摘要：生活垃圾焚燒廠半干法+干法的煙氣凈化工藝設計中，反應塔的形式與合理布置是塔內(nèi)氣體混合均勻、反應完全的有效措施之一。運用計算流體力學（CFD） 模擬對反應塔進行優(yōu)化設計，通過FLUENT 模擬軟件模擬反應塔的進風口對塔內(nèi)流場的影響。通過模擬發(fā)現(xiàn)，反應塔進風口的布設可以實現(xiàn)最佳的反應塔流場工況。

關鍵詞：城市生活垃圾,焚燒,反應塔,CFD 模擬

隨著垃圾焚燒廠的增加，焚燒處理量也明顯增加。從2003 年的47 座垃圾焚燒廠處理量369 萬t 增加到2008 年的74 座處理量1 569. 7 萬t［1］。越來越多的焚燒廠投入運營，焚燒廠的污染問題也越來越受到公眾的關注。大氣污染是焚燒廠的主要污染問題之一，煙氣凈化工藝的選擇決定了焚燒廠的煙氣處理能否達標以及其運營的經(jīng)濟性。對于半干法+干法煙氣處理工藝而言，反應塔的效率決定了煙氣處理的效果和經(jīng)濟性，筆者以威海市垃圾焚燒處理廠二期工程為例，對其煙氣反應塔的設計進行研究。

1 項目概況

本項目設計規(guī)模為日焚燒處理生活垃圾700 t，年處理能力23. 1 萬t。焚燒采用2 臺350 t/d 機械爐排爐（預留1 臺2. 0 MW 背壓式汽輪發(fā)電機）。機組年利用小時數(shù)為8 000 h。焚燒線工藝和關鍵設備引進日本荏原株式會社往復式機械爐排爐；煙氣凈化采用半干法+干法+活性炭噴射+ 布袋除塵工藝；設置煙氣在線監(jiān)測裝置。

2 煙氣凈化系統(tǒng)設計參數(shù)

2 臺鍋爐將安裝2 套相同的煙氣凈化（FGC）系統(tǒng)。入口煙氣參數(shù)見表1。

3 工藝描述

原煙氣由反應塔頂部進入。同時在反應塔上部采用固定噴嘴將消石灰漿液噴入塔內(nèi)與煙氣中的酸性物質(zhì)在反應塔中發(fā)生化學反應，脫除HCl、 SO2 等酸性有害物質(zhì)，從而完成脫酸過程。煙氣經(jīng)反應塔的底部出口排出后，進入布袋除塵器內(nèi)，經(jīng)除塵后由煙囪排入大氣。部分粉塵在塔內(nèi)隨著煙氣向下流動，在重力、慣性力作用下沉入塔底部由排灰裝置排出。同時在反應塔出口管道備用消石灰粉噴入。

本系統(tǒng)包括反應塔、布袋除塵器、工藝水系統(tǒng)、石灰漿存儲及制備系統(tǒng)、活性炭噴射系統(tǒng)、飛灰輸送及存儲系統(tǒng)。其工藝流程如圖1 所示。

4 反應塔的設計

反應塔的設計至關重要，塔內(nèi)流場的分布關系到脫酸效果和石灰漿的消耗量。筆者采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics， 簡稱 CFD） 對塔內(nèi)的流場進行模擬。CFD 是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)做了分析。CFD 的基本思想可以歸納為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。CFD 可以看作是在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程） 控制下對流動的數(shù)值模擬。通過模擬，可以得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等） 的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定渦流分布特性、空化特性及脫硫區(qū)等。與CAD 聯(lián)合，還可進行結構優(yōu)化設計。

CFD 采用的軟件是FLUENT。FLUENT 是用于計算復雜幾何條件下流動和傳熱問題的程序，它提供的無結構網(wǎng)格生成程序，把計算相對復雜的幾何結構問題變得容易和輕松。FLUENT 軟件是目前市場上最流行的CFD 軟件，它在美國的市場占有率達到60%。

現(xiàn)反應塔的結構為1 座塔3 個進口，鍋爐出口煙道在與反應塔對接前要經(jīng)過變徑（1 分3），見圖2。

4. 1 反應塔前變徑段導流板設計

為了保證反應塔3 個進口煙氣流量、流速分布均勻，需要對反應塔進口前的變徑段做CFD 模擬和優(yōu)化設計。首先對圖2 的設計進行CFD 模擬，結果見圖3。

由圖3 可知，導流板轉(zhuǎn)角處有渦流，需對轉(zhuǎn)角進行設計優(yōu)化。在對轉(zhuǎn)角進行流線處理后，再次進行CFD 模擬，結果見圖4。

從圖4 可看出，對導流板和煙道轉(zhuǎn)角做圓滑處理后，煙道轉(zhuǎn)角渦流減少，但導流板倒角不夠，導流板太長使導流板處有渦流。導流板重新設計后，再次CFD 模擬，結果見圖5，可以看出，導流板處渦流明顯減少，3 個出口（即反應塔進口）煙氣流量、流速分布都很均勻。

4. 2 反應塔進口導流板設計

從圖5 可看出，采用雙導流板與單導流板，反應塔進口段的流速分布均存在不均勻的情況。針對上述情況，采取對導流板加長措施，再分別對雙導流板與單導流板進行CFD 模擬，結果見圖6。

從圖6 可看出，加長后的雙導流板反應塔的進口處流速分布均勻。

4. 3 反應塔噴槍設計

噴槍布置3 個，反應塔的每個進氣口布置1 個，其模擬結果見圖7。從圖7 看出，噴槍的布置對流場幾乎沒有影響，且噴槍能覆蓋大部分的圖2 反應塔進口段設計方案反應塔面積。

4. 4 反應塔的整體CFD 模擬

根據(jù)上述細部模擬，對反應塔進行了優(yōu)化設計后，其整體模擬結果見圖8。由圖8 可見，上述優(yōu)化設計對流場的均勻分布起到了很大作用，CFD 模擬達到了設計目的。

5 結論

通過對固定噴嘴的反應塔的CFD 模擬，為保證反應塔進口流場的均勻分布，在反應塔進口處變徑段，導流板必須進行倒角流線處理，且長度宜短；在反應塔進口拐彎處，導流板宜設計為雙導流板，且應加長；噴槍布置在進口段的管內(nèi)，對流場幾乎沒有影響。從CFD 模擬的運用情況來看，可以從理論上達到反應塔內(nèi)流場的均勻分布，提高塔內(nèi)反應效率，實現(xiàn)最佳的煙氣凈化效果，同時降低處理成本，是煙氣凈化工藝設計的有效手段，其應用在煙氣凈化工藝設計上是一種有益的嘗試和創(chuàng)新，但是實際的效果有待本項目投產(chǎn)后驗證。

參考文獻

［1］ 國家統(tǒng)計局. 中國統(tǒng)計年鑒2009［M］. 北京：中國統(tǒng)計出版社，2009.

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