半干式反应塔喷雾干燥脱硫法及优化设计.doc

喷雾干燥脱硫法及优化设计

吴燕琦，张小可（深圳市能源环保有限公司，深圳 518052）

摘要：旋转喷雾干燥法具有系统相对简单、投资低、运行费用不高；运行可靠，不会产生结垢和堵塞；最终产物易于处理；对于设备的腐蚀性不高等优点，适用于中小型电厂及垃圾焚烧电厂。但脱硫效率略低于湿法，吸收剂的利用率不高，限制了其更广泛的应用。为了获得最佳的除酸效果，提高吸收剂的利用率，本文利用计算流体力学方法（ CFD），从理论上对其流场进行分析，考察不同烟气进口角度对反应塔内流场的影响，从而指导旋转喷雾及半干式反应塔的优化设计。计算结果表明，采用适当的烟气导流叶片角度，既可得到充分的气液混合，又能避免塔体结垢。通过本文的初步探讨，表明基于CFD的流场优化设计是可行的。

1 引言
喷雾干燥法商业应用已有20多年历史，在烟气脱硫市场占有率居第二。该法是利用喷雾干燥的原理，将吸收剂浆液雾化喷入吸收塔。在吸收塔内，吸收剂与烟气中的二氧化硫等酸性物质发生化学反应的同时，吸收烟气中的热量使吸收剂中水分蒸发干燥。完成脱硫反应后的干粉状产物，部分在塔内分离，由吸收塔锥形底部排出，部分随除酸后的烟气进入除尘设备。
旋转喷雾干燥法系统相对简单、投资低、运行费用也不高；运行相当可靠，不会产生结垢和堵塞；由于其干式运行，最终产物易于处理；只要控制好干燥吸收器的出口烟气温度，对于设备的腐蚀性也不高但脱硫效率略低于湿法。适用于中小型电厂[1-3]。喷雾干燥法与活性碳喷射、布袋除尘器联用，可除去垃圾焚烧烟气含有对环境有害的酸性气体、颗粒物、重金属、二噁英/呋喃等污染物，使污染物排放达到标准。作为深圳市环保示范工程的南山垃圾焚烧电厂的烟气净化系统即由旋转喷雾及吸收塔系统，活性炭喷射及袋式除尘器系统组成。烟气首先经过半干式反应塔除去酸性物质；接着在反应塔烟气出口和袋式除尘器之间的烟道中喷入活性炭用来吸附烟气中的汞蒸汽和二噁英。最后烟气进入袋式除尘器，几乎所有的固体颗粒包括烟尘、反应生成物（固态）、未完全反应的石灰、固态重金属以及吸附有二噁英的活性炭等都被除去。净化后的烟气通过烟囱排入大气。

为获得最佳的除酸效果，提高吸收剂的利用率，需要从理论上对其流场进行分析，本文将利用计算流体力学方法（ CFD）讨论旋转喷雾及半干式反应塔的优化设计。
2 喷雾干燥脱硫工艺及原理
旋转喷雾烟气脱硫工艺一般用生石灰（主要成分是CaO）作吸收剂。生石灰经熟化变成具有较好反应能力的熟石灰（主要成分是Ca（OH）2）浆液。熟石灰浆液经装在吸收塔顶部的高达15000-20000r/min的高速旋转雾化器喷射成均匀的雾滴，其雾粒直径可小于100μm。这些微粒具有很大的比表面积，与烟气接触，将发生强烈的热交换和化学反应，迅速地将大部分水分蒸发，形成含水量少的固体灰渣。如果吸收剂颗粒没有完全干燥则在吸收塔之后的烟道和除尘器中仍可继续发生吸收二氧化硫的化学反应。喷雾干燥烟气脱硫化学过程：

该系统工作过程清洁，无废水产生；生成物为固态，容易处理；流程简单、设备可靠、易于运行和维护。南山垃圾焚烧发电厂经该处理系统净化后排放的烟气指标如下表：

表1 南山垃圾焚烧发电厂烟气排放指标
种类
烟气排放指标
灰尘（mg/Nm3）
<=30
HCL(mg/Nm3)
<=50
HF(mg/Nm3)
<=2
SO2(mg/Nm3)
<=220
NOx(mg/Nm3)
<=400
CO(mg/Nm3)
<=100
Cd+Hg(mg/Nm3)
<=0.2
Ni+As(mg/Nm3)
<=1
As,Cr,Co,Cu等(mg/Nm3)
<=5
二恶英(ng-TEQ/Nm3)
<=0.1
3 优化设计
由于喷雾脱硫的脱硫率低于湿法脱硫，吸收剂的利用率较低，获得最佳的除酸效果，提高吸收剂的利用率就显得致关重要。分析雾化器、烟气导流叶片、半干式反应塔及其附属设备的功能如下：将石灰浆及冷却水雾化成均匀的微粒；使烟气在反应塔内分布均匀；强化烟气与液滴的混合和接触；为反应提供适当的反应温度；提供足够长的烟气停留（反应）时间。优化设计主要从强化烟气与液滴的混合和接触，提供足够的停留时间，防止半湿物料贴壁等方面着手。前人在工程实践及实验的基础上已经得出了一些经验公式、参数甚至是一些优化的设计，但这都是特例，缺乏规律性的探讨，基于流场分析的优化设计还没见报道。
4 反应塔流场分析
烟气旋转进入反应塔，石灰浆和水经过雾化盘进入反应塔，与烟气以相反旋转方向混和发生反应，生成固体产物。是气、液、固三相反应及流动。经验表明保证对蒸发过程的有效控制，对避免在喷雾干燥塔内形成沉积是十分重要。因此对流动进行CFD分析，了解烟气与液滴在不同的设计参数下的混合及分布，了解液滴蒸发区的大小。从而确定最优设计。
5 数学模型
由于从雾化器喷嘴到反应塔，其几何尺度跨度很大，为得到足够精细的网格，需要的网格数很庞大为简化起见，采用了2维轴对称模型，尽管由于烟气出口的存在，所讨论的问题并非严格的2维轴对称，但对于反应塔的前半段，还是基本真实的反映了其流场特征。计算采用雷诺应力模型，气相为干烟气、水蒸气，采用离散相（水）蒸发模型。因为主要考察蒸发区的情况，以下对离散相颗粒运动作一简单分析[4-5]。
6 颗粒运动方程
颗粒在x方向受力

是单位质量颗粒所受拉曳力，雷诺数和拉曳系数如下

旋转边界产生的力在x,y方向分别为

热泳力

Dt,p是热泳力系数
Saffman's升力

此外还要考虑重力等(重力在X方向)。利用颗粒随机轨道法颗粒速度取流体平均速度或

颗粒轨迹按下式积分

轨迹方程简化为

式颗粒驰预时间，采用梯形法对上式积分，

则可得颗粒在给定时间的速率和位置粒径按Rosin-Rammler分布比较不同烟气导流叶片角度的颗粒轨迹图,可以给出优化设计。由图1可见，导流叶片角度为15时，石灰浆液集中在中心区，气液不能充分混合；导流叶片角度为40、50度时，颗粒碰到反应塔壁，会导致较严重的结垢；导流叶片角度为25度时，既可得到较为充分的气液混合，又能防止贴壁。此即给定条件下的最优设计。

图1 半干反应塔喷雾轨迹图 （导流叶片角度依次为15，25，40，50）

7 结语
喷雾脱硫具有工作过程清洁，无废水产生；生成物为固态，容易处理；流程简单、设备可靠、易于运行和维护等优点。对于其脱硫率和吸收剂的利用率低的缺点，有必要进行优化设计。本文的初步模拟结果，表明对一定条件下的雾化器及反应塔，存在一个最优的烟气进口角度，在提高吸收剂利用率的同时避免塔体结垢。

参考文献：
[1] 赵太平，旋转喷雾烟气脱硫工艺的应用，节能与环保， 2001，7。
[2] 吴忠标，谭天恩，喷雾干燥法烟气脱硫过程的模拟试验研究，环境工程，Vol. 13, No.3, 1995, p20-25
[3] 钟秦，燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例，化学工业出版社，2002。
[4] 周力行，多相湍流反应流体力学, 国防工业出版社，2002.
[5] Fluent用户手册.

通讯联系人：张小可，女，33岁，博士，电厂热能动力专业，现从事能源环保工作，深圳市能源环保公司设计研究院工程师。联系方式：518052 深圳市南山区常兴路国兴大厦20楼 深圳市能源环保公司
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