葉片磨損缺失對垃圾焚燒半干法脫酸塔影響的數(shù)值研究

王 銳，胡 斌，李潤迪

(1.遼寧朗源環(huán)境科技有限公司，遼寧 鞍山 114003；2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191)

0 引 言

隨著近些年來城鄉(xiāng)居民生活水平的提高，生活垃圾的產(chǎn)量也在逐年增長[1]。隨著生態(tài)環(huán)保要求的日益提高，傳統(tǒng)的填埋方式已逐漸被淘汰，垃圾焚燒則成為現(xiàn)在生活垃圾處理的主流方式[2-4]。由于生活垃圾成分的復雜性，在焚燒處理中會產(chǎn)生大量的SO2、HCl和HF等酸性有害氣體。這些酸性氣體不僅會污染大氣，也會對人體健康產(chǎn)生影響。因此垃圾焚燒后的煙氣必須經(jīng)過脫酸處理，才能對外排放[5-6]。一般而言，垃圾焚燒可以采用濕法、半干法、干法對煙氣進行脫酸處理[7]，其中半干法脫酸是主流方法。垃圾焚燒廠采用的半干法脫酸工藝主要是通過旋轉(zhuǎn)霧化器將石灰漿(Ca(OH)2)霧化成霧滴，并在脫酸塔中與煙氣中的酸性氣體進行反應(yīng)，并將霧滴蒸發(fā)形成粉體，最終在布袋除塵器中收集。因此，該方法又可稱為噴霧干燥法。

由于煙氣是在脫酸塔中與霧滴進行反應(yīng)，脫酸塔的設(shè)計直接影響煙氣脫酸的效率。因此，不少專家學者對脫酸塔的設(shè)計及內(nèi)部反應(yīng)的模擬仿真進行了研究。Jannelli E[8]對某個燃煤電廠半干法脫酸系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，朱遠[9]等人給出了一種噴霧干燥塔的設(shè)計方法，并利用CFX18.1對其進行了數(shù)值仿真，驗證了該方法設(shè)計的可行性和可靠性。Strock T W[9]和曾芳[10]對脫酸塔的內(nèi)部流場進行了研究，結(jié)果表明脫酸塔內(nèi)部煙氣的流動情況和霧滴的運動情況對脫酸塔內(nèi)壓降和脫酸效率影響較大。林軍[11]等人對某加裝煙氣分布器的半干法脫酸塔進行了仿真模擬，表明煙氣預(yù)分布器可以有效地均勻分布煙氣，進而提高脫酸率。紀辛[12]等人對某半干法脫酸塔進行了數(shù)值仿真模擬，分析了空塔條件和噴霧條件下脫酸塔內(nèi)部流場的不同，結(jié)果表明噴霧可以改變脫酸塔內(nèi)部流場的形態(tài)，在局部空間產(chǎn)生強烈的湍流流動，促進塔內(nèi)的氣液傳質(zhì)和化學反應(yīng)。李雙雙[13]等人以某750 t/d的垃圾焚燒電廠旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣脫酸塔為研究對象，利用CFD技術(shù)對脫酸塔不同煙氣入口旋轉(zhuǎn)角時的流場分布進行數(shù)值模擬，為脫酸塔的優(yōu)化設(shè)計及運行提供理論基礎(chǔ)和研究依據(jù)。楊樹俊等[14]系統(tǒng)研究了分散氣旋流、熱空氣旋流以及二者共同旋流對霧滴顆粒運動及對最終干燥效果的影響。研究中采用了均一霧滴分布模型，結(jié)果表明旋流角度為30°時，干燥效果最佳，并且使用同向旋流時，可以進一步提高干燥效果。李翔宇[15]等人研究了不同進風方式對噴霧干燥過程的影響，研究結(jié)果表明旋流式的噴霧干燥塔效果要比直流式的噴霧干燥塔優(yōu)異。

眾多專家學者對半干法脫酸塔內(nèi)部流場情況進行了研究，這些研究均建立在脫酸塔旋流器完好無損情況下。但是在實際過程中，由于焚燒煙氣中包含顆粒物及腐蝕性氣體，脫酸塔旋流器的旋流葉片會不可避免地產(chǎn)生磨損乃至缺失，而目前這種情況下脫酸塔內(nèi)部流動情況的研究較少。因此，本文以某350 t/d的垃圾焚燒線適配的半干法煙氣脫酸塔為例，利用ANSYS CFX2020 R2研究了旋流葉片磨損缺失對脫酸塔內(nèi)部流場的影響，為垃圾焚燒廠半干法脫酸系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)提供了依據(jù)。

1 分析模型及理論

1.1 物理模型

某350 t/d垃圾焚燒線適配的半干法煙氣脫酸塔簡圖如圖1所示。煙氣從煙氣—空氣預(yù)熱器出來后，首先通過蝸殼進入脫酸塔旋流器，再進入脫酸塔內(nèi)部與石灰漿霧滴進行反應(yīng)，最后從脫酸塔錐部部分的出口管道流出。脫酸塔圓柱部分直徑為7.5 m，高度為7.5 m，錐體部分的角度為50°。脫酸塔旋流器如圖2如示，主要有三組葉片，分別為上部旋流葉片，下部旋流葉片和下部傾斜葉片，其中上部旋流葉片數(shù)量為16片，下部旋流葉片數(shù)量為12片，下部傾斜葉片數(shù)量為1片。本文主要研究這三組葉片磨損缺失對脫酸塔性能的影響。根據(jù)脫酸塔的實際情況，本文建立脫酸塔的數(shù)值計算模型，如圖3所示。為了簡化模型，將葉片視為零厚度，并忽略其它細小零件對脫酸塔內(nèi)部空間的影響。模型網(wǎng)格主要采用六面體網(wǎng)格，使用ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，以期獲得最好的計算結(jié)果；在其余較難劃分的部位，則采用四面體網(wǎng)格填充，并使用Pointwise軟件進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格在脫酸塔中心蒸發(fā)最為強烈的地方進行加密，最終網(wǎng)格數(shù)量為19 682 276。

圖1 脫酸塔簡圖Fig.1 Desulfurization tower diagram

圖2 旋流器簡圖Fig.2 Swirler diagram

1.2 數(shù)學模型

煙氣在脫酸塔內(nèi)的流動遵守連續(xù)介質(zhì)流體的假設(shè)。根據(jù)假設(shè)并全面地考慮了流體的粘性、熱傳導和可壓縮性等影響下，可得到煙氣的連續(xù)方程、動量方程和能量方程[16]，如下所示。

(1)

(2)

(3)

這些方程是一組全面描述煙氣流動的偏微分方程，在對以上方程進行計算時，需要對其進行雷諾平均和引入湍流模型。由于煙氣在脫酸塔內(nèi)部的流動具有一定的旋度，綜合計算資源和精度對比，選擇RNGk-e湍流模型來對雷諾時均方程進行封閉。由于本文主要目的是研究流場的整體情況，為了降低計算規(guī)模，采用定常計算方法，即不考慮式(1)至式(3)中非穩(wěn)態(tài)項。

在霧滴建模方面，選擇離散相模型(DPM)對霧滴的軌跡進行跟蹤計算，并與連續(xù)相雙向耦合。計算中，假設(shè)霧滴為圓球狀，并且忽略霧滴上的浮力、Basset力、Magnus力和Saffman力，僅考慮霧滴自身的重力及煙氣對霧滴的拖拽力，霧滴的運動方程可簡化為：

(4)

(5)

式(5)中：cp為霧滴定壓比熱容,J/(kg·K)；Tp為霧滴的溫度，K；h為霧滴表面與煙氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ap是霧滴的表面積，m2；mp為霧滴的質(zhì)量，kg；rp為霧滴的汽化潛熱，J/kg。

在本文中，噴霧霧滴的直徑以Rosin-Rammler分布進行建模，分布參數(shù)為2.7，特征粒徑由霧滴平均直徑求解,霧滴的平均直徑由公式(6)確定：

(6)

式(6)中：G1為漿液的質(zhì)量流量，kg/h；N為霧化盤轉(zhuǎn)，r/min；d為霧化盤直徑，m；n為霧化盤孔數(shù)；hd為霧化盤孔高，m。在本文中，霧化盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為12 000 r/min，霧化盤直徑為215 mm，霧化盤孔數(shù)為18，霧化盤孔高13 mm。

1.3 邊界條件

該脫酸塔煙氣的設(shè)計流量為62 000 Nm3/h，進口煙氣溫度為190 ℃，換算成實際流量時煙氣流量為105 126.5 m3/h，煙氣的水蒸氣含量為14.7%。根據(jù)此煙氣數(shù)據(jù)，建立煙氣模型，計算時煙氣簡化為空氣與水蒸氣混合，采用理想氣體模型；在脫酸塔的蝸殼入口處給定流量進口邊界條件及進口總溫邊界。在脫酸塔出口處，給定出口靜壓邊界條件，出口靜壓設(shè)置為0 。在脫酸塔圓柱部分和圓錐部分與環(huán)境接觸的壁面，給定表面換熱系數(shù)為0.921 3 W/(K·m2)[17]，外界環(huán)境溫度為300 K。由于脫酸塔工作時霧化盤處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因為霧滴噴出區(qū)域簡化為霧化盤上的一個環(huán)帶區(qū)域，并從此區(qū)域均勻噴出，如圖4所示。漿液從霧化輪噴出時，切向速度為130 m/s，徑向速度為10 m/s，流量為1 300 kg/h，密度為1 040 kg/m3。根據(jù)式(6)計算，霧滴的平均直徑為139 μm，據(jù)此再計算出Rosin-Rammler模型的霧滴特征特征粒徑，為151.2 μm。在計算中，霧滴運動到壁面時采用完全彈性碰撞模型，且霧滴軌跡追蹤的數(shù)量約2 000條。

圖3 脫酸塔網(wǎng)格示意圖Fig.3 Desulfurization tower mesh diagram

圖4 霧滴噴出區(qū)域示意圖Fig.4 Droplets emit area diagram

2 結(jié)果與分析

2.1 旋流葉片無磨損

首先，對旋流葉片無磨損情況下的脫酸塔進行數(shù)值模擬，做為整個研究的基準。圖5展示了脫酸塔的流線圖?？梢钥闯?，煙氣從蝸殼分布器切向進入旋流器和脫酸塔內(nèi)部后，不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)展，充滿整個脫酸塔，最終從下部煙道排出。從霧化輪噴出的霧滴也跟隨煙氣做螺旋運動，如圖6所示。大部分的霧滴在脫酸塔內(nèi)部蒸發(fā)完畢，少部分初始直徑較大霧滴會在脫酸塔圓筒段下向脫酸塔塔壁運動，其中某些霧滴會一直向脫酸塔下部運動，直至運動到脫酸塔出口管段附近，才完全蒸發(fā)完畢。這些霧滴的運動會引起脫酸塔下部和錐體部分產(chǎn)生輕微結(jié)垢現(xiàn)象。圖7展示了X=0截面處脫酸塔內(nèi)部溫度分布情況。可以看出，煙氣從蝸殼進入脫酸塔時，與霧化輪噴出的霧滴產(chǎn)生強烈的換熱作用，迅速降溫，脫酸塔大部分區(qū)域的溫度在420 K附近，其中由于噴霧降溫的作用，脫酸塔上部區(qū)域的溫度略低于脫酸塔下部區(qū)域。最終，脫酸塔總的靜壓損失為1 510 Pa。

圖5 旋流葉片無磨損時脫酸塔流線圖Fig.5 Desulfurization tower streamline without swirler blades wear loss

圖6 旋流葉片無磨損時脫酸塔霧滴運動軌跡圖Fig.6 Droplets trajectory inside desulfurization tower without swirler blades wear loss

2.2 上部旋流葉片磨損缺失

本文研究了1至3片上部旋流葉片磨損缺失情況對脫酸塔流場的影響，磨損缺失葉片位于沿煙氣運動方向，進氣蝸殼蝸舌的前部。圖8展示了葉片磨損缺失時的霧滴軌跡，可以看出上部旋流葉片缺失對霧滴軌跡影響并不顯著，三種葉片磨損缺失情況下的霧滴軌跡基本一致，并且與原始情況下的霧滴軌跡(圖6)基本一致。從圖9中可以看出，在缺失3片上部旋流葉片的情況下，第一級旋流葉片出口處的煙氣流動的角度會受到缺失葉片的影響，如圖9右側(cè)所示，但由于下部旋流葉片完整，在其導流的作用下，煙氣在分布器出口的速度與角度均較為統(tǒng)一，與原始情況一致，如圖10所示。因此，上部旋流葉片的缺失對脫酸塔內(nèi)部流場影響較小。整個脫酸塔的壓力損失也與原始情況一致，均在1 500 Pa附近。

圖7 旋流葉片無磨損時脫酸塔溫度云圖Fig.7 Temperature contour inside desulfurization tower without swirler blades wear loss

圖8 上部旋流葉片磨損缺失時霧滴的運動軌跡圖Fig.8 Droplets trajectory inside desulfurization tower with upper swirl blades wear loss

圖10 上部旋流葉片缺失時旋流器出口速度矢量圖Fig.10 Velocity vector on outlet of swirler with upper swirl blades wear loss

2.3 下部旋流葉片磨損缺失

本文研究了1至3片下部旋流葉片磨損缺失情況對脫酸塔流場的影響，磨損缺失葉片的位置角度與上部旋流葉片缺失研究一致。圖11展示了葉片磨損缺失時的霧滴軌跡，可以看出下部旋流葉片缺失對霧滴軌跡影響并不顯著，三種葉片磨損缺失情況下的霧滴軌跡基本一致，并且與原始情況下的霧滴軌跡(圖6)基本一致。產(chǎn)生這種情況的原因主要是因為下部旋流葉片的缺失對煙氣分布器出口的速度分布影響較小，如圖12所示。即使當三片旋流葉片缺失時，由于相鄰葉片與旋流自身的作用，經(jīng)過無旋流葉片處的煙氣依然發(fā)生了一定程度的偏轉(zhuǎn)，從而在煙氣分布器出口處的速度和角度與有旋流葉片處的煙氣幾乎一致，如圖13所示。由于流場具有相似性，下部旋流葉片磨損缺失對脫酸塔的溫度分布的影響很小，對脫酸塔的壓力損失影響幾乎沒有，本小節(jié)中所有下部旋流葉片磨損缺失情況下的脫酸塔靜壓損失均在1 500 Pa左右。

2.4 下部傾斜葉片磨損缺失

本文研究了兩種下部傾斜葉片磨損情況，分別為下部傾斜葉片下方磨損一半及下部傾斜葉片完全磨損的情況。不同下部傾斜葉片磨損情況時的霧滴運動軌跡圖如圖14所示，對比圖6可以看出，隨著下部葉片磨損的加劇，霧滴的運動明顯有上移的趨勢，這種趨勢會導致脫酸塔內(nèi)部塔壁的結(jié)垢區(qū)域向脫酸塔上部發(fā)展，進而使得脫酸塔內(nèi)部結(jié)垢區(qū)域增加。圖15為兩種磨損情況時塔內(nèi)溫度分布云圖，對比圖7可以看出，塔內(nèi)溫度分布無明顯改變，但隨著磨損區(qū)域的加大，霧滴蒸發(fā)區(qū)域明顯變大。兩種下部葉片磨損情況下，脫酸塔靜壓損失分別為1 000 Pa和890 Pa，與相對于原始脫酸塔情況有了大幅度下降。這些現(xiàn)象產(chǎn)生的根源可歸結(jié)為隨著下部傾斜葉片磨損缺失情況的加劇，其束流效應(yīng)在不斷弱化，如圖16所示。在下部傾斜葉片完整的情況下，其有明顯的束流作用，使得煙氣較為集中且以較高的軸向流速進入脫硫塔內(nèi)部，而在下部傾斜葉片磨損缺失的情況下，煙氣缺乏約束并且軸向流速較低，因此使得霧滴的運動有上移的趨勢。

圖11 下部旋流葉片磨損缺失時霧滴的運動軌跡圖Fig.11 Droplets trajectory inside desulfurization tower with lower swirl blades wear loss

圖12 下部旋流葉片缺失時流線圖Fig.12 Streamline inside swirler with lower swirl blades wear loss

圖13 下部旋流葉片缺失時旋流器出口速度矢量圖Fig.13 Velocity vector on outlet of swirler with lower swirl blades wear loss

圖14 下部傾斜葉片磨損缺失時霧滴的運動軌跡圖Fig.14 Droplets trajectory inside desulfurization tower with lower inclined blade wear and loss

圖15 下部傾斜葉片磨損缺失時脫酸塔溫度云圖Fig.15 Temperature contour inside desulfurization tower with lower inclined blade wear and loss

圖16 下部傾斜葉片對煙氣速度矢量的影響Fig.16 Influence of lower inclined blade on velocity vector of flue gas

3 結(jié) 論

對某350 t/d垃圾焚燒線使用的半干法脫酸塔進行了數(shù)值建模和仿真，研究脫酸塔旋流葉片完好及磨損缺失狀態(tài)下對脫酸塔內(nèi)部流場的影響。研究的結(jié)果表明，CFD技術(shù)可以有效地模擬脫酸塔內(nèi)部的旋流和霧滴蒸發(fā)現(xiàn)象，在旋流器葉片完整的情況下，大部分霧滴在脫酸塔內(nèi)部蒸發(fā)完畢，少部分會運動到脫酸塔下部塔壁附近。上部旋流葉片和下部旋流葉片磨損缺失對脫酸塔流場的影響較小，霧滴軌跡分布與無磨損情況類似；下部傾斜葉片的磨損缺失對脫酸塔流程的影響較大，隨著磨損缺失的加劇，霧滴軌跡有明顯上移的趨勢，并且脫酸塔的蒸發(fā)區(qū)域也逐漸變大，壓力損失也在逐漸降低，可能會導致脫酸塔上部塔壁粘壁效應(yīng)加劇。