垃圾焚烧旋转喷雾干燥净化模型研究

北极星环保网讯:以垃圾焚烧厂脱酸塔为模拟对象，建立了脱酸塔气固液之间的传质模型及化学反应模型，对旋转产生的喷雾建立了浆滴模型以分析其蒸发和传质过程，通过对已有实验模型与脱酸塔实际运行结果进行对比，验证了所建化学反应模型和浆滴模型的准确性，模拟了某垃圾焚烧厂脱酸塔的内流特征，得到其压力、温度、速度和酸性气体质量分数等参数的分布及脱除率。

结果表明：脱酸塔中轴线上部是脱酸反应主要发生部位;由于烟气回流区的作用，部分没有蒸发完全的浆滴被吹向脱酸塔壁面，容易造成脱酸塔壁面的结渣和腐蚀，导致脱酸塔壁面所受的热应力增大，不利于脱酸塔长期稳定运行;浆滴进入脱酸塔5s内完全蒸发。

垃圾焚烧技术已成为目前解决日益严重的垃圾污染问题、缓解能源危机的重要措施。但焚烧过程产生大量的酸性气体(如SO2和HCl等)，使得垃圾焚烧烟气净化技术的研究与设备优化备受关注。

其烟气净化技术主要借鉴燃煤烟气净化方法，一般采用半干式喷雾干燥吸收法。但垃圾焚烧厂与燃煤电厂烟气净化的主要区别在于脱除对象不同：燃煤电厂主要脱除SO2，而垃圾焚烧厂主要脱除HCl和SO2，且在脱除过程中HCl与SO2之间存在复杂的相互影响和竞争关系。

脱酸塔作为烟气净化的重要设备，气液固在塔内的流动、传热传质过程对脱酸塔的设计和运行具有重要的影响。臧仁德等研究了垃圾焚烧中喷雾干燥塔内烟气的温度分布，指出增加烟气流速可降低石灰浆滴(以下简称浆滴)对SO2、HCl的脱除率，且SO2脱除率降低幅度更显著。

李午申对双流体喷雾干燥塔内酸性气体净化进行了研究，指出SO2和HCl在半干法烟气净化中的净化效率随吸收剂用量的增大而提高。Kiil等开展了脱酸塔装置的实验研究，分析了不同高度上的脱酸效率，指出石灰石剩余量越大，HCl脱除率越高。

因垃圾焚烧中脱除气体不同，所以在模型建立与气体有关部分的处理与燃煤电厂将存在较大差异，如气体浓度场、离散相与连续相的传质等过程，因此不能简单套用脱硫模型分析垃圾烟气脱酸过程。

燃煤电厂烟气脱硫过程大多采用双模理论模拟吸收过程，将传质过程简化为通过两层薄膜的扩散过程，其在反映客观实际方面仍有缺点和局限性，且传质过程大多用单纯液滴(H2O)或固体颗粒作为离散相来完成吸收过程，很少分析水的蒸发过程。这显然与实际的SO2脱除过程存在明显区别。

因此，合理建立脱酸过程的数学模型对准确评估塔内脱酸过程至关重要。目前，关于垃圾焚烧中的脱酸过程数学模型研究较少，且均是简单计算脱酸的传质和反应过程，未考虑气相的速度场、温度场、压力场、气体浓度场和脱酸塔内的喷淋对脱酸效率的影响，这势必影响模拟结果的准确性。

因此，为准确模拟脱酸塔中的气液固流动和化学反应，须充分考虑气固、气液两相间、固体颗粒间以及固体颗粒与壁面间的相互作用。

此外，大多计算流体动力学(CFD)软件的优势主要在于纯气相流动与传热的计算，而对高浓度气固两相流的计算并不十分有效，这主要表现在：未充分考虑气固两相间、固体颗粒间、颗粒与壁面间的相互作用;计算中气固两相的耦合性弱，与真实两相流存在差异;对求解对象中固体颗粒的浓度有限制。

为解决上述问题和满足工业领域气液固三相流的数值计算要求，笔者采用Barracuda软件对某脱酸塔内气液固流动和脱酸反应进行模拟，其特点是采用计算颗粒流体动力学(CPFD)方式求解气液固耦合的流动问题，基于Arrhenius理论计算化学反应速率。

针对脱酸过程，笔者建立了离散相与连续相的化学反应模型和浆滴模型，通过Hill等实验模型验证所建模型的正确性;在此基础上，模拟实际脱酸塔内的脱酸过程，并与实际工况进行对比，进一步验证所建理论模型的可靠性。

1数值模拟方法

Barracuda软件是一款基于MP-PIC(multi-phase particle-in-cell)方式的数值计算方法，能有效解决流体和大量颗粒在三维空间内的耦合计算问题以及在三维空间内耦合求解颗粒和流体动量方程的问题。

在CPFD计算中，所用数值计算颗粒并非物理意义上的颗粒，而是由一定数量、具有相同性质(成分、尺寸、密度和温度等)的颗粒组成的“颗粒团”或“颗粒簇”，由此可将含有数以亿计颗粒的气固系统简化为仅含有数以百万计颗粒的系统，进而对任何固体颗粒实现全尺寸分布的模拟。

CPFD可实现颗粒浓度从很小到紧密堆积的模拟，而无需事先确定颗粒浓度范围，从而得到颗粒的质量、动量、传热和磨损等完整的拉格朗日意义下的信息，为快速准确捕捉脱酸塔中气固液流动的动态特征提供了一种有效可行的手段。

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