摘要：生(sheng)活垃圾焚(fen)燒廠半干(gan)法(fa)+干(gan)法(fa)的(de)(de)煙氣凈(jing)化(hua)工(gong)藝設(she)計(ji)中，反應(ying)塔的(de)(de)形(xing)式(shi)與(yu)合理布置(zhi)是塔內氣體混(hun)合均勻、反應(ying)完全的(de)(de)有效措施之一。運(yun)用(yong)計(ji)算流體力學（CFD） 模擬對(dui)反應(ying)塔進行優化(hua)設(she)計(ji)，通過FLUENT 模擬軟件(jian)模擬反應(ying)塔的(de)(de)進風(feng)(feng)口(kou)對(dui)塔內流場的(de)(de)影響(xiang)。通過模擬發現(xian)，反應(ying)塔進風(feng)(feng)口(kou)的(de)(de)布設(she)可以實現(xian)最佳的(de)(de)反應(ying)塔流場工(gong)況。

關鍵詞：城市生活(huo)垃(la)圾,焚燒(shao),反應塔(ta),CFD 模擬

隨著垃(la)(la)圾(ji)焚燒廠的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，焚燒處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)量也(ye)明顯增(zeng)加(jia)。從2003 年(nian)的(de)(de)(de)47 座垃(la)(la)圾(ji)焚燒廠處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)量369 萬t 增(zeng)加(jia)到2008 年(nian)的(de)(de)(de)74 座處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)量1 569. 7 萬t［1］。越來越多的(de)(de)(de)焚燒廠投入運營(ying)，焚燒廠的(de)(de)(de)污染(ran)問題(ti)也(ye)越來越受到公(gong)眾的(de)(de)(de)關注。大氣污染(ran)是焚燒廠的(de)(de)(de)主(zhu)要污染(ran)問題(ti)之一，煙(yan)氣凈化工藝(yi)的(de)(de)(de)選擇(ze)決(jue)定了(le)焚燒廠的(de)(de)(de)煙(yan)氣處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)能(neng)否達標以(yi)及其運營(ying)的(de)(de)(de)經濟性。對(dui)于半干法+干法煙(yan)氣處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)工藝(yi)而言，反應塔的(de)(de)(de)效率決(jue)定了(le)煙(yan)氣處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)(de)效果和經濟性，筆者以(yi)威(wei)海(hai)市(shi)垃(la)(la)圾(ji)焚燒處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)廠二期工程為例，對(dui)其煙(yan)氣反應塔的(de)(de)(de)設(she)計進(jin)行研究。

1 項目概況

本項目設計規模為(wei)日焚(fen)燒(shao)處理(li)生活垃圾700 t，年處理(li)能力23. 1 萬(wan)t。焚(fen)燒(shao)采用(yong)2 臺350 t/d 機械(xie)爐排爐（預留1 臺2. 0 MW 背(bei)壓式(shi)汽輪發(fa)電(dian)機）。機組年利用(yong)小時(shi)數為(wei)8 000 h。焚(fen)燒(shao)線工藝(yi)和關鍵設備引進日本荏原株式(shi)會社往復式(shi)機械(xie)爐排爐；煙(yan)氣(qi)凈化采用(yong)半干法+干法+活性炭噴射(she)+ 布袋(dai)除塵工藝(yi)；設置煙(yan)氣(qi)在線監(jian)測裝置。

2 煙氣凈化系統設計參數

2 臺鍋爐將安裝2 套相同的(de)煙氣(qi)凈化（FGC）系統(tong)。入口煙氣(qi)參數見表1。

3 工藝描述

原煙(yan)氣由(you)反(fan)(fan)應(ying)塔(ta)(ta)(ta)頂部(bu)(bu)進(jin)入(ru)(ru)。同時(shi)在反(fan)(fan)應(ying)塔(ta)(ta)(ta)上部(bu)(bu)采用(yong)固定噴(pen)嘴(zui)將消石灰漿液噴(pen)入(ru)(ru)塔(ta)(ta)(ta)內(nei)與煙(yan)氣中(zhong)的酸性物質在反(fan)(fan)應(ying)塔(ta)(ta)(ta)中(zhong)發生化學反(fan)(fan)應(ying)，脫(tuo)除HCl、 SO2 等酸性有害物質，從而完成脫(tuo)酸過程。煙(yan)氣經反(fan)(fan)應(ying)塔(ta)(ta)(ta)的底(di)(di)部(bu)(bu)出口排出后，進(jin)入(ru)(ru)布袋除塵器(qi)內(nei)，經除塵后由(you)煙(yan)囪(cong)排入(ru)(ru)大氣。部(bu)(bu)分粉(fen)塵在塔(ta)(ta)(ta)內(nei)隨(sui)著煙(yan)氣向下流動，在重力、慣性力作用(yong)下沉入(ru)(ru)塔(ta)(ta)(ta)底(di)(di)部(bu)(bu)由(you)排灰裝(zhuang)置排出。同時(shi)在反(fan)(fan)應(ying)塔(ta)(ta)(ta)出口管(guan)道(dao)備用(yong)消石灰粉(fen)噴(pen)入(ru)(ru)。

本系(xi)統包括反(fan)應塔、布袋除(chu)塵器、工藝水系(xi)統、石灰(hui)漿存儲(chu)及制備系(xi)統、活性炭噴(pen)射系(xi)統、飛灰(hui)輸送及存儲(chu)系(xi)統。其工藝流程如圖(tu)1 所(suo)示(shi)。

4 反應塔的設計

反應塔的(de)(de)(de)設計至關(guan)(guan)重要，塔內流(liu)(liu)場(chang)的(de)(de)(de)分(fen)布(bu)關(guan)(guan)系到(dao)(dao)脫酸效果和(he)石(shi)灰漿的(de)(de)(de)消耗量。筆者(zhe)采用(yong)計算(suan)流(liu)(liu)體(ti)力(li)學（Computational Fluid Dynamics， 簡稱 CFD） 對塔內的(de)(de)(de)流(liu)(liu)場(chang)進行模擬(ni)(ni)。CFD 是通過計算(suan)機數(shu)值計算(suan)和(he)圖像顯(xian)示，對包含有流(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)動和(he)熱傳導等(deng)相關(guan)(guan)物(wu)理現象的(de)(de)(de)系統做了分(fen)析。CFD 的(de)(de)(de)基本思想可(ke)(ke)以(yi)歸納為：把原來(lai)在(zai)時間(jian)域及(ji)空間(jian)域上(shang)連續的(de)(de)(de)物(wu)理量的(de)(de)(de)場(chang)，如(ru)速度(du)場(chang)和(he)壓(ya)力(li)場(chang)，用(yong)一(yi)系列有限(xian)個離散點(dian)上(shang)的(de)(de)(de)變量值的(de)(de)(de)集合來(lai)代(dai)替，通過一(yi)定的(de)(de)(de)原則和(he)方(fang)(fang)(fang)(fang)式建(jian)立起(qi)關(guan)(guan)于這些(xie)離散點(dian)上(shang)場(chang)變量之間(jian)的(de)(de)(de)代(dai)數(shu)方(fang)(fang)(fang)(fang)程組，然后求解(jie)代(dai)數(shu)方(fang)(fang)(fang)(fang)程組獲得(de)場(chang)變量的(de)(de)(de)近似值。CFD 可(ke)(ke)以(yi)看作是在(zai)流(liu)(liu)動基本方(fang)(fang)(fang)(fang)程（質量守(shou)恒方(fang)(fang)(fang)(fang)程、動量守(shou)恒方(fang)(fang)(fang)(fang)程、能量守(shou)恒方(fang)(fang)(fang)(fang)程） 控制下對流(liu)(liu)動的(de)(de)(de)數(shu)值模擬(ni)(ni)。通過模擬(ni)(ni)，可(ke)(ke)以(yi)得(de)到(dao)(dao)極其復雜問題的(de)(de)(de)流(liu)(liu)場(chang)內各個位(wei)置(zhi)上(shang)的(de)(de)(de)基本物(wu)理量（如(ru)速度(du)、壓(ya)力(li)、溫度(du)、濃度(du)等(deng)） 的(de)(de)(de)分(fen)布(bu)，以(yi)及(ji)這些(xie)物(wu)理量隨時間(jian)的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)情況(kuang)，確定渦流(liu)(liu)分(fen)布(bu)特性、空化(hua)(hua)特性及(ji)脫硫區等(deng)。與(yu)CAD 聯(lian)合，還可(ke)(ke)進行結(jie)構(gou)優化(hua)(hua)設計。

CFD 采用的(de)(de)軟件是FLUENT。FLUENT 是用于計算復雜幾(ji)何(he)條件下流動和傳熱問題的(de)(de)程(cheng)序(xu)，它提供(gong)的(de)(de)無結構網格(ge)生成程(cheng)序(xu)，把(ba)計算相對復雜的(de)(de)幾(ji)何(he)結構問題變(bian)得容易(yi)和輕松。FLUENT 軟件是目前市(shi)場上最流行的(de)(de)CFD 軟件，它在美國的(de)(de)市(shi)場占有率達到60%。

現(xian)反應塔(ta)的結構為(wei)1 座塔(ta)3 個進口，鍋爐出口煙道在與反應塔(ta)對接前要經(jing)過(guo)變徑(jing)（1 分3），見(jian)圖2。

4. 1 反應塔前變徑段導流板設計

為了保證(zheng)反應塔3 個(ge)進(jin)口(kou)煙氣流量、流速(su)分布均勻，需要對(dui)反應塔進(jin)口(kou)前(qian)的變徑段做(zuo)CFD 模(mo)擬(ni)和優化設計。首先對(dui)圖(tu)2 的設計進(jin)行(xing)CFD 模(mo)擬(ni)，結果見圖(tu)3。

由(you)圖(tu)3 可(ke)知(zhi)，導流板轉角(jiao)(jiao)處有渦流，需(xu)對轉角(jiao)(jiao)進行設計(ji)優化。在對轉角(jiao)(jiao)進行流線處理(li)后，再次進行CFD 模(mo)擬，結(jie)果見(jian)圖(tu)4。

從圖(tu)4 可(ke)看(kan)出，對導(dao)(dao)(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)(ban)(ban)和煙道轉角(jiao)做圓滑處(chu)理后，煙道轉角(jiao)渦(wo)流(liu)(liu)減(jian)少(shao)，但導(dao)(dao)(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)(ban)(ban)倒角(jiao)不夠，導(dao)(dao)(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)(ban)(ban)太長使導(dao)(dao)(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)(ban)(ban)處(chu)有渦(wo)流(liu)(liu)。導(dao)(dao)(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)(ban)(ban)重新設計后，再(zai)次CFD 模擬(ni)，結果見圖(tu)5，可(ke)以看(kan)出，導(dao)(dao)(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)(ban)(ban)處(chu)渦(wo)流(liu)(liu)明顯減(jian)少(shao)，3 個出口（即反應(ying)塔(ta)進口）煙氣流(liu)(liu)量、流(liu)(liu)速(su)分布都(dou)很均勻。

4. 2 反應塔進口導流板設計

從(cong)圖5 可(ke)看出(chu)，采用雙導流(liu)(liu)板(ban)與(yu)(yu)單(dan)導流(liu)(liu)板(ban)，反(fan)應塔進口段的(de)流(liu)(liu)速分(fen)布均(jun)存在不(bu)均(jun)勻的(de)情(qing)況。針對上述情(qing)況，采取對導流(liu)(liu)板(ban)加(jia)長措(cuo)施(shi)，再(zai)分(fen)別對雙導流(liu)(liu)板(ban)與(yu)(yu)單(dan)導流(liu)(liu)板(ban)進行CFD 模(mo)擬，結果見圖6。

從圖6 可看出，加長后的(de)雙導流板(ban)反(fan)應(ying)塔的(de)進口處流速分(fen)布均勻(yun)。

4. 3 反應塔噴槍設計

噴槍(qiang)布(bu)置3 個，反(fan)應(ying)塔的每個進氣口布(bu)置1 個，其模擬結果見圖(tu)7。從圖(tu)7 看出，噴槍(qiang)的布(bu)置對流場幾乎(hu)沒有(you)影響，且(qie)噴槍(qiang)能覆蓋大(da)部(bu)分(fen)的圖(tu)2 反(fan)應(ying)塔進口段設計方案反(fan)應(ying)塔面積。

4. 4 反應塔的整體CFD 模擬

根據上(shang)述細(xi)部模擬，對反應塔進行了優(you)化設(she)(she)計(ji)后，其整體模擬結果(guo)見(jian)圖8。由圖8 可(ke)見(jian)，上(shang)述優(you)化設(she)(she)計(ji)對流(liu)場的均勻分布起到(dao)了很大作用(yong)，CFD 模擬達到(dao)了設(she)(she)計(ji)目的。

5 結論

通(tong)過對(dui)(dui)固(gu)定噴嘴(zui)的(de)反(fan)應(ying)(ying)(ying)塔(ta)的(de)CFD 模擬，為保證反(fan)應(ying)(ying)(ying)塔(ta)進(jin)口流(liu)場(chang)的(de)均(jun)勻分布，在(zai)反(fan)應(ying)(ying)(ying)塔(ta)進(jin)口處(chu)(chu)變(bian)徑段，導(dao)(dao)流(liu)板(ban)必須進(jin)行(xing)倒角(jiao)流(liu)線處(chu)(chu)理(li)，且長(chang)(chang)度(du)宜(yi)短；在(zai)反(fan)應(ying)(ying)(ying)塔(ta)進(jin)口拐(guai)彎處(chu)(chu)，導(dao)(dao)流(liu)板(ban)宜(yi)設計為雙導(dao)(dao)流(liu)板(ban)，且應(ying)(ying)(ying)加長(chang)(chang)；噴槍布置在(zai)進(jin)口段的(de)管內，對(dui)(dui)流(liu)場(chang)幾乎(hu)沒(mei)有(you)影(ying)響。從CFD 模擬的(de)運用情況來看，可以從理(li)論上(shang)達到反(fan)應(ying)(ying)(ying)塔(ta)內流(liu)場(chang)的(de)均(jun)勻分布，提高塔(ta)內反(fan)應(ying)(ying)(ying)效率，實(shi)現最佳的(de)煙(yan)氣凈(jing)化效果(guo)，同時降低處(chu)(chu)理(li)成本，是煙(yan)氣凈(jing)化工藝(yi)設計的(de)有(you)效手(shou)段，其應(ying)(ying)(ying)用在(zai)煙(yan)氣凈(jing)化工藝(yi)設計上(shang)是一種有(you)益的(de)嘗(chang)試和創新，但是實(shi)際的(de)效果(guo)有(you)待本項(xiang)目投(tou)產后驗證。

參考文獻

［1］ 國家統(tong)計(ji)局. 中國統(tong)計(ji)年鑒(jian)2009［M］. 北(bei)京：中國統(tong)計(ji)出版社，2009.

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