1、增刊2 0 0 4年 6月 环境卫生工程 E n v i r o n me n t a l S a n i t a t i o n E n g i n e e r i n g J u n e 2 0 0 46 9 喷雾干燥脱硫法处理垃圾焚烧烟气的优化设计 吴燕琦，张小可(深圳市能源环保有限公司，深圳 5 1 8 0 5 2)摘要：利用流体力学方法(C F D)，从理论上对反应塔 内物质的流场进行分析，考察烟气进 口不同角度对反应 塔内物质的流场的影响，从而使旋转喷雾及半干式反应塔得到优化设计。计算结果表明，烟气导流叶片角度为2 5。时，既可得到充分的气液混合，又能避免塔体结垢，表明利用C F
2、D优化设计的流场是可行的。关键词：半干法脱硫；旋转雾化；优化设计；C F D 中图分类号：X 7 0 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 5 8 2 0 6(2 0 0 4】S O一 0 0 6 9 0 3 采用旋 转喷雾 干燥法处理垃圾焚烧烟气设 备、技术相对简单、投资低、运行费用也不高；运行过程中，不会产生结垢和堵塞；由于其干式 运行，最终产物易于处理。只要控制好干燥吸收 器的出口烟气温度，不会产生对设备的腐蚀，但 脱硫效率 略低 于湿法。喷雾 干燥法与活性炭喷 射、布袋除尘器联用，可除去垃圾焚烧烟气中含 有对环境有害的酸性气体、颗粒物、重金属、二 嗯哄或呋喃等污染物。深圳市环保示范
3、工程的南山垃圾焚烧电厂的 烟气净化系统是由旋转喷雾及吸收塔，活性炭喷 射及袋式除尘器组成。烟气首先经过半干式反应 塔除去酸性物质；接着在反应塔烟气出口和袋式 除尘器之间的烟道 中喷入活性炭用来吸附烟气 中 的汞蒸气和二啄哄；最后烟气进入袋式除尘器，几 乎所 有 的 固体颗 粒包 括 烟尘、生 成物(固 态)、未完全反应的石灰、固态重金属以及吸附 有二嚼哄的活性炭等都被除去。净化后的烟气通 过烟囱排入大气。为获得最佳的除酸效果，提高吸收剂的利用 率，需要从理论上对其流场进行分析，我们将利 用 C F D讨论旋转喷雾及半干式反应塔 的优化设 计。1 喷雾干燥脱硫工艺及原理 旋转喷雾烟气脱硫工艺一般
4、用生石灰(主要 成分是 C a O)作吸收剂。生石灰经熟化变成具有 较好反应能力的熟石灰(主要成分是 C a(O H)：)浆 液。熟石 灰 浆液 经装 在 吸 收塔顶 部 的高 达 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n的高速旋转雾化器喷射成 均匀的雾滴，其雾粒直径可小于 1 0 0 m。这些微 收稿 13 期：2 0 0 4 0 5 3 1 粒具有很大的比表面积，与烟气接触，将发生强 烈的热交换和化学反应，迅速地将大部分水分蒸 发，形成含水量少的固体灰渣。如果吸收剂颗粒 没有完全干燥，则在吸收塔之后 的烟道和除尘器 中仍可继续发生吸收二氧化硫的化学反应。喷雾 干燥烟气脱硫化学
5、过程如下：C a O+H E O-C a(O H)2。2 H C 1+C a(O H)2 +C a C l 2+2 H 2 O，2 H F+C a(O H)E-*C a F 2+2 H 2 0。S 02+H2 O H2 S O3。C a(O H)2+H E S O 3-C a S O 3+2 H 2 0。C a S 0 3(液体)C a S O，(固体)，C a S O 3(液体)+1 2 0 2 C a S O 4。从理论上讲，强碱吸收剂与酸性污染物的反 应在极短时间内就可以完成，但由于该反应涉及“气一液”或“气一固”不同的传质过程，使得 污染物的去除效率不同。二相之间的传质过程分 为 3步
6、，即：被 吸收成分从 气相主体到“气一 液”或“气一固”界面的传质过程，界面上的溶 解平衡过程，从界面到“液”或“固”相主体的 扩散过程。可用公式归纳为：N =K -S(C G A C s )一 K G-s r P 一P 鲥 ，(1)上式中 M 为单位时间、单位面积上传质的 量；和 是分别以浓度和分压表示的 A组 分的传质系数；S为吸收传质面积，括号 中两个 数值的差反应 了传质面积的大小。M 传质量越 大，则 A组分污染物的去除效率越高，而 M 的 大小决定 于传质 系数、传质表面积和传质推动 力。传质 系数反应 了传质阻力的大小，阻力越 大，相应的系数越小。因“气一液”传质系数大 于“气一
7、固”传质系数，所 以，在其他条件相同 维普资讯 http:/ 7 0 环境卫生工程 第 1 2 卷 的情况下，湿法的净化效果明显高于干法，半干 法的净化效果居于湿法与干法之间。另外，增加 表面积和“吸收剂与污染物”的摩尔浓度也可使 净化效果增加。然而，在实际操作过程中，更重 要的是通过足够的停留时间来保证污染物的高效 去除。2优化设计 由于喷雾脱硫的脱硫率低于湿法脱硫，吸收 剂的利用率较低，获得最佳的除酸效果，提高吸 收剂的利用率就显得至关重要。雾化器、烟气导 流叶片、半干式反应塔及其附属设备的功能为：将石灰浆及冷却水雾化成均匀的微粒；使烟气在 反应塔内分布均匀；强化烟气与液滴的混合和接 触；
8、提供适 当的反应温度；提供足够长的烟气停 留(反应)时间。优化设计主要从强化烟气与液 滴的混合和接触，提供足够的停 留时间，防止半 湿物料贴壁等方面着手。目前在工程实践及实验 的基础上已经得出了一些经验公式、参数，基于 流场分析的优化设计还没见报道。2 1 反应塔流场分析 烟气旋转进入反应塔，石灰浆和水经雾化盘 进入反应塔，与烟气以相反旋转方向混和发生反 应，气、液、固三相反应及流动，生成固体产 物。经验表明对蒸发过程的有效控制，对避免在 喷雾干燥塔内形成沉积是十分重要的。因此对烟 气流动采用 C F D进行分析，了解烟气与液滴在不 同的设计参数下的混合及分布状态，了解液滴蒸 发区的情况，从而
9、确定最优设计方案。2 2数学模型 由于从雾化器喷嘴到反应塔，其几何尺度跨 度很大，为得到足够精细的网格，需要的网格数 很庞大，为简化起见，采用了二维轴对称模型。由于烟气出口的存在，并非严格的二维轴对称，但对于反应塔的前半段，还是基本真实的反映了 其流场特征。计算采用雷诺应力模型，气相为干 烟气、水蒸气，采用离散相(水)蒸发模型。因 为主要考察蒸发区的情况，以下对离散相颗粒运 动作一简单分析。2 3颗粒运动方程 颗粒在 方向受力：(“一“)+F x，(2)Q Pp 1 8 g Go Re 。r“一U p)是单位质量颗粒所受拉曳力，雷 诺数和拉曳系数如下：Re：垃 C o +一 Re2。旋转边界产
10、生的力在，Y 方向分别为：(1 一 )Q 2 X+2 a(U y,p-“)，(1 一 )Q Y 一2 a(u 一 )。热泳力：一D ，m 口 l D 是热泳力系数。S a f f m a n S 升力：=器(一 此外还要考虑重力等因素(在 方向)。利用 颗粒随机轨道法，颗粒速度取流体平均速度或：=+颗粒轨迹按下式微分：面，轨迹方程简化为，d 1，、一d t 【“一 J，r 为颗粒驰预时间，采用梯形法对上式积分，=(“，。则可得颗粒在给定时间的速率和位置。粒径按 R o s i n R a m m l e r 分布，比较烟气导流 叶片不同角度的颗粒轨迹见图 1。由图 1 可见，导流叶片角度为 1
11、 5。时，石灰 浆液集中在中心区，石灰浆液集中在中心区，气 液不能充分混合；导流叶片角度为 4 0。、5 0。时，颗粒碰到反应塔壁，会导致较严重的结垢；导流 叶片角度为 2 5。时，既可得到较为充分的混合气 液，又能防止贴壁，由此保流叶片的角度为 2 5。时为最优设计。3 结束语 针对喷雾脱硫法处理垃圾焚烧烟气脱硫率和 吸收剂利用率低的缺点进行 了优化设计，通过探 讨，证明基于 C F D的流场优化设计是可行的。4参考文献【1】吴忠标，谭天恩 喷雾干燥法烟气脱硫过程的模拟试验研究 J 1 环境(下转第 7 2页)维普资讯 http:/ 7 2 环境卫生工程 第 1 2 卷 环境改善提供 了有效
12、途经。2 建立了上海鑫港废品回收有限公司 以卢湾区所属企业鑫港废品回收社为基础，与卢湾区物资总公司合资，另有 2名 自然人参股 共同出资组建 了上海鑫港废品回收有限公司，注 册资金 1 0 0万元，其中吸引外来资金 4 0万元。公 司以卢湾区 4个街道为中心，建立了庞大的回收 网络系统，共设 4个定点交投 站，1 9 7个 回收 点，配备了 5 3 辆废品回收专用车，回收网络覆盖 了全区 8 0 以上的街道社区。目前公司拥有资深 评估员 2名，专业技术员 2名，并具有各类设 备、电器的拆卸能力。废品回收范围包括各类 旧 设备、旧家电、塑料、纸板、金属等。公司性质 为股份制，实行市场化运作。各
13、回收站、网点服 务规范，严格做到“定人、定点、定时、定车”四制度和“服务公约、价格、磅秤、胸卡、服 装、车辆”六统一。以上门服务、公平估价为基 础，以文明服务、便民利民为宗 旨，使废品回收 走上了规范化、文明化的良性轨道，效益显著。2 1 有利于资源循环利用和城市经济可持续发 展。分布在全区 1 9 7个回收网点的废旧物资每月 有 3 0 0 余 t，经过各交投点的分类、压缩、打包加 工，成为有用 材料，对城市生活垃圾实行减量 化、资源化。2 2 有利于社会治安综合治理。规范废品回收 队伍建设，将 回收网络纳入统一管理轨道 可以 减少因无序竞争带来的负面影响，减少不稳定因 素，社会效益明显。2
14、 3 有利于再 就业工程 的发展。公司 已吸纳“4 0 5 0”人员 5 0 余名，解决了部分下岗、待业人 员的再就业问题。2 4 经济效益 E t 现。据统计，2 0 0 3年度各类废 品销售总收入 3 8 1 万元，实现纯利润 2 2万元。随 着鑫港公司管理队伍 的加强、知名度 的不断提 高，经济效益 E t 趋明显。3 上海鑫环废弃物处置有限公司 上海鑫环废弃物处置公司由上海振环实业总 公 司(出资 4 0 0万元)与上海市卢湾区市容管理 局所属的汽车队(出资 2 0 0万元)共同投资组建 的股 份制 公 司，注 册 资金 6 0 0万。公 司 占地 1 2 8 0 m ，装机容量 1
15、3 7 k Wh，E t 处理干垃圾 5 0 t(1 个工作 E t)。鑫环公司目前使用的这套 自 动处置设备一R I F 5 0 1 一A型垃圾分拣系统是参照 国际同类产品的先进技术，结合我 国城市生活垃 圾的特点而设计制造的。该设备的工艺流程是：袋装分类无机垃圾给料装置破袋装置 筛选装置风选、磁选装置人工分拣 平 台可再生利用的物质回收剩余不可再 生利用物料运至指定地点填埋或焚烧发电。目前 E t 分捡分类垃圾 2 0 t，可回收利用物质 约 2 t。如能满负荷运转，按预计 1 0 的回收率 计算，每天可分拣出金属、纸张、塑料、玻璃、塑料袋等可回收利用物资约 5 t。从 目前卢湾区 E t
16、 产生生活垃圾 3 0 0 t 的量来看，如果再建 5座此 规模的分拣中心，每天将有 3 0 t 的有用物资得以 回收利用，也意味着卢湾区生活垃圾源头将减量 3 0 t。上海市卢湾区市容管理局环卫产业化运作表 明垃圾处置产业化是大势所趋，势在必行。谁主 动，谁先行，谁发展。作者简介：杨瞍(1 9 7 0一)，现担任上海市卢湾区市容管理局汽车队副书 记、副队长职务，卢湾区市容管理局纪委委员。(上接第7 0页)：。图 1 半干反应塔导流叶片不同角度的颗粒轨迹(导流叶片角度依次为 l 5。，2 5。4 0。5 0。)工 程 1 9 9 5，l 3(3)：2 0 5 【2】钟秦 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例【M 北京：化学工业出版 社 2 0 0 2 【3】张益 生活垃圾焚烧技术【M】北京：化学工业出版社 2 0 0 0 【4】周力行 多相湍流反应流体力学【M】北京：国防工业出版社，2 0 0 2 作者简介：吴燕琦(1 9 6 2一)，毕业于西安交通大学热能工程专业，学士学 位，现工作在深圳市能源环保有限公 司，任研究所主任长期从事大型火电厂 锅炉设计、环境工程和技术研究。维普资讯 http:/
