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，造成嚴重的環境污染。根據二噁英類物質生成機理，縮短煙溫在250～500 ℃區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降溫過程是非常復雜的傳質傳熱過程，并發生復雜的物理化學反應[3]，計算模型中僅考慮液滴的蒸發傳質傳熱過程，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“濕壁”粘壁現象，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律[5]，在急冷塔噴嘴現場操作中，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，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，適當調整噴水量，其他計算條件不變?！叭肟跓煔饬?”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。