 Ca(OH)2反应时存在竞争性吸收的关系[20]。在烟气进入塔内与脱酸剂混合时，由于烟气中HCl含量较高，从而影响了脱酸剂对SO2的吸收。

在改进模型中，酸性气体浓度变化突出的位置更加靠近烟气入口。这表明，此处的传热传质效果更强。

在改进模型中，塔内酸性气体的含量低于原模型，这主要归因于其合理的结构使得烟气与脱酸剂充分混合，提高了化学反应进行的速率并延长反应时间。

酸性气体的脱除率计算结果如表1所示。由表 1可知，模型改进后，SO2的脱除率提高了4.98%，而HCl的脱除率略微下降，其原因可能是2种酸性气体的竞争性吸收。

表1 进出口酸性气体参数对比Tab. 1 Comparison of inlet and outlet acid gas parameters kg/s

总体上来看，在没有增加额外能耗情况下，通过改进脱酸塔筒体结构可有效提高酸性气体的脱除率。

4 结论

为改善内部流动特性进而提高其脱酸率，对脱酸塔本体结构进行了改进：采用鼓型主体结构并在内壁增加螺旋形烟气导流带。

改进后，烟气流动更合理：烟气流速更低、烟气与脱酸剂间的相互作用更加强烈。在相同条件下，原模型中烟气平均停留时间为27.84 s，脱酸剂粒径为65.38 μm；改进模型中停留时间提高至38.38 s，脱酸剂粒径减小为64.55 μm。

改进后，脱酸效果得到改善：SO2脱除率提高了近5%。