急冷塔運行工況參數的數值模擬分析

郭慧媛

(陜西省石油化工學校，陜西 西安 710061)

固體廢物焚燒產生的高溫煙氣含有顆粒物、有機物和氯化物等諸多成分，在降溫過程中產生二噁英類物質，造成嚴重的環(huán)境污染。根據二噁英類物質生成機理，縮短煙溫在250～500 ℃區(qū)間的時間是一種簡單有效的方法[1]。煙氣急冷塔是一種迅速降低煙氣溫度、控制二噁英類污染的常用設備[2]。本論文采用商用fluent流體力學計算軟件進行數值計算，根據某垃圾焚燒系統(tǒng)急冷塔按1:1建立模型，急冷塔選用雙流體單噴嘴結構，噴嘴型號和霧化數據參考Spraying公司樣本，模型中簡化了噴嘴和噴嘴保護套管的結構。模型主要采用結構體網格法，煙道彎頭及安裝噴嘴處采用的是四面體網格化方法，整個模型的網格數量約為26萬個單元。急冷塔內噴入的霧化液滴蒸發(fā)降溫過程是非常復雜的傳質傳熱過程，并發(fā)生復雜的物理化學反應[3]，計算模型中僅考慮液滴的蒸發(fā)傳質傳熱過程，不考慮物化反應和液滴間的相互作用。

1 噴嘴型號

該急冷塔使用的噴嘴為：FM10型，Spraying公司。噴射錐角有兩種，一種是20°錐角，另一種是55°錐角。在其他條件相同的前提下將兩個不同錐角的噴嘴進行模擬計算，比較結果如表1所示。

圖1 急冷塔結構

表1 模擬結果對比統(tǒng)計

由表1可見，這兩種型號噴嘴的出口煙氣溫度基本一樣；選用55°噴射錐角時，塔內壁最低溫度遠低于100 ℃，有較多的液滴與內壁碰撞，標記為“trapped”液滴量達21.25%，很容易出現(xiàn)“濕壁”粘壁現(xiàn)象，所以55°錐角的噴嘴不適合用于急冷塔的噴水降溫操作。

2 噴水量對急冷塔運行的影響

急冷塔的一個重要運行控制參數是噴水控制，噴水控制效果將直接影響急冷塔降溫效果、二噁英減排效果；水量過大、噴水控制波動大則會影響急冷塔的穩(wěn)定運行[4]。噴水量對各控制因素的影響如下，噴水量在0.4 kg/s以上時出口煙溫降低到250 ℃以下；噴水量在0.5 kg/s以下時壁面最低溫度在100 ℃以下；“trapped”液滴量基本與噴水量呈指數關系。

表2 噴水量影響數據對比

3 液滴中位徑對急冷塔運行的影響

噴嘴運行水壓和霧化空氣壓力變化直接影響霧化液滴的粒徑分布規(guī)律[5]，在急冷塔噴嘴現(xiàn)場操作中，水壓和霧化空氣壓力是不斷調整的。本文直接模擬計算不同中位徑，結果如表3所示。

表3 液滴中位徑影響數據對比

由表3可知：液滴中位徑對“trapped”液滴量的影響較大，中位徑在(150±20)μm變化時，“trapped”液滴量變化幅度達±25%，液滴粒徑大，動能大，運動到塔壁的幾率也大。上表中的液滴中位徑數值計算范圍內，出口煙溫不受液滴中位徑的影響；最低壁面溫度在138～149 ℃內。

4 入口煙氣溫度對急冷塔運行的影響

垃圾焚燒操作和焚燒煙氣是波動的，煙氣溫度也在不斷變化，為確定急冷塔對煙氣溫度變化的適應范圍，在保證急冷塔出口煙氣溫度基本恒定的條件下，本文計算了不同煙氣溫度下急冷塔的數值模擬運行狀態(tài)，計算中適當調整了噴水量，其他計算條件不變。

表4 入口煙溫影響數據對比

由表4可知：煙氣溫度與噴水量基本呈線性關系，最低壁面溫度隨進口煙溫升高呈下降趨勢；噴水量增加，液滴擴散蒸發(fā)范圍增大，“trapped”液滴量緩慢增大；急冷塔能夠適應進口煙溫在500～800 ℃的變化幅度。

5 煙氣量對急冷塔運行的影響

為確定急冷塔對煙氣量變化的適應范圍，在保證急冷塔出口煙氣溫度基本恒定的條件下，本文模擬計算不同煙氣量下急冷塔的運行狀態(tài)，適當調整噴水量，其他計算條件不變。“入口煙氣量%”是模型入口邊界條件的煙氣量與設計煙氣量的體積之比。

表5 入口煙氣量影響數據對比

由表5可知：煙氣量對最低壁面溫度和液滴蒸發(fā)時間影響較??；“trapped”液滴隨煙氣量的增加緩慢增加；急冷塔能夠適應煙氣量在60%～120%的變化幅度。

6 結 論

通過對急冷塔運行參數的數值模擬計算，最終確定：兩種FM10型噴嘴中，該急冷塔適用20°噴射角的噴嘴；在0.4～0.5 kg/s的噴水量范圍、500～800 ℃的入口煙氣溫度范圍、60%～120%的煙氣量范圍、出口煙溫控制在175～250 ℃范圍，急冷塔可以長期穩(wěn)定運行；急冷塔最佳出口煙溫(230±10) ℃；根據SPRAY公司噴嘴選用樣本，結合模擬計算結果，急冷塔噴嘴的最佳操作參數范圍是：壓縮氣體壓力0.276～0.55 MPa，液體壓力0.324～0.517 MPa。